3D打印助力航天航空業七大突破

寂靜天花板

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，最后成型。

2 f5 c. o9 G" p5 g. q. k3D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。一臺打印機能同步構建多個不同設計的復雜部件，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，制造復雜的部件、實現生產轉型以及個性化定制的成本得以縮減。
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與大規模制造行業相比，航天航空業主要集中于復雜的小批量制造，這一行業正努力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。
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航天航空業如何從增材制造中獲利？
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優化研發流程
　　
  g3 W+ g' ?( H3D打印使工程師們能能夠更快地設計出原型，并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，并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。
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& S4 V# F) i! g# q! u2 x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。
　　
8 P0 ]  z+ {: ~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，如果用其它方式制造，動輒耗上幾個月。
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& s* ?6 R! _' N/ j0 H+ i+ a復雜部件設計
　　
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于結構復雜無法是生產出來的。
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增材制造可以制造出塑料及金屬復雜部件，比如鋼、鋁等。航天航空中已經使用3D打印的Ti-6Al-4V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，這些渦輪葉片形狀復雜，有利于減少氣流阻力。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。
　　
: T" C: D$ U8 O2 G設計落地
　　
由于本身賦予了應對高設計難度的特性，增材制造能夠將復雜部件轉化為組件，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，因此一般不傾向于組合多個部件。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余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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備件生產
　　
' v4 q4 ^1 o8 e1 E* s  I有了備件儲存，人們可以隨時維修飛行器。一般庫存都包含小批量的復雜部件、停產的飛行器部件或遠程飛行中需要的部件。但調查表明：很多備件往往沒有被利用起來，或被棄置在一邊。省掉存儲這些備件的麻煩，將意味著一場產業革新，對制造商們來說則意味著成本優勢。3D打印通過按需實時制造，或者現場制造，減少了庫存及冗余成本。這樣靈活敏捷的生產方式還會大幅減少太空飛行器及空間站的成本。有了3D打印，就可以直接在空間站制造需要的配件和工具，再也不用利用火箭搭載送到太空，也就不會出現延誤和成本過高的情況。
　　
7 a9 _6 z. q  M8 k英國宇航系統公司得到歐洲航天安全局準允，將其3D打印的窗口通風管用在局部地區的噴氣客機上，比傳統注射制模工藝節省了60%的成本。一旦有客戶需求，就可以3D打印出這些通風管，然后直接運輸給客戶。
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產品輕量化

$ X5 S! k( J. m5 k9 X: g重量是航天飛行器考量的重要標準之一，重量更輕對對航天工業意味著兩個方面：其一，有利于減少燃油消耗（以及二氧化碳氣體排放）；其二，降低成本、降低票價，從而凸顯競爭優勢。
　　
太空飛行器同樣需要精巧設計的部件來減少包裝空間、減輕重量。這些復雜部件通常都是小批量生產，用傳統方式制造既昂貴又耗時。疊層制造技術（ALM）可以幫助打印出具有特定幾何形狀、拓補結構和網狀結構的對象，避免了材料被大量浪費，同時減少航空組件的重量。
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3 `) ?3 k. ], i: r歐洲宇航防務集團采用直接金屬激光燒結技術（DMLS）3D打印出空客A320的駕駛室鉸鏈托架。它們在保證這些部件的強度和性能的基礎上，使其重量減輕了35%-55%，并最終使飛機重量減輕10千克。
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+ q; u3 `6 _8 y# u6 a# p4 }" }7 |對擁有一個600架商業飛機的航天航空公司而言，每一部飛機減輕1千克重量，意味著每年一共可以節省9萬公升的燃油，大大削減了燃油開支。而根據2013年的統計，燃油占據了一個航空公司年度支出的35%。此外，每一部飛機減輕1千克重量，還阻絕了230噸的二氧化碳氣體排放，對環境保護而言也是個值得一提的數字。
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( q, B7 O/ b6 D* d7 V* N( x  K% |0 ~1 [節省材料
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一些航天航空部件的制造使用的是相當昂貴的材料，比如鈦合金Ti-6Al-4V和鉻鎳鐵合金718。傳統的制造方法很難讓這些原材料成形。取決于部件的幾何結構，生產過程也許會導致大量材料浪費、浪費錢，還需要耗費精力進行回收。
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金屬原材料3D打印盡管昂貴，但大大減少了材料浪費。美國洛特希德馬丁公司用電子束熔融技術（EBM）制造其排氣防漏檢測設備，使其BTF 比率（buy-to-fly ratio，即制造一個零部件所需的原材料量與最終零部件中所含材料量的比率）從33:1降至1：1。雖然使用3D打印鈦合金比傳統鍛造工序昂貴，每個排氣防漏檢測部件的成本卻降低了一半，而且機械性能表現一樣好。
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在制造過程中同步質檢
　　
- I7 ~; ]- Y3 E$ C1 Z) L+ t航天航空業對產品的性能與可靠性有要求嚴格。理想的金屬增材制系統應當包括實時的、封閉的、制造過程中的質量管控。
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% s2 m1 \# B& }9 y6 {0 ]質量保證通常體現在生產進程的下游，對連續生產至關重要。質量保證在一些部件的交付周期中是關鍵的一步。但是，對增材制造這種新型流程的質量管控是非常大的挑戰。檢測復雜形狀固然不易，當多個部件組合在一起打印、生產和拆卸時，檢測就變得更為困難了。
　　
$ D* @, m3 P" V在制造過程中管控系統設置、處理工藝參數，能保證理想的制造條件。增材制造的機械性能主要指向高材質、高機械性能的冶金和可復檢高質部件，這些特性是航天航空業的基本要求。
　　
1 l! ]4 D  g# B此外，過程中的質量監控減少了開發生命周期管理中的質檢成本，有利于最終縮減單位成本。GE 航空的后續質檢時間占了增材制造噴氣發動機部件生產時間的25%。在制造過程中同步進行質檢，可以加速生產周期。
　　
展望
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. ^9 c& w6 R6 o6 z0 m, [航天航空業如今已成為增材制造的最主要需求來源。航天航空的領頭羊們已經認識到這項技術的獨特優勢，并且千方百計要利用這一技術。雖然發展成為快速航空制造中一個成熟的戰略性角色還尚待時日，3D打印技術與航天航空在未來無疑會成為一對完美組合。