3D打印助力航天航空業七大突破



增材制造(3D打印)從其早期的應用衍變至今,已經走過了30多年的路程。工業級3D打印最普遍的流程是在粉末床上層層堆疊打印,通過電子激光束選擇性燒結粉末顆粒,最後成型。

  
3D打印對制造業中長久存在的批量與范圍困境提出了兩方面的挑戰:首先,它降低了大規模打印對象的成本。一台打印機能同步構建多個不同設計的複雜部件,這樣一來,高度集中的工廠生產線就變得無用武之地(進入當地制造業的門檻降低了)。其次,3D打印在相同投資的條件下,增加了設計的多樣性。因此,制造複雜的部件、實現生產轉型以及個性化定制的成本得以縮減。

與大規模制造行業相比,航天航空業主要集中於複雜的小批量制造,這一行業正努力打樣利用最新最前沿的科技,同時,它也是3D打印行業的主要市場之一,將3D打印視作克服主要挑戰的方式,這些挑戰包括環境性能限制、高昂的制造成本、競爭激烈的市場環境。

3D打印使工程師們能能夠更快地設計出原型,並將概念設計轉換為實體。3D打印省去了模具制造環節,直接制作出最終成品,從而加速了整個研發生產流程。這樣一來,公司就能快速測試多種設計結構,並以此為基礎確定顧客偏好、降低產品退回率、縮短產品推向市場的時間。

  同樣,增材制造在制作模型和小批量生產方面也頗具優勢,能在這兩方面縮減或節省昂貴又缺乏分攤的模具制造成本。

  3D打印通過遠程合作能順利實現眾包。隨著時間推移,這種模式有可能影響到公司的研發。眾包的力量在未來的某個時刻會取代傳統的研發方式,成為企業的首要選擇。

  2013年,美國國防部高級研究計劃局申請改善飛機的垂直升降系統。通過3D打印技術,波音不到30天就生產出了對應的模型。這樣的一個模型,如果用RP其它方式制造,動輒耗上幾個月。

傳統的設計很大程度上會受到生產技術的限制。以往,工程師們設計前,幾乎都先考慮銑削、旋轉、鑄造、鍛造和焊接過程的可能性和限制性,一些拓補學優化的設計由於結構複雜無法是生產出來的。增材制造可以制造出塑料及金屬複雜部件,比如鋼、鋁等。航天航空中已經使用3D打印的Ti-6Al-4V3D列印鈦合金和718鉻鎳鐵合金來制作部件,這兩種材料在幾何結構上的靈活變動性很強,為創新設計提供了更廣闊的空間。同時,3D打印也使得設計師們可以不用理會傳統制造的限制,實現產品性能最大化。GE航空也在利用增材制造生產渦輪葉片,這些渦輪葉片形狀複雜,有利於減少氣流阻力。用傳統方式制造這些渦輪葉片,則會相當費力耗時。GE計劃,到2016年將實現這些渦輪葉片的大批量增材制造。

由於本身賦予了應對高設計難度的特性,增材制造能夠將複雜部件轉化為組件,實現了減量生產,直接減少了裝配的時間與成本。更重要的是,它簡化了最終設計模型的改動流程。理論上說,落實一項設計時,通過焊接或其他方式進行,會損害最終產品的質量和耐用性,因此一般不傾向於組合多個部件。 GE制造出了一體化的燃油噴嘴,這些燃油噴嘴以往通常是由獨立的20餘個不同部件組合而成。用在通用電氣LEAP航空發動機上的3D打印燃油噴嘴,相比傳統方法制造的燃油噴嘴來說,耐用性要強5倍。



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