3D打印在航空製造中的應用與創新（xīn）
2019-6-21 來源：轉載 作者：-
增材製造俗稱3D打印。30多（duō）年來，3D打印從（cóng）初級的原（yuán）型樣品製作方法逐漸（jiàn）轉變為一種新興的高級製造技術。在航空領域，3D打印正在進（jìn）入產業化應（yīng）用，通過選區激光熔化成型技術（SLM）製造出高度複（fù）雜的零件（jiàn），或者以電（diàn）子束熔化技術（shù）（EBM）替代鍛造，成為航空企業又一輪技術競爭的（de）載體（tǐ）。
一、3D打印的技術（shù）分類
1、SLA（StereoLithography，光固化成型技術）
指利用紫外光照射液（yè）態光敏樹脂發生聚合（hé）反應（yīng），逐層固化並生成（chéng）三維實體。SLA製造的工件尺寸精度高，是商業化較早（zǎo）的3D打印技術。
2、CLIP（ContinuousLiquid Interface Production Technology，連續液體界麵提（tí）取技術）
是Carbon 3D公司在SLA技術（shù）的基礎上開發的具有革命（mìng）性的3D打印技術，將3D打印的（de）速度（dù）提高了100倍。CLIP從底部投影，使光敏樹脂固化，未固（gù）化的部分通過（guò）控製氧氣（qì）形成死（sǐ）區，抑製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-DimensionalPrinting，三維打印快速（sù）成型技術）
與傳統二維噴墨打印接近，從噴（pēn）頭噴出粘（zhān）結劑（彩色粘（zhān）結（jié）劑可以打印出彩色製件），將平台上的粉末粘結成型，通常采用石膏粉作為成型（xíng）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（jì）術，但噴射的不是粘（zhān）合劑而是光固化樹脂，噴射完成後通過紫外光照射固化成型。Poly Jet采用陣列式噴頭，甚至可（kě）以同時噴射不同材料，實現多種材料、多（duō）色材料同時打（dǎ）印。
5、FDM（FusedDeposition Modeling，熔融層積（jī）技術）
利用高溫將材料（liào）熔（róng）化，通過打印頭擠出成細絲，在（zài）構件平台上堆積成型（xíng）。FDM是最簡單也是最常見的3D打印技術（shù），通（tōng）常應用於（yú）桌麵級3D打印設備。
6、NPJ（NanoParticle Jetting，納（nà）米顆粒噴（pēn）射打印技術）
這是金屬3D打印成型技術，使用納（nà）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（yìn）快5倍，且具有優異的精度和表麵粗糙度。
7、SLM（SelectiveLaser Melting，選（xuǎn）區激光（guāng）熔化成型技術）
是目前金屬3D打印（yìn）成型中（zhōng）最普遍應用的技術，采用（yòng）精細（xì）聚焦（jiāo）光斑快速熔化預置金屬粉末，直接獲得（dé）任意形狀以及具有完全冶金結（jié）合的零件，製（zhì）件致（zhì）密度可達99%以上（shàng）。
8、SLS（SelectiveLaser Sintering，選區激光燒結成型技術）
與SLM技（jì）術類似（sì），區別是激光功率不同，通常用於高分子聚（jù）合物的3D打印成型。SLS也（yě）可（kě）用於製造金（jīn）屬或陶（táo）瓷零（líng）件，製件致密度低，且需要經過後期致密化處理才能使用。
9、LMD（LaserMetal Deposition，激光熔覆成型技術）
該技（jì）術名稱繁多，常用名稱包括：LENS、DMD、DLF、LRF等。與SLM最大不同在於，其粉末通過噴嘴聚集到工作台麵，與激光匯於一點，粉末熔化冷卻後獲得堆積的熔覆實體。
10、EBM（ElectronBeam Melting，電子束熔化技術）
其工藝過程與SLM非常相似（sì），區別在於，EBM所使用的能量源為電子束。EBM的電子束輸出能量通（tōng）常比SLM的（de）激光輸出（chū）功率大一個數量級，掃描速度也遠高於SLM。因此EBM在（zài）構建過程中，需要對造型台整體進行預熱，防止成型過程中溫度過大帶來較大的殘餘應力。
二、3D打印在航空（kōng）製造（zào）中的應用
1、打印渦輪葉片鑄造型（xíng）芯
在鑄造金屬渦輪葉片時，為了形成高度複（fù）雜的（de）內部冷卻通道結（jié）構（gòu），常使用陶瓷鑄造型芯。鑄造（zào）葉片冷卻後，將葉片從模具中取出，同時內部的陶瓷型芯需要（yào）溶解掉。
目前（qián），陶瓷鑄（zhù）造型芯的結構（gòu）越來越複雜，通過（guò）傳統的注射成型方式已經無法實現。奧地利Lithoz公司采用LCM技術製造陶瓷葉片型芯，可以滿足航空（kōng）航天和電力工業的需求。
LithaCore 450是由Lithoz公司自主研（yán）發用於3D打印陶瓷葉片型芯的矽基材料，製備精度高，燒結後的葉片型芯產品具有非常低的熱膨脹率、較（jiào）高的孔隙（xì）率、優（yōu）異的表（biǎo）麵質（zhì）量和優良的洗濾（lǜ）性等優點。典型的應用（yòng）有：單晶鎳基合金渦輪葉片（piàn）鑄造型（xíng）芯、定向凝固鑄造型芯、等軸鑄造型芯。
2、打印發動（dòng）機支架
2018年11月1日，GE增材製造宣布，美國聯邦航空管理局已批（pī）準3D打印支架用於波音747-8 機型的GEnx-2B發動（dòng）機（雙轉子軸流式大涵道渦輪風扇發動機），該支架將取（qǔ）代（dài）傳統製造的電動門打開（kāi）係統（tǒng）支架，其作（zuò）用是打開和關閉發動機的風扇罩門，製造設備為GEAdditive Concept Laser M2多激光器選區激光熔融係統。
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（liàng）生產。GE公司表示，與傳統方式製造的支架相（xiàng）比，3D打印技術將減少高（gāo）達90%的材料浪費（fèi）。在（zài）傳統支架的製造中，因金屬加工而產生的材料浪（làng）費約占50%。此（cǐ）外，3D打印支架采用了優化設計方案，重量比（bǐ）傳統支架輕10%。
據了解，這款3D打印支架（jià）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ConceptLaser公司的選（xuǎn）區激光熔融設備生產的3D打印零件（jiàn）。其次，這（zhè）是GE航空第一次完成一種3D打印零件從設計到生產於10個月內開發完成。
在進（jìn）行支架生（shēng）產時，一次打印可以生（shēng）產4個支架，在構建室中4個支（zhī）架以互鎖設計的形式（shì）實現（xiàn），打印材料為（wéi）鈷鉻合金。
3D打印支架的製造成本低（dī）於原有成本，GEnx發動機的訂單量為2200台，整體來看節約的成本非常可觀，並且3D打印支架比傳統（tǒng）支架更（gèng）輕，將為（wéi）航空公司（sī）節省（shěng）燃料。
3、打印燃料噴嘴
2010年，空（kōng）客將GE生產的LEAP-1A發動機（jī）作為（wéi）A320neo飛機的選配，LEAP發動機中就帶有（yǒu）3D打印的燃（rán）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（ān）全局和美國聯（lián）邦航空管（guǎn）理（lǐ）局的（de）認證。
2018年10月8日，GE航空工廠慶祝第30000個3D打印燃料（liào）噴嘴的成功出貨。該噴嘴自2018年以來一直在該工廠生產，標誌著規模（mó）化增材製造的重要裏程碑，預計2019年這種（zhǒng）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（zài）航空航天領域應用進展情（qíng）況。
（1）總部位於佛羅裏達州的金屬3D打印機製造商Sintavia LLC在1月宣布，他們是第（dì）一家獲得批準生產3D打印飛行零件的公（gōng）司，零件采用粉末床熔合技術（shù）生產。
（2）波音公司與瑞士歐瑞康集團簽署了（le）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（tóng）材料和機器生產金屬部件外，他們將共同（tóng）收集數據來支持（chí）標（biāo）準（zhǔn）3D打印鈦金屬的生產工藝。他們的研究將（jiāng）首先關（guān）注工業化鈦粉床融合3D打印，並確保該（gāi）工藝製造的任何部件都能滿足美國聯邦航空局和國防（fáng）部的必要飛行要求。
（3）FIT和NIK成立了一家名為FITNIK的新合資（zī）公司，該公司結合了兩家公司的最佳產品，並在飛機研發中（zhōng）心Zhukovsky開展業務。
（4）威奇塔州立大學國家航空（kōng）研究所是美國（guó）最大的大學航空研（yán）發機構，宣布將幫助航空航天工業中的3D打印聚合物創建（jiàn）新的技術標準文件，支持（chí）行業對3D打印聚合物的（de）零件認證（zhèng）。
（5）金屬3D打印專家、空客（kè）子公司APWORKS宣布，已被航空結構供應（yīng）商PremiumAEROTEC收（shōu）購為子公（gōng）司。兩家公司（sī）合並（bìng）後，客戶（hù）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（sī）3D打印方法進行鑒定，用於生產大型結構航空航（háng）天部件。德國聯邦經濟事務（wù）和（hé）能源部資助了該項目，研（yán）究了保護氣體含量、熱輸入對（duì）鈦和鋁組件機械（xiè）性（xìng）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（le）一種保護零件完整性的方法，即將（jiāng）QR碼（mǎ）和條（tiáo）形碼轉換為隱藏在3D打印（yìn）物體內。
（8）洛（luò）克（kè）希（xī）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（xié）助（zhù）其（qí）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（jì）術（shù）而聞名的（de）BeAM宣布與德國PFW Aerospace公司建立新的（de）合（hé）作關係，後者為所有民（mín）用空客（kè）型號（hào）和波音787夢想飛（fēi）機提供係（xì）統和組件。除了DED工藝之外（wài），兩者共同致力於為大型民用客機提供（gòng）3D打印（yìn）的Ti6Al4V合金部件。
三、3D打印創新技術
近期，《科學》雜誌上發表的論文介紹，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（dǎ）印，直（zhí）接在高粘度（dù）樹脂容器內通過光聚合一（yī）次形成整（zhěng）個3D物體。該技術具有以下特點：
（1）計算軸（zhóu）向光刻技術CAL。目（mù）前（qián）常規的立（lì）體（tǐ）光刻3D打印機主（zhǔ）要使用掃描點（diǎn）光源或投影儀來順序地逐層構建（jiàn）3D對象，這往往會（huì）導致邊緣（yuán）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，並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（zhǒng）計算軸向光刻技術（shù）CAL（Computed AxialLithography），在圍（wéi）繞垂直軸旋轉時，將預先計（jì）算的光圖案序列數字投影到樹脂容器中，旋轉時（shí）可以在樹（shù）脂中照射出上千個不同的投影。隨著時間的推移，累積的（de）光照穿過聚合閾值的區域變為實心，而（ér）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（yìn）樹脂材料的配置。未（wèi）固（gù）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（suǒ）采用（yòng）的3D打印樹（shù）脂由混（hún）有光敏（mǐn）分子和溶解氧的液體聚合（hé）物組（zǔ）成。光（guāng）照（zhào）激活光敏化合物（wù）來消耗氧（yǎng），隻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（tǐ），而未使用的樹脂可以通過氧氣加熱來回收利用。這種（zhǒng）氧（yǎng）氣抑製機製（zhì），可（kě）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（zhī）前（qián），最靠近光源（yuán）的樹（shù）脂不發生反應。
（3）CAL新（xīn）型3D打印的靈感來源。基於CAL的新型3D打印技術的靈感來自醫學領域的計算機斷層（céng）掃描技術（CT），CT掃描從各個角度將X射線或其他類（lèi）型的電磁輻射投射到體內，通過分析傳（chuán）輸能量的（de）模式來揭示物體的幾何形狀。
研究人員將層析成像算法（fǎ）與（yǔ）光聚（jù）合物的理想閾值相結合，並使用迭代優（yōu）化法來提高目標幾何的精度。通過（guò）這種全新的（de）3D打印（yìn）技術，他們打印了幾種幾厘米大小的物體來進（jìn）行驗證，包（bāo）括雕塑模型、微（wēi）型飛機模型、小格子和懸梁（liáng）等（děng）。
（4）CAL新型3D打印的前（qián）景。由於現有的立體光刻技術已經很成熟（shú），CAL很可能在現有方法不足的新興領域（yù）才能找到最大用途。如：打印不能承受分層打印時施（shī）加力的軟材料；製作具（jù）有光滑曲麵的透（tòu）鏡；封（fēng）裝其他物體等。
作為原理驗證，研究人員在螺（luó）絲刀的金屬軸上封裝打（dǎ）印（yìn）出三維手柄，這是不可（kě）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，由於未固化的樹脂（zhī）材料可以回收，100％可重複使用，這種3D打印技術幾乎不產生任何材料浪費（fèi）。而且，在某些情況下，CAL可（kě）能比目前的立體光（guāng）刻法更快。
不過，速率、分（fèn）辨率、對象（xiàng）大小和最（zuì）終材料屬（shǔ）性之間的權衡都值得（dé）進一步考慮，聚合反應的動力學以及樹（shù）脂中的擴散和光散射（shè），也將最終限製CAL打印的物體保真度。
總之，這項工作（zuò）使3D打印（yìn）從逐層打印方式過渡到一次性全三（sān）維打印，為3D打印開辟了全新的篇章，堪稱裏程碑之作。
四、結語
3D打印技術的應用頗（pō）具挑戰（zhàn），但（dàn）它開創了更多可（kě）能性、更（gèng）高（gāo）的效（xiào）率和更快的速度，幫助航空製造業克服發展瓶頸。其主要優勢在於：
（1）提升生產速度。目前一台發（fā）動機的生產周期要（yào）2-3周，而巨大的市場需求（qiú）和訂單量（liàng）要（yào）求達到一周7台的產能（néng）。利用增材製造技術一次成型複雜的發動機部件，避（bì）免了傳統（tǒng）工藝中連接、熱處理、加工和組裝（zhuāng）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（xìng）。設計工程師不再受到傳統（tǒng）製造工藝的束縛（fù），能夠利用增材製造技術生產出最（zuì）接近“大自然產物”的發動機部件。可以實現常規製造過程無法完（wán）成（chéng）的（de）複（fù）雜形狀，幫助（zhù）我們針對任何需求製造出最合適的部件。
（3）減少浪費和降低（dī）成本。增材製造技術使我們能在設計製造過程中的幾乎任意一點做出修改，節省了製造時間和加工成本。將（jiāng）材料僅用於需要的地（dì）方，而無需（xū）對每個部件進行成本高昂的專（zhuān）業加工，在提升（shēng）產品性能的同時節約了材料。
（4）數字產業的一部分。利（lì）用增材製造技術，工程師隻需將所需部件的幾何文件上傳（chuán）到3D打印機，便可立即打印（yìn）出來。這顯著減少了（le）部（bù）件庫存和不必要的運輸時間（jiān），從而縮短交（jiāo）付周期（qī）。
（來源：《世界製造技術與裝備（bèi）市場（WMEM）》雜誌2019年第2期 作者：中良 機械工業信息研究院）
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