• 空客 A350 XWB 的連接件入圍（wéi）“2014 年德國經濟創新獎”終選
      • 包括Concept Laser 有限公司創始人兼首席執行官Frank Herzog先生（shēng）在內的三位項目合夥人在“2015德國未來獎”中，被共同授予“最（zuì）佳團隊”的榮譽
      • 增材製造技術正在飛機製造業中普（pǔ）及（jí）
      • 未來 3D 金屬打印可實現“仿生”飛機構造和輕量化結構
 

      利希滕費爾斯（Lichtenfels），2015年 12 月 14 日——金屬激光熔融技術在飛機製造業（yè）中的地位日益重要。更短的交付周期、更合適的部件（jiàn）和前（qián）所未有的成型自由度，這些都是選擇這一技術的重要（yào）依（yī）據。如（rú）今，該（gāi）技術在飛機“輕量化結構（gòu）”和“仿生學”方（fāng）麵的（de）突出表現，讓（ràng）這一（yī）趨勢更加顯而（ér）易見：金屬激光增材製造技術正在改變我們的設計思維。在未來的飛機設計中，部件將能夠有（yǒu）針對性地吸收力線（xiàn），同（tóng）時又符合輕量化要求。耐久、節約資源、改善成本（běn）結構，從而魚和熊掌可以兼得。

      Concept Laser 有限公司（sī）創始人兼首席執行官Frank Herzog先生、漢堡（bǎo）空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生和漢（hàn）堡 Laser Zentrum Nord 有限公司（sī）首席（xí）執行（háng）官Claus Emmelmann 教授（工程博士）共同參與了空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托（tuō）架3D金屬打印項目（mù）的研發和生產（chǎn）。以前，該部（bù）件由鋁（Al）材銑削加工而成。現在，它則可以用（yòng）鈦（Ti）材料打印而成（chéng），減重幅度大於 30%。

      空客 A350 XWB 的（de）連（lián）接件采用3D打印的生產方式，在2014年入圍了“2014 年德國經（jīng）濟創新獎”的最終評選。評審團的評定意（yì）見：這種跨行業的（de）開發形式（shì），徹底改變了飛機構件的製造方（fāng）式和民用飛（fēi）機（jī）的“輕量化（huà）”途徑；2015年12月2日（rì），參與（yǔ）該項目（mù）的三位（wèi）成員（yuán）在德國柏（bǎi）林舉辦的“2015德國未來獎”中，又被共同授予“最佳（jiā）團隊（duì）”的榮譽（yù）稱號，並接受了由德國總統親（qīn）自頒發的榮譽證書。

      圖1：空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架，入圍了“2014 年德國（guó）經濟創新獎”的（de）終選。該（gāi）部（bù）件采用鈦（tài）（Ti）材料，運用金屬激光熔融技術（LaserCUSING）打印而成。[圖片來源（yuán）：空客公司]

      圖2：Concept Laser 有限公司創始人兼首（shǒu）席執行官Frank Herzog先生（右（yòu）一）、漢堡空客新興技術與概念負責（zé）人Peter Sander先生（左（zuǒ）一）和漢（hàn）堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執行官Claus Emmelmann 教授（shòu）（左二（èr））於2015年12月2日，在德國柏林舉辦的“2015德（dé）國未來（lái）獎”中，又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號，並接受了由德國總（zǒng）統Joachim Gauck（右二）親自頒發的榮譽（yù）證書。[圖片來源：Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]

   
      新的飛機構（gòu）件設計方法

      支持（chí）在飛機製造業中采用（yòng）金屬激光熔融技術的論點是，自由成型（xíng）和減重。其中“輕量化”特點可有效幫助航空（kōng）公司在飛機（jī）運營中取得更為（wéi）經濟（jì）的效果。固定元件（托架）所能取得（dé）的減重效果，將有助（zhù）於實現更低（dī）的燃料消耗，或者提升飛機的裝載能力。設計新的飛機時（shí），需要用到（dào）成千上萬個小量製造（zào）的 FTI（飛行測試安裝）托架。金屬增材製（zhì）造（Layer Manufacturing）方法不僅可以幫助設計（jì）人員（yuán）快速（sù）生產出新的設計結構，而（ér）且生產出的部件重量要比常規的鑄造件（jiàn）或（huò）者銑削件輕 30% 以上。此外，金屬激光增材製造工藝直接以 CAD 數據作為基礎，省略了（le）模具，降低了成本，讓部件可以更快的（de）速度投入使用，最多（duō）可節省 75% 的時間。同時，利用該工藝無模具的特點，在早期即可製造出具有（yǒu）接（jiē）近量產部件特性的原型件，極大節省模具成本。基於此，采用金（jīn）屬激光增材製造技術在設（shè）計早期就可發（fā）現錯誤原因（yīn）並優化項目流程。漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先（xiān）生介紹說（shuō）：“以前，進行部件開發（fā）時，我們需要安（ān）排大約六個月的時間，現在隻需要一（yī）個月。”
 

      “綠色技術”節約資（zī）源

      飛機零件（jiàn）在銑削過（guò）程中會產生高達 95% 的可（kě）回收廢料。而采用激光熔融技術，操作（zuò）者不僅可得到“接近最終輪廓的部件”，且廢料隻有約 5%。“在飛機製（zhì）造業中，我們將其（qí）稱為‘成品原（yuán）料比’（buy to fly ratio），90% 在這裏是一個了不起的數值。在對能量效率進行衡（héng）量時，這一（yī）數值當然（rán）也體現出積極的（de）一麵。”漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執行官Claus Emmelmann 教（jiāo）授（工程（chéng）博士（shì））說。尤其是應用在像鈦這樣的高級且（qiě）昂貴的（de）飛機製造材料上時，這種方法更（gèng）具（jù）吸引力。無模具（jù）的製造方法節約了時間，改善了成本結構，有針對性的能源（yuán）投入和節約資源是激光（guāng）熔融（róng）技術的一大特點。位（wèi）於德國利希滕費爾斯地區的Concept Laser 有限公司首（shǒu）席執行官 Frank Herzog先（xiān）生認為：“LaserCUSING 是一項‘綠色技術’，可改善製造過程中的生（shēng）態（tài）足跡。”

      飛機製造是變革的（de）動力

      一般來說，在小量乃至中等（děng）數量的生產中，激光熔融技術總能帶（dài）來有利的製造成本效（xiào）應。Peter Sander先生介紹（shào）：“在飛機製造（zào）過程中，若要實現規模效應，每一（yī）批次產品生產規模的大小（xiǎo）比大批量生產更為重要（yào）。”而（ér）采用（yòng）激光熔（róng）融技術（shù）無需高額的鑄（zhù）模（mó）投（tóu）資成本和模（mó）具成本。此外，激光增材製造方法還（hái）可提供比常規製造方法更高的造型自由度。像製作凹槽和內部的通道，例如冷（lěng）卻通道。在航空工業中，飛（fēi）機製造商已經在考慮用該工藝（yì）生產電子設備（bèi）的冷卻元件（jiàn）和智能的液壓（yā）部件。Emmelmann 教授（工程（chéng）博士）說：“我覺得這種技術尤其對一（yī）米以下的構件（jiàn），以及推進裝（zhuāng）置區域的部件來說具有（yǒu）巨大潛（qián）力。”雖（suī）然在未來（lái），人們可能窮盡物理的邊界，創造出更（gèng）加能夠提升部件尺寸的接合（hé）方法。但激光熔融技（jì）術首次將（jiāng）前所未有的幾何形狀與功能性聯係在一（yī）起，依然成為目前最吸人眼球的技術（shù）。該技術可以讓部件內的能量通量（liàng）在（zài） CAD 設計階段就能夠非常精確地確定。總的來（lái）說，利用激光（guāng）熔融技術能（néng）夠開發出的安全性部件，比今天的部件更（gèng）好、更輕且壽命更長。此外，材料特性稍有不同，Emmelmann 教授（工程博士）表（biǎo）示：“激（jī）光增材製（zhì）造的材料具有更高的強度，雖然延展性較低，但經過正（zhèng）確的熱處理之後，還是可將（jiāng）其重新提升。”

      備（bèi）件（jiàn）供應 2.0：及時、分（fèn）散且“按需供應”

   
      “創成式航空”的另一個關聯應用是在備件領域：未來將可分散地、“根據需求（qiú）”貼近應用地製造備件，而且還無需模具。在部件出現（xiàn）故障的情況下，可以直接現場（chǎng）製造備（bèi）件。因此，分散式的製造（zào）網絡將（jiāng）可能興起，使得全球性戰略和地區性戰略（luè）能夠成為現實。這（zhè）樣可以最大化地縮（suō）小運輸（shū）距離，更重（chóng）要（yào）的是可（kě）以（yǐ）縮短供應時間。 其結果是，維護（hù）造成的飛機停運時間（jiān）和檢查時間將縮短。對於現在因為飛機壽命（mìng）周期（qī）長，而不可避免（miǎn）地建設大型備件倉庫儲備那些極少使（shǐ）用的零件的現狀，在未來將可以緩解，這些倉（cāng）庫的規模可明顯縮小。不（bú）僅減少了資（zī）金占用，提高了操作（zuò）靈活性，更重要（yào）的是讓安（ān）全性部件更快地投入使用。在航空業都麵臨成本壓力的情（qíng）況下，這具有極大的吸引力。

       部件設計或者產品設計中的仿生學

      采用金屬激光熔融（róng）技術可製造出極為（wéi）精細的結構，甚至是骨狀（zhuàng）的，也就（jiù）是多孔的（de）結構。“因此，未來的飛機部件將是‘仿生’的。”Emmelmann 教授（工程博士（shì））估（gū）計。自然界在數（shù）百萬年間（jiān）優化發（fā）展了各種（zhǒng）功能原理和（hé）輕量（liàng）化原理，巧妙地將資源投入最小化，這些都是值得效仿（fǎng）的。空客公（gōng）司目前正在（zài）有組（zǔ）織地對這些自然解決方案的適（shì）用性進行分析。通過“智能曝光策略”，可以有針對性地往部件投射激光，讓其（qí）結構、強（qiáng）度和表麵質量達到要求。Peter Sander先生介紹說：在考慮了所有相關安全要求的情況下，首批原型體現出了仿（fǎng）生法的巨大潛力。這種方法可能會帶來設計和製造方麵的某種（zhǒng）思想轉變。”

       疲勞強度作為特性（xìng）參數

      “目前的技術極限是因表麵質量的妥協（xié）而產生的，但（dàn）該（gāi）質量仍然與鑄造部件的表麵質量具有可比性。”Emmelmann 教授（工程博士）說。這（zhè）會導致材料的疲勞強（qiáng）度嚴重下降，例如鈦。而它恰恰是飛機結構中高（gāo）負荷構件的關鍵（jiàn）特性參數（shù）。在這裏（lǐ），人們必須考慮飛機在極長的（de）壽命周期中（zhōng）（＞30 年）要承受的高負荷。但是，通過下遊的表麵處理，例如微噴砂，以及經過正確的熱處理之後，疲勞強度將（jiāng）顯著提高。Emmelmann 教（jiāo）授（shòu）（工程（chéng）博士）說：“最終結果是，達到（dào）了軋製材（cái）料的疲勞強度值。”

       質量是重要的參數

      對於飛機製造商（shāng）來說，部件製造階段的質量控製是最重（chóng）要的（de）工業化模塊之一。Peter Sander先（xiān）生介紹：“帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內嵌過程監（jiān）控（kòng）（Inline Process Monitoring）係統，可（kě）以在一個（gè） 1x1 mm² 的極小麵積上通過攝像頭和光電二極（jí）管進行（háng）監控，並將這個過程記錄下來。”在部件（jiàn）製造過程中，諸如 QMmeltpool、QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser 這樣的（de）質量管理模塊是（shì）主要的主動質保工具。它們對（duì）激光功率、熔池、金屬粉末的層結構進行測量，並（bìng）且不間斷監控（kòng）以及記錄整（zhěng）個製作過程。質量管理模塊的另（lìng）一個特征是，在封閉係統（tǒng）中工作，以保證監控過程無塵、無汙染。這樣可消除對過程可能產生負麵影響（xiǎng）的所有幹擾因素。Frank Herzog先生對此說道：“今（jīn）天，我們可以說這是一種受（shòu）控、具有重複精度和過程穩定的製造方法。”Emmelmann 教授（工（gōng）程博士）強調：“質量管理（lǐ）模塊讓（ràng）我們能夠監控並（bìng）記錄重要的數據，例（lì）如激光參數（shù）、熔池特性（xìng）以及保護（hù）氣體的成（chéng）分。汙染導致的幹擾變（biàn）量可以減弱。在（zài）最新的一個研究項目中，我們正（zhèng）在開發自己的質保方案，光（guāng）學相幹斷層掃（sǎo）描是其基（jī）礎之一。”

  
      圖3：帶有Concept Laser 公（gōng）司QMmeltpool 質量管（guǎn）理模塊（kuài）的內（nèi）嵌過程監控（Inline Process Monitoring）係統，可以在（zài）一（yī）個（gè） 1x1 mm² 的極小麵（miàn）積上通過攝像頭和光電（diàn）二極管進行監控（kòng），並將這個過程記錄下來。[圖片來源：Concept Laser]

      備注：

      飛（fēi）機要承受的（de）幹（gàn）擾變量或者負（fù）荷

      如果客機在長達 30 多年的壽命周期內一直處於運行狀態。飛機在運行中要麵臨各種各樣且極其複雜的負荷（hé）。例如，除了基本的靜態負荷之外，飛機還要承受地麵運行和飛行之間的極端（duān）溫度波動。關（guān）鍵的（de）是持續性負荷，它們對所涉部（bù）件的要求最高，如飛機的起降，持續的在渦流中飛行等情況，其中（zhōng）在渦流中飛行可導致翼尖產生數米的彎曲。但是，在設計固定構件（jiàn）（托架）的（de）時候，首先要考慮的隻是靜態負荷。