3D打印在航空制造中的應(yīng)用與創(chuàng)新
2019-6-21 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者：-
增材制造俗稱3D打印。30多年來(lái)，3D打印從初級(jí)的原型樣品制作方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新興的高級(jí)制造技術(shù)。在航空領(lǐng)域，3D打印正在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，通過(guò)選區(qū)激光熔化成型技術(shù)（SLM）制造出高度復(fù)雜的零件，或者以電子束熔化技術(shù)（EBM）替代鍛造，成為航空企業(yè)又一輪技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的載體。
一、3D打印的技術(shù)分類
1、SLA（StereoLithography，光固化成型技術(shù)）
指利用紫外光照射液態(tài)光敏樹(shù)脂發(fā)生聚合反應(yīng)，逐層固化并生成三維實(shí)體。SLA制造的工件尺寸精度高，是商業(yè)化較早的3D打印技術(shù)。
2、CLIP（ContinuousLiquid Interface Production Technology，連續(xù)液體界面提取技術(shù)）
是Carbon 3D公司在SLA技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的具有革命性的3D打印技術(shù)，將3D打印的速度提高了100倍。CLIP從底部投影，使光敏樹(shù)脂固化，未固化的部分通過(guò)控制氧氣形成死區(qū)，抑制光固化反應(yīng)而保持穩(wěn)定的液態(tài)區(qū)域，保證了固化的連續(xù)性。
3、3DP（Three-DimensionalPrinting，三維打印快速成型技術(shù)）
與傳統(tǒng)二維噴墨打印接近，從噴頭噴出粘結(jié)劑（彩色粘結(jié)劑可以打印出彩色制件），將平臺(tái)上的粉末粘結(jié)成型，通常采用石膏粉作為成型材料。3DP技術(shù)目前主要有兩項(xiàng)應(yīng)用：全彩3D打印和砂模鑄造。
4、PJ（Poly Jet，聚合物噴射技術(shù)）
其成型原理類似3DP技術(shù)，但噴射的不是粘合劑而是光固化樹(shù)脂，噴射完成后通過(guò)紫外光照射固化成型。Poly Jet采用陣列式噴頭，甚至可以同時(shí)噴射不同材料，實(shí)現(xiàn)多種材料、多色材料同時(shí)打印。
5、FDM（FusedDeposition Modeling，熔融層積技術(shù)）
利用高溫將材料熔化，通過(guò)打印頭擠出成細(xì)絲，在構(gòu)件平臺(tái)上堆積成型。FDM是最簡(jiǎn)單也是最常見(jiàn)的3D打印技術(shù)，通常應(yīng)用于桌面級(jí)3D打印設(shè)備。
6、NPJ（NanoParticle Jetting，納米顆粒噴射打印技術(shù)）
這是金屬3D打印成型技術(shù)，使用納米液態(tài)金屬以噴墨的方式沉積成型，打印速度比普通激光打印快5倍，且具有優(yōu)異的精度和表面粗糙度。
7、SLM（SelectiveLaser Melting，選區(qū)激光熔化成型技術(shù)）
是目前金屬3D打印成型中最普遍應(yīng)用的技術(shù)，采用精細(xì)聚焦光斑快速熔化預(yù)置金屬粉末，直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結(jié)合的零件，制件致密度可達(dá)99%以上。
8、SLS（SelectiveLaser Sintering，選區(qū)激光燒結(jié)成型技術(shù)）
與SLM技術(shù)類似，區(qū)別是激光功率不同，通常用于高分子聚合物的3D打印成型。SLS也可用于制造金屬或陶瓷零件，制件致密度低，且需要經(jīng)過(guò)后期致密化處理才能使用。
9、LMD（LaserMetal Deposition，激光熔覆成型技術(shù)）
該技術(shù)名稱繁多，常用名稱包括：LENS、DMD、DLF、LRF等。與SLM最大不同在于，其粉末通過(guò)噴嘴聚集到工作臺(tái)面，與激光匯于一點(diǎn)，粉末熔化冷卻后獲得堆積的熔覆實(shí)體。
10、EBM（ElectronBeam Melting，電子束熔化技術(shù)）
其工藝過(guò)程與SLM非常相似，區(qū)別在于，EBM所使用的能量源為電子束。EBM的電子束輸出能量通常比SLM的激光輸出功率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，掃描速度也遠(yuǎn)高于SLM。因此EBM在構(gòu)建過(guò)程中，需要對(duì)造型臺(tái)整體進(jìn)行預(yù)熱，防止成型過(guò)程中溫度過(guò)大帶來(lái)較大的殘余應(yīng)力。
二、3D打印在航空制造中的應(yīng)用
1、打印渦輪葉片鑄造型芯
在鑄造金屬渦輪葉片時(shí)，為了形成高度復(fù)雜的內(nèi)部冷卻通道結(jié)構(gòu)，常使用陶瓷鑄造型芯。鑄造葉片冷卻后，將葉片從模具中取出，同時(shí)內(nèi)部的陶瓷型芯需要溶解掉。
目前，陶瓷鑄造型芯的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，通過(guò)傳統(tǒng)的注射成型方式已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。奧地利Lithoz公司采用LCM技術(shù)制造陶瓷葉片型芯，可以滿足航空航天和電力工業(yè)的需求。
LithaCore 450是由Lithoz公司自主研發(fā)用于3D打印陶瓷葉片型芯的硅基材料，制備精度高，燒結(jié)后的葉片型芯產(chǎn)品具有非常低的熱膨脹率、較高的孔隙率、優(yōu)異的表面質(zhì)量和優(yōu)良的洗濾性等優(yōu)點(diǎn)。典型的應(yīng)用有：?jiǎn)尉ф嚮辖饻u輪葉片鑄造型芯、定向凝固鑄造型芯、等軸鑄造型芯。
2、打印發(fā)動(dòng)機(jī)支架
2018年11月1日，GE增材制造宣布，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局已批準(zhǔn)3D打印支架用于波音747-8 機(jī)型的GEnx-2B發(fā)動(dòng)機(jī)（雙轉(zhuǎn)子軸流式大涵道渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)），該支架將取代傳統(tǒng)制造的電動(dòng)門打開(kāi)系統(tǒng)支架，其作用是打開(kāi)和關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇罩門，制造設(shè)備為GEAdditive Concept Laser M2多激光器選區(qū)激光熔融系統(tǒng)。
這款3D打印支架將在GE航空集團(tuán)阿拉巴馬州奧本市的工廠開(kāi)始批量生產(chǎn)。GE公司表示，與傳統(tǒng)方式制造的支架相比，3D打印技術(shù)將減少高達(dá)90%的材料浪費(fèi)。在傳統(tǒng)支架的制造中，因金屬加工而產(chǎn)生的材料浪費(fèi)約占50%。此外，3D打印支架采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，重量比傳統(tǒng)支架輕10%。
據(jù)了解，這款3D打印支架為GE航空創(chuàng)造了兩個(gè)“第一”。首先，這是GE 第一個(gè)獲得認(rèn)證的由ConceptLaser公司的選區(qū)激光熔融設(shè)備生產(chǎn)的3D打印零件。其次，這是GE航空第一次完成一種3D打印零件從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)于10個(gè)月內(nèi)開(kāi)發(fā)完成。
在進(jìn)行支架生產(chǎn)時(shí)，一次打印可以生產(chǎn)4個(gè)支架，在構(gòu)建室中4個(gè)支架以互鎖設(shè)計(jì)的形式實(shí)現(xiàn)，打印材料為鈷鉻合金。
3D打印支架的制造成本低于原有成本，GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的訂單量為2200臺(tái)，整體來(lái)看節(jié)約的成本非常可觀，并且3D打印支架比傳統(tǒng)支架更輕，將為航空公司節(jié)省燃料。
3、打印燃料噴嘴
2010年，空客將GE生產(chǎn)的LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)作為A320neo飛機(jī)的選配，LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)中就帶有3D打印的燃油噴嘴。2015年5月19日，A320neo飛機(jī)首飛成功，裝有LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的A320neo 同時(shí)獲得歐洲航空安全局和美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的認(rèn)證。
2018年10月8日，GE航空工廠慶祝第30000個(gè)3D打印燃料噴嘴的成功出貨。該噴嘴自2018年以來(lái)一直在該工廠生產(chǎn)，標(biāo)志著規(guī)?；霾闹圃斓闹匾锍瘫A(yù)計(jì)2019年這種產(chǎn)品將達(dá)到40000支。
4、3D打印的其他應(yīng)用
2018年，以下信息顯示了3D打印在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展情況。
（1）總部位于佛羅里達(dá)州的金屬3D打印機(jī)制造商Sintavia LLC在1月宣布，他們是第一家獲得批準(zhǔn)生產(chǎn)3D打印飛行零件的公司，零件采用粉末床熔合技術(shù)生產(chǎn)。
（2）波音公司與瑞士歐瑞康集團(tuán)簽署了一項(xiàng)為期五年的合作協(xié)議，涉及開(kāi)發(fā)金屬3D打印標(biāo)準(zhǔn)工藝和材料。除了通過(guò)各種不同材料和機(jī)器生產(chǎn)金屬部件外，他們將共同收集數(shù)據(jù)來(lái)支持標(biāo)準(zhǔn)3D打印鈦金屬的生產(chǎn)工藝。他們的研究將首先關(guān)注工業(yè)化鈦粉床融合3D打印，并確保該工藝制造的任何部件都能滿足美國(guó)聯(lián)邦航空局和國(guó)防部的必要飛行要求。
（3）FIT和NIK成立了一家名為FITNIK的新合資公司，該公司結(jié)合了兩家公司的最佳產(chǎn)品，并在飛機(jī)研發(fā)中心Zhukovsky開(kāi)展業(yè)務(wù)。
（4）威奇塔州立大學(xué)國(guó)家航空研究所是美國(guó)最大的大學(xué)航空研發(fā)機(jī)構(gòu)，宣布將幫助航空航天工業(yè)中的3D打印聚合物創(chuàng)建新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件，支持行業(yè)對(duì)3D打印聚合物的零件認(rèn)證。
（5）金屬3D打印專家、空客子公司APWORKS宣布，已被航空結(jié)構(gòu)供應(yīng)商PremiumAEROTEC收購(gòu)為子公司。兩家公司合并后，客戶可以使用11個(gè)生產(chǎn)單元和各種材料。
（6）Gefertec與BIAS合作，對(duì)其送絲3D打印方法進(jìn)行鑒定，用于生產(chǎn)大型結(jié)構(gòu)航空航天部件。德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部資助了該項(xiàng)目，研究了保護(hù)氣體含量、熱輸入對(duì)鈦和鋁組件機(jī)械性能的影響。
（7）據(jù)預(yù)測(cè)，到2021年，75％的新型商用和軍用飛機(jī)將包含3D打印部件。紐約大學(xué)Tandon工程學(xué)院的研究人員提出了一種保護(hù)零件完整性的方法，即將QR碼和條形碼轉(zhuǎn)換為隱藏在3D打印物體內(nèi)。
（8）洛克希德馬丁公司與海軍研究辦公室簽訂了一份價(jià)值580萬(wàn)美元的合同，協(xié)助其進(jìn)一步開(kāi)發(fā)航空航天業(yè)3D打印技術(shù)應(yīng)用。
（9）以定向能源沉積（DED）技術(shù)而聞名的BeAM宣布與德國(guó)PFW Aerospace公司建立新的合作關(guān)系，后者為所有民用空客型號(hào)和波音787夢(mèng)想飛機(jī)提供系統(tǒng)和組件。除了DED工藝之外，兩者共同致力于為大型民用客機(jī)提供3D打印的Ti6Al4V合金部件。
三、3D打印創(chuàng)新技術(shù)
近期，《科學(xué)》雜志上發(fā)表的論文介紹，加州大學(xué)伯克利分校Hayden K. Taylor團(tuán)隊(duì)及其合作者發(fā)展了一種全新的3D打印技術(shù)，無(wú)需逐層打印，直接在高粘度樹(shù)脂容器內(nèi)通過(guò)光聚合一次形成整個(gè)3D物體。該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：
（1）計(jì)算軸向光刻技術(shù)CAL。目前常規(guī)的立體光刻3D打印機(jī)主要使用掃描點(diǎn)光源或投影儀來(lái)順序地逐層構(gòu)建3D對(duì)象，這往往會(huì)導(dǎo)致邊緣的“階梯”效應(yīng)，也難以生產(chǎn)柔性物體，因?yàn)榭蓮澢牟牧显诖蛴∵^(guò)程中會(huì)變形，并且打印某些特定形狀的物體時(shí)需要支撐物。
Hayden K. Taylor團(tuán)隊(duì)則創(chuàng)造性地采用了一種計(jì)算軸向光刻技術(shù)CAL（Computed AxialLithography），在圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將預(yù)先計(jì)算的光圖案序列數(shù)字投影到樹(shù)脂容器中，旋轉(zhuǎn)時(shí)可以在樹(shù)脂中照射出上千個(gè)不同的投影。隨著時(shí)間的推移，累積的光照穿過(guò)聚合閾值的區(qū)域變?yōu)閷?shí)心，而未穿過(guò)該閾值的區(qū)域保持未固化，從而一次性打印出所設(shè)計(jì)的三維物體。
（2）打印樹(shù)脂材料的配置。未固化的液體，會(huì)有光線穿過(guò)它，因此整個(gè)過(guò)程需要有一個(gè)從液體到固體過(guò)渡的光照閾值，打印樹(shù)脂材料的配置是這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)。研究人員所采用的3D打印樹(shù)脂由混有光敏分子和溶解氧的液體聚合物組成。光照激活光敏化合物來(lái)消耗氧，只有在所有氧氣用完的那些3D區(qū)域，聚合物才形成“交聯(lián)”，將樹(shù)脂從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，而未使用的樹(shù)脂可以通過(guò)氧氣加熱來(lái)回收利用。這種氧氣抑制機(jī)制，可以確保容器中心的物體在積聚足夠強(qiáng)度的光而變成固體之前，最靠近光源的樹(shù)脂不發(fā)生反應(yīng)。
（3）CAL新型3D打印的靈感來(lái)源?；贑AL的新型3D打印技術(shù)的靈感來(lái)自醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT），CT掃描從各個(gè)角度將X射線或其他類型的電磁輻射投射到體內(nèi)，通過(guò)分析傳輸能量的模式來(lái)揭示物體的幾何形狀。
研究人員將層析成像算法與光聚合物的理想閾值相結(jié)合，并使用迭代優(yōu)化法來(lái)提高目標(biāo)幾何的精度。通過(guò)這種全新的3D打印技術(shù)，他們打印了幾種幾厘米大小的物體來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，包括雕塑模型、微型飛機(jī)模型、小格子和懸梁等。
（4）CAL新型3D打印的前景。由于現(xiàn)有的立體光刻技術(shù)已經(jīng)很成熟，CAL很可能在現(xiàn)有方法不足的新興領(lǐng)域才能找到最大用途。如：打印不能承受分層打印時(shí)施加力的軟材料；制作具有光滑曲面的透鏡；封裝其他物體等。
作為原理驗(yàn)證，研究人員在螺絲刀的金屬軸上封裝打印出三維手柄，這是不可能通過(guò)現(xiàn)有3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，需要昂貴的注塑工具。
除此之外，由于未固化的樹(shù)脂材料可以回收，100％可重復(fù)使用，這種3D打印技術(shù)幾乎不產(chǎn)生任何材料浪費(fèi)。而且，在某些情況下，CAL可能比目前的立體光刻法更快。
不過(guò)，速率、分辨率、對(duì)象大小和最終材料屬性之間的權(quán)衡都值得進(jìn)一步考慮，聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)以及樹(shù)脂中的擴(kuò)散和光散射，也將最終限制CAL打印的物體保真度。
總之，這項(xiàng)工作使3D打印從逐層打印方式過(guò)渡到一次性全三維打印，為3D打印開(kāi)辟了全新的篇章，堪稱里程碑之作。
四、結(jié)語(yǔ)
3D打印技術(shù)的應(yīng)用頗具挑戰(zhàn)，但它開(kāi)創(chuàng)了更多可能性、更高的效率和更快的速度，幫助航空制造業(yè)克服發(fā)展瓶頸。其主要優(yōu)勢(shì)在于：
（1）提升生產(chǎn)速度。目前一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)周期要2-3周，而巨大的市場(chǎng)需求和訂單量要求達(dá)到一周7臺(tái)的產(chǎn)能。利用增材制造技術(shù)一次成型復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，避免了傳統(tǒng)工藝中連接、熱處理、加工和組裝等繁瑣步驟，能顯著提升生產(chǎn)效率，縮短交貨時(shí)間。
（2）創(chuàng)造更多可能性。設(shè)計(jì)工程師不再受到傳統(tǒng)制造工藝的束縛，能夠利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)出最接近“大自然產(chǎn)物”的發(fā)動(dòng)機(jī)部件?？梢詫?shí)現(xiàn)常規(guī)制造過(guò)程無(wú)法完成的復(fù)雜形狀，幫助我們針對(duì)任何需求制造出最合適的部件。
（3）減少浪費(fèi)和降低成本。增材制造技術(shù)使我們能在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的幾乎任意一點(diǎn)做出修改，節(jié)省了制造時(shí)間和加工成本。將材料僅用于需要的地方，而無(wú)需對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行成本高昂的專業(yè)加工，在提升產(chǎn)品性能的同時(shí)節(jié)約了材料。
（4）數(shù)字產(chǎn)業(yè)的一部分。利用增材制造技術(shù)，工程師只需將所需部件的幾何文件上傳到3D打印機(jī)，便可立即打印出來(lái)。這顯著減少了部件庫(kù)存和不必要的運(yùn)輸時(shí)間，從而縮短交付周期。
（來(lái)源：《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)（WMEM）》雜志2019年第2期 作者：中良 機(jī)械工業(yè)信息研究院）
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