百家爭(zhēng)鳴！AM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用大爆發(fā)

導(dǎo)讀：隨著增材制造技術(shù)所提供的靈活性、輕量化和低成本效益被不斷地認(rèn)可，該技術(shù)在整個(gè)航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)展開來(lái)�，F(xiàn)實(shí)當(dāng)中，越來(lái)越多的制造場(chǎng)景在某些情況下會(huì)需要用到3D打印技術(shù)。這是一種采用金屬粉末或復(fù)合材料逐層構(gòu)建來(lái)制造物體的技術(shù)，在較小的零件生產(chǎn)上與鑄件相比更具競(jìng)爭(zhēng)力。隨著技術(shù)的成熟，包括材料和設(shè)備的成熟，制造商也將越來(lái)越多地將其應(yīng)用于制造大型部件和結(jié)構(gòu)中。

通用電氣（GE）航空的增材制造負(fù)責(zé)人EricGatlin接受采訪時(shí)曾表示："我們對(duì)增材技術(shù)的信心以及技術(shù)本身的水準(zhǔn)都在提高，我們公司現(xiàn)在的發(fā)展軌跡是，只要能使產(chǎn)品在重量和設(shè)計(jì)方面有所區(qū)別，就會(huì)使用增材技術(shù)。"

對(duì)GE航空公司來(lái)說(shuō)，他們?cè)谠霾闹圃觳考�方面已�?jīng)很有經(jīng)驗(yàn)了，例如它與法國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司賽峰集團(tuán)的合資企業(yè)——CFM International合作制造出Leap渦輪風(fēng)扇的燃料噴嘴。同樣，在每臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上，增材制造現(xiàn)在提供不少于292個(gè)零件。Gatlin說(shuō)相比于過(guò)去的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，新的AM模式帶來(lái)了產(chǎn)能上的更大提升。此外，GE公司新的Catalyst通用航空和公務(wù)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)也將采用3D打印技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)。

通用電氣航空?qǐng)F(tuán)隊(duì)與GE集團(tuán)在2016年10月成立了通用電氣增材制造部門，并展開了緊密合作。GE增材制造公司工程和技術(shù)總經(jīng)理Chris Schuppe說(shuō)："這種方法正在繼續(xù)降低成本，提高設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的穩(wěn)健性，AM越來(lái)越成為GE航空工程師常提及詞匯的一部分，我們發(fā)現(xiàn)如今不再需要爭(zhēng)取做增材制造，因?yàn)樗�已然成為流程中公認(rèn)的一部分。"

在某種程度上，增材制造設(shè)計(jì)部件的更大靈活性似乎已經(jīng)贏得了工程師的青睞。據(jù)Schuppe說(shuō)，這些工藝為他們打開了一個(gè)非常大的窗口，使設(shè)計(jì)者能夠有更多的創(chuàng)造力，不再因鑄件結(jié)構(gòu)限制而感到困惑。

隨著人們對(duì)改變傳統(tǒng)模具鑄造方法的信心不斷增強(qiáng)，通用電氣向其供應(yīng)基地的公司提出挑戰(zhàn)，詢問(wèn)自己現(xiàn)在可以通過(guò)增材技術(shù)制造哪些項(xiàng)目。Gatlin說(shuō)："我們已經(jīng)對(duì)自己和我們的合作伙伴提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀兛梢詫?shí)現(xiàn)成本節(jié)約。由于制造成本的減少，我們有了一些額外的資金。這也給了我們時(shí)間來(lái)制定一個(gè)積極的計(jì)劃，挑戰(zhàn)自己在不到一年的時(shí)間里使更多的傳統(tǒng)加工模式切換到增材制造模式。"

目前，通用電氣公司在增材制造產(chǎn)品的生產(chǎn)上已經(jīng)具備了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這當(dāng)中大部分的貢獻(xiàn)來(lái)自他們?cè)诙砗ザ碇菪列聊翘岬拈_發(fā)中心。此外，通用電氣在美國(guó)的阿拉巴馬州奧本和在意大利都建設(shè)有工廠，這給他們帶來(lái)了巨大的業(yè)務(wù)連續(xù)性，并使它們?cè)谑澜绺鞯氐纳�產(chǎn)過(guò)程有了更大的共性。

△羅爾斯-羅伊斯公司使用增材制造技術(shù)來(lái)制造部件，如Pearl10X發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器瓦片。(圖片：勞斯萊斯)

對(duì)于GE的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司——?jiǎng)谒谷R斯來(lái)說(shuō)，2015年是他們向增材制造過(guò)渡的一個(gè)重要里程碑，當(dāng)時(shí)它使用AM工藝為Trent XWB-97渦輪風(fēng)扇制造大型鈦制氣膜。據(jù)稱，這家總部位于英國(guó)的公司首次為空客A350寬體客機(jī)提供發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其直徑達(dá)1.5米的結(jié)構(gòu)是在商用客機(jī)上飛行的最大承重結(jié)構(gòu)。

羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司的制造總監(jiān)尼爾-曼托（Neil Mantle）表示他們很早就知道增材制造所擁有的巨大潛力，并意識(shí)到可以利用它賦予的幾何自由度來(lái)制造其他方式無(wú)法做到的東西。

Rolls-Royce集團(tuán)目前在這一領(lǐng)域的最先進(jìn)成就是Pearl 10X發(fā)動(dòng)機(jī)，它為達(dá)索航空公司最新的獵鷹10X公務(wù)機(jī)開發(fā)。曼托說(shuō)，它將越來(lái)越多地把這種突破性技術(shù)應(yīng)用于其大型客機(jī)的動(dòng)力裝置。

Pearl10X采用了作為羅爾斯-羅伊斯公司Advance 2技術(shù)計(jì)劃一部分而開發(fā)的低排放燃燒器。這套燃燒器由3D打印的葉片組成，機(jī)器上有四臺(tái)激光器，可以同時(shí)熔化成形四組扇片。

Pearl10X的高級(jí)副總裁PhilippZeller解釋說(shuō)：“對(duì)于以前的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器，工程師們會(huì)通過(guò)鑄造然后在上面鉆孔來(lái)制作通氣扇。"這意味著我們?cè)谏绕�的幾何形狀方面受到很大的限制，但現(xiàn)在我們可以完全自由地定義我們想用它們做什么。"

三維打印的使用意味著可以在不浪費(fèi)材料的情況下制造更復(fù)雜的部件。就Pearl 10X燃燒器而言，該工藝通過(guò)減少對(duì)冷卻空氣的使用帶來(lái)了額外的環(huán)境效益。新裝置包括冷卻孔，可以優(yōu)化冷卻空氣的流動(dòng)，并通過(guò)改進(jìn)的空氣混合過(guò)程減少一氧化二氮的排放。新設(shè)計(jì)還減少了燃燒器中的溫度熱點(diǎn)數(shù)量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪的性能。

在英格蘭北部的羅瑟漢姆，勞斯萊斯公司已經(jīng)投資了一個(gè)專門的增材制造設(shè)施。那里的團(tuán)隊(duì)正在努力將AM技術(shù)工業(yè)化，以便將其應(yīng)用于集團(tuán)更廣泛的生產(chǎn)過(guò)程�？偟膩�(lái)說(shuō)，該公司認(rèn)為其向新工藝的轉(zhuǎn)換可以將設(shè)計(jì)和制造部件的時(shí)間減少75%之多。

除了Pearl 10X之外，羅爾斯-羅伊斯現(xiàn)在還打算將增材制造用于新型UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，包括渦輪軸承轂。這些增材制造的部件將比TrentXWB-97上的部件還要大。

Stratasys是一家領(lǐng)先的3D打印機(jī)器和增材制造廠商，它也看到航空航天OEMs越來(lái)越多地接受增材制造工藝作為主流供應(yīng)線的一部分。美國(guó)公司航空航天業(yè)務(wù)副總裁ScottSevcik說(shuō)：“它已經(jīng)從過(guò)去被視為一種實(shí)驗(yàn)性技術(shù)的東西轉(zhuǎn)變?yōu)橄窨湛瓦@樣的公司日常采購(gòu)的一部分，現(xiàn)在他們的平臺(tái)上都在使用這種技術(shù)，包括A350�！�

Stratasys公司的打印機(jī)使用專門開發(fā)的聚合物樹脂，如Ultem和Antero，它們可以大大減輕重量，以取代鋁。這些材料越來(lái)越多地被用于生產(chǎn)飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)飾的部件。最近，該公司推出了新的大桶聚合技術(shù)，更適合于更高分辨率的3D打印，用于更小的部件。

據(jù)Sevcik說(shuō)，整個(gè)航空航天供應(yīng)鏈上的公司都在采用增材制造，主要發(fā)動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)制造商賽峰集團(tuán)就是其中之一。此外還有英國(guó)的Senior Aerospace BWT這樣的專家，他們正在用最近交付的一對(duì)StratasysFortus 450mc打印機(jī)制造空氣管道系統(tǒng)。

AM領(lǐng)域的最新趨勢(shì)之一是在聚合物中添加碳纖維以增加強(qiáng)度。在某些情況下，材料開發(fā)商正在添加阻燃劑和增材制造等元素，使其更容易制造不適合傳統(tǒng)擠壓工藝的小部件，如連接器。

在Sevcik看來(lái)，增材制造也有可能推動(dòng)售后市場(chǎng)的成本效率。有了分布在世界各地的合格的3D打印承包商，可替換的零件可以更迅速地生產(chǎn)出來(lái)，并分配給飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商和他們?cè)诟髯缘貐^(qū)的維修組織。

在過(guò)去的五六年里，Stratasys公司表示他們的航空航天業(yè)務(wù)已經(jīng)從向低層的3D打印機(jī)器和材料銷售轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚬��?yīng)鏈頂端的航空航天原始設(shè)備制造商銷售。除此之外，越來(lái)越多的航空航天公司在理解材料的特性方面越來(lái)越聰明，現(xiàn)在大部分業(yè)務(wù)都是與航空航天公司一起做的，這幾乎是現(xiàn)在行業(yè)的要求。"