WMEM|3D打印在航空制造中的應用與創新
WMEM|3D打印在航空制造中的應用與創新
增材制造俗稱3D打印。30多年來，3D打印從初級的原型樣品制作方法逐漸轉變為一種新興的高級制造技術。在航空領域，3D打印正在進入產業化應用，通過選區激光熔化成型技術（SLM）制造出高度復雜的零件，或者以電子束熔化技術（EBM）替代鍛造，成為航空企業又一輪技術競爭的載體。
一、3D打印的技術分類
1、SLA（Stereo
Lithography，光固化成型技術）
指利用紫外光照射液態光敏樹脂發生聚合反應，逐層固化并生成三維實體。SLA制造的工件尺寸精度高，是商業化較早的3D打印技術。
2、CLIP（Continuous
Liquid Interface Production Technology，連續液體界面提取技術）
是Carbon 3D公司在SLA技術的基礎上開發的具有革命性的3D打印技術，將3D打印的速度提高了100倍。CLIP從底部投影，使光敏樹脂固化，未固化的部分通過控制氧氣形成死區，抑制光固化反應而保持穩定的液態區域，保證了固化的連續性。
3、3DP（Three-Dimensional
Printing，三維打印快速成型技術）
與傳統二維噴墨打印接近，從噴頭噴出粘結劑（彩色粘結劑可以打印出彩色制件），將平臺上的粉末粘結成型，通常采用石膏粉作為成型材料。3DP技術目前主要有兩項應用：全彩3D打印和砂模鑄造。
4、PJ（Poly Jet，聚合物噴射技術）
其成型原理類似3DP技術，但噴射的不是粘合劑而是光固化樹脂，噴射完成后通過紫外光照射固化成型。Poly Jet采用陣列式噴頭，甚至可以同時噴射不同材料，實現多種材料、多色材料同時打印。
5、FDM（Fused
Deposition Modeling，熔融層積技術）
利用高溫將材料熔化，通過打印頭擠出成細絲，在構件平臺上堆積成型。FDM是最簡單也是最常見的3D打印技術，通常應用于桌面級3D打印設備。
6、NPJ（Nano
Particle Jetting，納米顆粒噴射打印技術）
這是金屬3D打印成型技術，使用納米液態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，且具有優異的精度和表面粗糙度。
7、SLM（Selective
Laser Melting，選區激光熔化成型技術）
是目前金屬3D打印成型中最普遍應用的技術，采用精細聚焦光斑快速熔化預置金屬粉末，直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結合的零件，制件致密度可達99%以上。
8、SLS（Selective
Laser Sintering，選區激光燒結成型技術）
與SLM技術類似，區別是激光功率不同，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，且需要經過后期致密化處理才能使用。
9、LMD（Laser
Metal Deposition，激光熔覆成型技術）
該技術名稱繁多，常用名稱包括：LENS、DMD、DLF、LRF等。與SLM最大不同在于，其粉末通過噴嘴聚集到工作臺面，與激光匯于一點，粉末熔化冷卻后獲得堆積的熔覆實體。
10、EBM（Electron
Beam Melting，電子束熔化技術）
其工藝過程與SLM非常相似，區別在于，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數量級，掃描速度也遠高于SLM。因此EBM在構建過程中，需要對造型臺整體進行預熱，防止成型過程中溫度過大帶來較大的殘余應力。
二、3D打印在航空制造中的應用
1、打印渦輪葉片鑄造型芯
在鑄造金屬渦輪葉片時，為了形成高度復雜的內部冷卻通道結構，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，同時內部的陶瓷型芯需要溶解掉。
目前，陶瓷鑄造型芯的結構越來越復雜，通過傳統的注射成型方式已經無法實現。奧地利Lithoz公司采用LCM技術制造陶瓷葉片型芯，可以滿足航空航天和電力工業的需求。
LithaCore 450是由Lithoz公司自主研發用于3D打印陶瓷葉片型芯的硅基材料，制備精度高，燒結后的葉片型芯產品具有非常低的熱膨脹率、較高的孔隙率、優異的表面質量和優良的洗濾性等優點。典型的應用有：單晶鎳基合金渦輪葉片鑄造型芯、定向凝固鑄造型芯、等軸鑄造型芯。
2、打印發動機支架
2018年11月1日，GE增材制造宣布，美國聯邦航空管理局已批準3D打印支架用于波音747-8 機型的GEnx-2B發動機（雙轉子軸流式大涵道渦輪風扇發動機），該支架將取代傳統制造的電動門打開系統支架，其作用是打開和關閉發動機的風扇罩門，制造設備為GEAdditive Concept Laser M2多激光器選區激光熔融系統。
這款3D打印支架將在GE航空集團阿拉巴馬州奧本市的工廠開始批量生產。GE公司表示，與傳統方式制造的支架相比，3D打印技術將減少高達90%的材料浪費。在傳統支架的制造中，因金屬加工而產生的材料浪費約占50%。此外，3D打印支架采用了優化設計方案，重量比傳統支架輕10%。
據了解，這款3D打印支架為GE航空創造了兩個“第一”。首先，這是GE 第一個獲得認證的由Concept
Laser公司的選區激光熔融設備生產的3D打印零件。其次，這是GE航空第一次完成一種3D打印零件從設計到生產于10個月內開發完成。
在進行支架生產時，一次打印可以生產4個支架，在構建室中4個支架以互鎖設計的形式實現，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發動機的訂單量為2200臺，整體來看節約的成本非常可觀，并且3D打印支架比傳統支架更輕，將為航空公司節省燃料。
3、打印燃料噴嘴
2010年，空客將GE生產的LEAP-1A發動機作為A320neo飛機的選配，LEAP發動機中就帶有3D打印的燃油噴嘴。2015年5月19日，A320neo飛機首飛成功，裝有LEAP發動機的A320neo 同時獲得歐洲航空安全局和美國聯邦航空管理局的認證。
2018年10月8日，GE航空工廠慶祝第30000個3D打印燃料噴嘴的成功出貨。該噴嘴自2018年以來一直在該工廠生產，標志著規模化增材制造的重要里程碑，預計2019年這種產品將達到40000支。
4、3D打印的其他應用
2018年，以下信息顯示了3D打印在航空航天領域應用進展情況。
（1）總部位于佛羅里達州的金屬3D打印機制造商Sintavia LLC在1月宣布，他們是第一家獲得批準生產3D打印飛行零件的公司，零件采用粉末床熔合技術生產。
（2）波音公司與瑞士歐瑞康集團簽署了一項為期五年的合作協議，涉及開發金屬3D打印標準工藝和材料。除了通過各種不同材料和機器生產金屬部件外，他們將共同收集數據來支持標準3D打印鈦金屬的生產工藝。他們的研究將首先關注工業化鈦粉床融合3D打印，并確保該工藝制造的任何部件都能滿足美國聯邦航空局和國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，該公司結合了兩家公司的最佳產品，并在飛機研發中心Zhukovsky開展業務。
（4）威奇塔州立大學國家航空研究所是美國最大的大學航空研發機構，宣布將幫助航空航天工業中的3D打印聚合物創建新的技術標準文件，支持行業對3D打印聚合物的零件認證。
（5）金屬3D打印專家、空客子公司APWORKS宣布，已被航空結構供應商Premium
AEROTEC收購為子公司。兩家公司合并后，客戶可以使用11個生產單元和各種材料。
（6）Gefertec與BIAS合作，對其送絲3D打印方法進行鑒定，用于生產大型結構航空航天部件。德國聯邦經濟事務和能源部資助了該項目，研究了保護氣體含量、熱輸入對鈦和鋁組件機械性能的影響。
（7）據預測，到2021年，75％的新型商用和軍用飛機將包含3D打印部件。紐約大學Tandon工程學院的研究人員提出了一種保護零件完整性的方法，即將QR碼和條形碼轉換為隱藏在3D打印物體內。
（8）洛克希德馬丁公司與海軍研究辦公室簽訂了一份價值580萬美元的合同，協助其進一步開發航空航天業3D打印技術應用。
（9）以定向能源沉積（DED）技術而聞名的BeAM宣布與德國PFW Aerospace公司建立新的合作關系，后者為所有民用空客型號和波音787夢想飛機提供系統和組件。除了DED工藝之外，兩者共同致力于為大型民用客機提供3D打印的Ti6Al4V合金部件。
三、3D打印創新技術
近期，《科學》雜志上發表的論文介紹，加州大學伯克利分校Hayden K. Taylor團隊及其合作者發展了一種全新的3D打印技術，無需逐層打印，直接在高粘度樹脂容器內通過光聚合一次形成整個3D物體。該技術具有以下特點：
（1）計算軸向光刻技術CAL。目前常規的立體光刻3D打印機主要使用掃描點光源或投影儀來順序地逐層構建3D對象，這往往會導致邊緣的“階梯”效應，也難以生產柔性物體，因為可彎曲的材料在打印過程中會變形，并且打印某些特定形狀的物體時需要支撐物。
Hayden K. Taylor團隊則創造性地采用了一種計算軸向光刻技術CAL（Computed Axial
Lithography），在圍繞垂直軸旋轉時，將預先計算的光圖案序列數字投影到樹脂容器中，旋轉時可以在樹脂中照射出上千個不同的投影。隨著時間的推移，累積的光照穿過聚合閾值的區域變為實心，而未穿過該閾值的區域保持未固化，從而一次性打印出所設計的三維物體。
（2）打印樹脂材料的配置。未固化的液體，會有光線穿過它，因此整個過程需要有一個從液體到固體過渡的光照閾值，打印樹脂材料的配置是這項技術的一個關鍵難點。研究人員所采用的3D打印樹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消耗氧，只有在所有氧氣用完的那些3D區域，聚合物才形成“交聯”，將樹脂從液體轉變為固體，而未使用的樹脂可以通過氧氣加熱來回收利用。這種氧氣抑制機制，可以確保容器中心的物體在積聚足夠強度的光而變成固體之前，最靠近光源的樹脂不發生反應。
（3）CAL新型3D打印的靈感來源。基于CAL的新型3D打印技術的靈感來自醫學領域的計算機斷層掃描技術（CT），CT掃描從各個角度將X射線或其他類型的電磁輻射投射到體內，通過分析傳輸能量的模式來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合，并使用迭代優化法來提高目標幾何的精度。通過這種全新的3D打印技術，他們打印了幾種幾厘米大小的物體來進行驗證，包括雕塑模型、微型飛機模型、小格子和懸梁等。
（4）CAL新型3D打印的前景。由于現有的立體光刻技術已經很成熟，CAL很可能在現有方法不足的新興領域才能找到最大用途。如：打印不能承受分層打印時施加力的軟材料；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，這是不可能通過現有3D打印技術實現的，需要昂貴的注塑工具。
除此之外，由于未固化的樹脂材料可以回收，100％可重復使用，這種3D打印技術幾乎不產生任何材料浪費。而且，在某些情況下，CAL可能比目前的立體光刻法更快。
不過，速率、分辨率、對象大小和最終材料屬性之間的權衡都值得進一步考慮，聚合反應的動力學以及樹脂中的擴散和光散射，也將最終限制CAL打印的物體保真度。
總之，這項工作使3D打印從逐層打印方式過渡到一次性全三維打印，為3D打印開辟了全新的篇章，堪稱里程碑之作。
四、結語
3D打印技術的應用頗具挑戰，但它開創了更多可能性、更高的效率和更快的速度，幫助航空制造業克服發展瓶頸。其主要優勢在于：
（1）提升生產速度。目前一臺發動機的生產周期要2-3周，而巨大的市場需求和訂單量要求達到一周7臺的產能。利用增材制造技術一次成型復雜的發動機部件，避免了傳統工藝中連接、熱處理、加工和組裝等繁瑣步驟，能顯著提升生產效率，縮短交貨時間。
（2）創造更多可能性。設計工程師不再受到傳統制造工藝的束縛，能夠利用增材制造技術生產出最接近“大自然產物”的發動機部件。可以實現常規制造過程無法完成的復雜形狀，幫助我們針對任何需求制造出最合適的部件。
（3）減少浪費和降低成本。增材制造技術使我們能在設計制造過程中的幾乎任意一點做出修改，節省了制造時間和加工成本。將材料僅用于需要的地方，而無需對每個部件進行成本高昂的專業加工，在提升產品性能的同時節約了材料。
（4）數字產業的一部分。利用增材制造技術，工程師只需將所需部件的幾何文件上傳到3D打印機，便可立即打印出來。這顯著減少了部件庫存和不必要的運輸時間，從而縮短交付周期。
（來源：《世界制造技術與裝備市場（WMEM）》雜志2019年第2期 作者：中良 機械工業信息研究院）
