專家建議：為什么要將金屬 3D 打印用于航空航天

導(dǎo)讀：航空航天業(yè)無(wú)疑是最早應(yīng)用增材制造（AM）技術(shù)的一個(gè)行業(yè)，它們將增材技術(shù)作為輕量化制造零件（在保證強(qiáng)度的條件下優(yōu)化重量）的一種方式,。如今,，航空航天業(yè)對(duì)于增材制造技術(shù)的使用只增不減，Strategic Market Research 的一份報(bào)告顯示,，到 2023 年,，全球航空航天 3D 打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到 92.3億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 20.23%。

盡管在航空航天業(yè)聚合物 3D 打印同樣發(fā)揮著重要作用（尤其是在涉及PEEK 和 PEKK等高性能聚合物時(shí)）,，但金屬增材制造在該領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展,。但是，如何能夠?qū)⒔饘?3D 打印技術(shù)應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域呢,？它又能帶來(lái)什么好處,？金屬 3D 打印零件如何獲得認(rèn)證？為了回答上面這些問(wèn)題,，南極熊在本期文章中總結(jié)了增材制造領(lǐng)域的三位專家對(duì)此給出的建議，他們分別是：

• 第一位專家是 Martin White 博士,，他是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ASTM International全球先進(jìn)制造計(jì)劃部的技術(shù)運(yùn)營(yíng)總監(jiān),。White 博士負(fù)責(zé)監(jiān)督 ASTM 的所有 3D 打印技術(shù)項(xiàng)目，重點(diǎn)關(guān)注從資格和認(rèn)證挑戰(zhàn)到材料允許生產(chǎn)的組件,，以及加速標(biāo)準(zhǔn)化和提供專家培訓(xùn),。
• 第二位專家是Velo3D的技術(shù)銷售工程師 Brian Hawkes，Velo3D是航空航天領(lǐng)域領(lǐng)先的金屬 3D 打印公司之一,。他在航空航天業(yè)工作了大約 10 年,，在他總共 20 年的工程師生涯中，他專注于設(shè)計(jì)熱交換器和復(fù)雜的制造,。
• 第三位專家是伊頓航空航天公司增材制造總監(jiān) Michael York,。他是一個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，該項(xiàng)目擁有 23 個(gè)獲獎(jiǎng)的金屬增材制造組件,，涵蓋商業(yè)航空航天,、軍事、太空和售后市場(chǎng)應(yīng)用,。
  

△馬丁·懷特（Martin White）

△布賴恩霍克斯（Brian Hawkes）

△邁克爾·約克（Michael York）

金屬 3D 打印在航空航天中的應(yīng)用途徑

如前所述,，金屬 3D 打印因其眾多優(yōu)勢(shì)早早受到在航空航天領(lǐng)域的青睞，這種技術(shù)模式歷經(jīng)多年的發(fā)展已經(jīng)很成熟,。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年這個(gè)應(yīng)用率只會(huì)增長(zhǎng),，特別是在整個(gè)航空航天業(yè)都在尋找提高行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展方案的情況下。White 博士特別指出,，隨著設(shè)計(jì)新組件的需要,，未來(lái)幾年將更多地使用到金屬 3D 打印。隨著航空航天朝著電氣化和氫能源等替代能源的方向發(fā)展,，這一時(shí)代將很快到來(lái),。值得注意的是，很可能需要對(duì)整個(gè)飛機(jī)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改,，而增材制造可能是其中的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),。這些技術(shù)以能夠創(chuàng)建傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀而聞名，使用戶能夠最大限度地提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能和安全性,。

此外,，還可以使用多種不同的 3D 打印技術(shù)。在評(píng)論該行業(yè)所使用的不同金屬增材技術(shù)時(shí),，White 博士說(shuō)：“簡(jiǎn)而言之,，所有金屬技術(shù)都在考慮之中。目標(biāo)始終是通過(guò)有計(jì)劃地降低成本或提高績(jī)效來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的業(yè)務(wù)案例,。該行業(yè)需要考慮超越組件認(rèn)證以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的進(jìn)展,，我們希望在工業(yè)化中制造更多的零件。我們看到發(fā)動(dòng)機(jī)使用到了粉末床熔融技術(shù)的高精度復(fù)原功能（即復(fù)雜部件）,，而航空結(jié)構(gòu)通常會(huì)應(yīng)用到定向能量沉積 (DED) 方法的高沉積率和大尺寸能力,。“

粘合劑噴射也是一項(xiàng)常用的金屬3D打印技術(shù),。Mike York 進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)：“在伊頓航空航天公司,，我們使用的技術(shù)包括激光粉末床熔合（鋁、鈦,、鉻鎳鐵合金和不銹鋼）,、電子束粉末床熔合（鈦）和金屬粘合劑噴射（不銹鋼）�,！�

此外,，材料也是增材制造過(guò)程的關(guān)鍵。Brian Hawkes 解釋說(shuō)：“所使用的材料也因應(yīng)用場(chǎng)景和使用要求而異,。鈦具有高強(qiáng)度重量比,，這對(duì)于航空航天至關(guān)重要，因?yàn)橹亓扛�輕的車輛消耗更少的燃料,。鎳基高溫合金,，如鉻鎳鐵合金，由于能夠在接近熔點(diǎn)的溫度下工作,，因此可用于高溫環(huán)境,。鋁具有良好的導(dǎo)熱性，適用于熱交換器等應(yīng)用,。一般來(lái)說(shuō),，通過(guò)傳統(tǒng)制造方法在航空航天中廣泛使用的材料也是增材制造的絕佳候選者�,！�

但是,，一旦選擇了工藝并決定了材料，金屬 3D 打印在整個(gè)航空航天領(lǐng)域就有了許多創(chuàng)新用途,。Hawkes 證實(shí)了這一點(diǎn),，并評(píng)論說(shuō)：“在高溫環(huán)境下運(yùn)行,、涉及傳熱或包含流體通道的組件多為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，而增材制造就非常適合制造這種與關(guān)鍵航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件相關(guān)的組件,，例如熱交換器,，葉輪、蝸殼等,�,！�

White博士進(jìn)一步指出了去年在ICAM 2022 上看到的一些令人印象深刻的應(yīng)用。這包括終端應(yīng)用部件,。例如,，空客目前正在使用增材制造在A350 WXB 的機(jī)翼掛架上制造一個(gè)支架作為結(jié)構(gòu)部件，而航空航天巨頭波音公司則轉(zhuǎn)向使用 Norsk 的 DED 送絲技術(shù)來(lái)制造波音 787 后艙室支架,。后者尤其值得注意,，因?yàn)樗�表明由于材料成本和加工時(shí)間的減少，購(gòu)買飛行率降低了 85%,。

△空中客車公司使用金屬 3D 打印技術(shù)制造的 A350 WXB 上的支架（圖片來(lái)源：空中客車公司）

航空航天使用金屬增材制造的好處和缺點(diǎn)

如前所述，增材制造對(duì)航空航天業(yè)有許多好處,。這些包括但不限于優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力,、輕量化、更快和更便宜的開發(fā)應(yīng)用,、消除工具,、降低成本，當(dāng)然還有可持續(xù)性,。當(dāng)然,，這些好處不僅在航空航天領(lǐng)域可見，而且對(duì)該行業(yè)至關(guān)重要,。這也是為什么航空航天仍然是 3D 打印的最大采用者之一的原因,。

輕量化帶來(lái)的好處，能夠在減輕零件重量的同時(shí)優(yōu)化強(qiáng)度,，這一點(diǎn)體現(xiàn)的尤為重要,。來(lái)自Velo3D 的 Brian Hawkes 指出：“增材制造能夠幫助工程師生產(chǎn)出滿足零件設(shè)計(jì)要求的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而減輕飛機(jī)的總重量,，同時(shí)還具有減少?gòu)U料的次要好處,。” 事實(shí)上,，Mike York 指出,，對(duì)于增材制造的零件，重量通常會(huì)減輕 20-40%,。當(dāng)考慮到增材制造減少發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中必要零件數(shù)量的能力時(shí),，這個(gè)數(shù)字只會(huì)增長(zhǎng),。

正如我們過(guò)去所見，增材制造作為解決供應(yīng)鏈問(wèn)題的一種方式對(duì)整個(gè)行業(yè)都有好處,。Hawkes進(jìn)一步評(píng)論說(shuō)：“隨著供應(yīng)鏈的成熟和增材制造的可擴(kuò)展性得到證實(shí),，備件可以很容易地按需生產(chǎn)，減少庫(kù)存需求,，并使零件制造更接近最終用戶,。維護(hù)零件的供應(yīng)鏈也可以采用分布式架構(gòu)，因?yàn)榭梢詮牟煌�的供�?yīng)商處采購(gòu)相同的零件,，而無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)開發(fā)新工具,。”

△使用 DED 制造的波音 787 船尾廚房支架,。增材制造可用于制造像這樣的復(fù)雜零件（圖片來(lái)源：波音）

然而,，這并不意味著采用金屬 3D 打印并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。尤其是安全性仍然是用戶在部署新技術(shù)時(shí)持謹(jǐn)慎態(tài)度的一個(gè)因素,，這是可以理解的,。而且，就測(cè)試數(shù)據(jù)而言,，與來(lái)自鑄造或鍛造材料的測(cè)試和操作經(jīng)驗(yàn)的巨大存儲(chǔ)庫(kù)相比,，增材制造可用的數(shù)據(jù)要少得多，這使得情況更加惡化,。根據(jù) White 博士的說(shuō)法,，這意味著用戶必須在風(fēng)險(xiǎn)接納和創(chuàng)新需求之間徘徊。

值得慶幸的是,，這是可以克服的,。一個(gè)例子是 ASTM 正在通過(guò) AM CoE 的材料數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)盟縮小數(shù)據(jù)收集方面的差距。其目標(biāo)是利用增材制造價(jià)值鏈中 27 個(gè)成員的輸入創(chuàng)建高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集,。建模和仿真還可以減少所需的測(cè)試量,，使增材制造在行業(yè)中的使用總體上更有把握。

航空航天應(yīng)用金屬 3D 打印部件認(rèn)證

當(dāng)然,，對(duì)于任何希望在航空航天領(lǐng)域采用金屬 3D 打印的制造商來(lái)說(shuō),，關(guān)鍵問(wèn)題之一是零件是否可以通過(guò)認(rèn)證。盡管有可能,，但也可能很困難,。Brian Hawkes 指出，“目前對(duì)航空航天應(yīng)用的部件進(jìn)行認(rèn)證是一項(xiàng)挑戰(zhàn),，因?yàn)樵霾闹圃煸诤娇蘸教旃�業(yè)中被視為一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù),，一些用于認(rèn)證增材制造部件的標(biāo)準(zhǔn)和指南尚未完全制定。在航空航天工業(yè)中,，需要一種全面的認(rèn)證方法,。資格認(rèn)證必須詳細(xì)說(shuō)明打印部件的所有方面,，包括材料選擇、生產(chǎn)驗(yàn)證和測(cè)試,。但這并不意味著沒(méi)有希望,。盡管面臨挑戰(zhàn)，但隨著當(dāng)局致力于制定全面的標(biāo)準(zhǔn)和指南,，增材制造仍有可能徹底改變航空航天業(yè),。“

Martin White 還特別強(qiáng)調(diào),，不僅航空零部件需要通過(guò) FAA 或 EASA 等監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)證,，而且公司還需要擁有自己的質(zhì)量保障系統(tǒng)。他解釋說(shuō),，“鑒于需要控制增材制造產(chǎn)品的可變性,，必須有一個(gè)可以提供資格和認(rèn)證的基礎(chǔ)，即質(zhì)量管理體系(QMS),。增材制造的質(zhì)量保證本身就是增材制造的一個(gè)大話題,，但在最高級(jí)別，建議始終是制定計(jì)劃并堅(jiān)持計(jì)劃,�,；�于ASTM/ISO 共識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)也可以構(gòu)成航空航天 QMS 以及基于標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證的基礎(chǔ)�,！�

△盡管有限制，公司仍能夠使用金屬增材制造創(chuàng)建許多經(jīng)過(guò)認(rèn)證的零件,，例如 Velo3D 中的這些示例（圖片來(lái)源：Velo3D）

Michael York 指出了另一個(gè)局限性,，特別提到了資格認(rèn)證的成本：“目前的資格認(rèn)證成本高于傳統(tǒng)成本，但預(yù)計(jì)它會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降,，從而更容易獲得,。”

無(wú)論如何,，如前所述,，即使過(guò)程尚不簡(jiǎn)單，實(shí)際上也有可能擁有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的零件,。York 解釋了他們?cè)谝令D的經(jīng)歷,，并指出：“伊頓航空航天公司已經(jīng)對(duì)生產(chǎn)中的商用飛機(jī)金屬增材制造部件進(jìn)行了認(rèn)證。通常,，認(rèn)證過(guò)程需要大量的材料和過(guò)程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),，以證明您已經(jīng)在特定過(guò)程甚至機(jī)器的特定序列號(hào)上完全表征了特定材料�,！�

很明顯,，要標(biāo)準(zhǔn)化和推進(jìn)金屬 3D 打印部件的認(rèn)證,，還有很多工作要做。然而,，這當(dāng)然是可以做到的,。像 ASTM International 這樣的標(biāo)準(zhǔn)組織在這方面尤其重要。例如,，ASTM 有增材制造質(zhì)量保證高級(jí)培訓(xùn)課程,。此外，這些組織通常擁有有助于培養(yǎng)個(gè)人能力的認(rèn)證,，例如基于 ASTM/ISO 52942 的 ASTM 機(jī)器操作員認(rèn)證,，它可以支持在 QMS 中展示操作員能力。此外,，它肯定有助于與可能在航空航天領(lǐng)域使用金屬 3D 打印經(jīng)驗(yàn)的公司合作,，無(wú)論是像 Velo3D 這樣的 3D 技術(shù)制造商，還是像 Eaton Aerospace 這樣經(jīng)驗(yàn)豐富的航空航天公司,。

然而,，總的來(lái)說(shuō)，可以肯定地說(shuō)金屬 3D 打印非常適合航空航天領(lǐng)域的各種應(yīng)用,。它有許多明顯超過(guò)缺點(diǎn)的好處,，用戶可以在許多不同的過(guò)程之間進(jìn)行選擇以獲得他們想要的結(jié)果。話雖這么說(shuō),，仍然需要做一些工作來(lái)使采用變得更加容易,，特別是在認(rèn)證和資格方面。

專家見解

“你不必一個(gè)人做,。協(xié)作是關(guān)鍵——增材制造聯(lián)盟非常擅長(zhǎng)分享知識(shí)和最佳實(shí)踐,。成為標(biāo)準(zhǔn)社區(qū)的一部分將提供對(duì)最先進(jìn)技術(shù)的一個(gè)很好的概述，接下來(lái)將解決哪些差距,，并直接與同行互動(dòng)” ——馬丁懷特（Martin White）

“增材制造在用于正確的應(yīng)用時(shí)會(huì)表現(xiàn)出色,，增材制造技術(shù)的選擇需要符合零件的需求。這應(yīng)該在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的早期階段考慮,，有時(shí)在動(dòng)筆之前,。您越早考慮增材制造的好處，您的最終零件就會(huì)越好,。如果在設(shè)計(jì)階段開始時(shí)接受工程師的所有限制,，您可能會(huì)看到一個(gè)有趣的部分，但它的設(shè)計(jì)是自由的,，不會(huì)對(duì)制造技術(shù)做出妥協(xié),。” – 布賴恩霍克斯（Brian Hawkes）

“重量和增強(qiáng)性能的重要性使 AM 成為理想的解決方案,。再加上航空航天部件的成本相對(duì)較高,，以及增材制造相對(duì)于鑄件質(zhì)量的提高,，你就有了實(shí)施增材制造的可靠商業(yè)案例�,！� – 邁克·伊頓（Mike Eaton）