無人機：3D打印已占物料清單1%，未來可達90%,，GA-ASI萬級零件將全面投產(chǎn)

南極熊導(dǎo)讀：在無人機領(lǐng)域，3D打印已經(jīng)顯示出強大的應(yīng)用優(yōu)勢和潛力。目前原子航空系統(tǒng)公司的無人機中,，3D打印零件已占物料清單（BOM）的1%,，未來小型無人機最高可達90%。

通用原子航空系統(tǒng)公司 (GA-ASI)是遙控飛機 (RPA) 系統(tǒng)的領(lǐng)先設(shè)計者和制造商,。在 AMUG 2023 會議上的一次演講中,，GA-ASI 的增材制造部門經(jīng)理 Steve Fournier 向外界展示了所涉及的增材制造業(yè)務(wù)范圍：從聚合物（FDM、SLS）到金屬（L-PBF,、DED-W）,，再到復(fù)合材料（LSAM、BJP）的各類3D打印應(yīng)用,。

GA-ASI下一步計劃是通過與 Divergent 的專家和先驅(qū)合作來實現(xiàn)完整的工作流程集成,，以實施他們的 DAPS 功能。Fournier 表示：“增材制造的未來是光明的”,。

以增材制造為中心

2021 年,，通用原子航空系統(tǒng)公司建立了新的增材設(shè)計與制造 (AD&M) 卓越中心，專注于使用功能齊全且可飛行的增材制造應(yīng)用,、研發(fā),、大型工具和下一代飛行硬件，對 GA-ASI 的無人機系統(tǒng) (UAS) 系列進行快速制造,。

在過去的十年中,，GA-ASI 投資于增材制造技術(shù)的引入，并在五年前組建了一個專門的增材制造業(yè)務(wù)部門,。Fournier 解釋說,，事實證明，增材制造活動的集中化是一針強大的催化劑,，它推動了增材制造在集成,、應(yīng)用工業(yè)化、飛行硬件制造,、降低研發(fā)風險和知識轉(zhuǎn)移等方面的成功應(yīng)用,。

GA-ASI 已對用于生產(chǎn)的不同增材制造模式的 350 多個飛行部件進行了認證。為了開發(fā)和驗證用于飛行部件增材制造的應(yīng)用程序,，該公司正在擴展其增材制造生態(tài)系統(tǒng),。這款生態(tài)系統(tǒng)由將增材制造應(yīng)用程序從原型階段（一次打印）提升到生產(chǎn)級階段（持續(xù)打印正確）所需的關(guān)鍵要素組成,。

Fournier 先生透露,，GA-ASI目前每年增材制造約 7,500 個零件�,？傮w而言,，在最新的UAS 平臺 MQ-9B SkyGuardian 上,，該公司節(jié)省了超過 200 萬美元的工具成本，每架飛機節(jié)省了超過 30 萬美元的常規(guī)成本（該飛機平臺上約有 240 個增材制造零件）,。在增材制造生態(tài)系統(tǒng)的推動下,，增材制造應(yīng)用的數(shù)量持續(xù)快速增長，其生產(chǎn)的飛機上有超過 10,000 個增材制造組件,。特別是MQ-9B SkyGuardian和SeaGuardian型號在增材制造零件的使用方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位,。增材制造組件的總飛行小時數(shù)已超過 300,000 小時。

GA-ASI 總裁 David R.Alexander 解釋道：“GA-ASI 不斷尋找方法來啟用,、加速增材制造技術(shù)并將其集成到我們的設(shè)計,、運營和產(chǎn)品中。通過我們的 AD&M 卓越中心,，我們正在對增材制造應(yīng)用采用結(jié)構(gòu)化且嚴格的資格流程,，與傳統(tǒng)制造方法相比，這為我們提供了積極的業(yè)務(wù)案例,。通過全面,、整體的方法，我們的增材制造專業(yè)團隊正在努力推動增材制造零件的應(yīng)用,，以升級我們的飛機并最終造福我們的客戶,。”

未來的基礎(chǔ)

GA-ASI 的增材制造生態(tài)系統(tǒng)推動了公司內(nèi)部可重復(fù)且可靠的生產(chǎn)級 3D 打印的發(fā)展,，但這并不像看起來那么容易,。GA-ASI 的增材制造基礎(chǔ)生態(tài)系統(tǒng)基于十幾個不同的要素，從材料可行性,、等效性到研發(fā)和資本支出資金,。

通過與 Divergent 合作進行全自動 UAS 生產(chǎn)，將10,000個增材制造零件在 GA-ASI 投入全面生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)控制的流程,、應(yīng)用程序團隊的建立以及明確的擴展路線圖對此進行了補充,。GA-ASI 在其 AD&M 卓越中心開展一些重復(fù)性生產(chǎn)活動，但對快速反應(yīng)和低速率制造的需求需要開發(fā)強大的增材制造供應(yīng)鏈,，以實現(xiàn)復(fù)雜的最終用途熱塑性塑料和金屬的超額生產(chǎn)部分。

正如 Fournier 所解釋的那樣,，“增材制造生態(tài)系統(tǒng)的深度因每個增材制造應(yīng)用而異,，并由應(yīng)用任務(wù)關(guān)鍵性、適航機構(gòu)的資格要求,、質(zhì)量保證/過程控制可用性和應(yīng)用跟蹤記錄等方面驅(qū)動,。”

更具體地說,，增材制造在 GA-ASI 產(chǎn)品生命周期中的使用很早就開始了,，甚至在產(chǎn)品構(gòu)思之前就開始了。在純粹的業(yè)務(wù)分析層面上，它有助于增加 P-win,。在概念階段,，它有助于加快上市時間。在設(shè)計階段它還可以實現(xiàn)高度集成,。對于實際的原型,，它可以實現(xiàn)無工具制造。當進入生產(chǎn)階段時,，增材制造在降低 LRIP（低速初始生產(chǎn)）成本方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,，同樣通過無工具制造和高水平集成。對于GA-ASI 的許多產(chǎn)品來說,，這些優(yōu)勢繼續(xù)在整個規(guī)模生產(chǎn)中得到應(yīng)用,，從而提高了系統(tǒng)可用性，特別是在現(xiàn)有產(chǎn)品生命周期內(nèi)的維護方面,，集成度和零件復(fù)雜度越高,，增材制造的價值主張變得越清晰。如今增材制造約占物料清單 (BOM) 的 1%,，目標是在大型平臺上增加到 5% BOM,，在小型 UAS 上增加到30% 到 90%。

深入了解增材制造

就生產(chǎn)的增材制造零件的類型而言,，這一切歸結(jié)什么呢,？就聚合物增材制造技術(shù)而言，完全基于熱塑性塑料,，F(xiàn)DM 主要用于零件整合和替代,。這意味著更換層壓部件、創(chuàng)建大型保形空氣管理系統(tǒng),、層壓工具和適應(yīng)性地面控制設(shè)備,。未來的應(yīng)用將包括燃料兼容（即耐化學腐蝕）材料以及用于金屬替代應(yīng)用的連續(xù)纖維增強 3D 打印零件。

聚合物 PBF 應(yīng)用（目前僅限 SLS）還包括層壓部件轉(zhuǎn)換,，同時還利用該技術(shù)更大的幾何自由度來實現(xiàn)復(fù)雜歧管,、保形工具和大型管道組件的制造。未來的發(fā)展將著眼于越來越大的裝配體,。一個特別有趣的應(yīng)用是與 Hexcel 合作,，利用 HexAM 技術(shù)對 PEKK 基復(fù)合材料（最初由 Oxford Performance Materials開發(fā)）進行選擇性激光燒結(jié)，用于生產(chǎn)外模線和內(nèi)模線（OML 和IML）,。增材制造實現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀提供了設(shè)計自由度和更簡單的制造工藝,，以提高無人機系統(tǒng)的性能和操作。

在金屬領(lǐng)域,，LPBF 也主要被視為零件整合和替代的解決方案,，應(yīng)用于層壓板到增材制造的轉(zhuǎn)換,、集成流體歧管、OML（外模線）整流罩以及發(fā)動機和排氣部件,。另一個非常有趣的應(yīng)用是集成熱交換器 (HX),。GA-ASI 與 Conflux Technology 合作，為其 MQ-9B SkyGuardian 和 SeaGuardian 設(shè)計和制造新型燃油熱交換器 (FOHE),。自 2018 年以來,，兩家公司總共開展了四個不同的增材制造項目，最近他們開發(fā)了一款冷板熱交換器,，為各種 GA-ASI 無人機平臺中使用的高耗散線路可更換單元 (LRU) 提供額外的冷卻能力,。金屬 L-PBF 應(yīng)用的未來發(fā)展方向包括更大的整合、

金屬 DED 技術(shù)使用線材作為原料,，被視為可以顯著降低大型零件制造成本的關(guān)鍵推動因素,。GA-ASI 一直致力于與 Norsk Titanium 合作完成A 類和 B 類鈦部件的增材制造生態(tài)系統(tǒng)資格認證以及供應(yīng)商資格認證。其他 DED 合作伙伴包括專注于復(fù)雜 INVAR 和鋼層壓模具應(yīng)用的 Lincoln Electric,。未來的增長目標是更多的鎳鉻鐵合金材料的應(yīng)用,。

GA-ASI 當前的許多增材制造應(yīng)用（主要用于模具）也專注于復(fù)合材料 (LSAM) 和砂（粘合劑噴射）中的大幅面 3D 打印技術(shù)。LSAM 零件（例如由 Thermwood 生產(chǎn)的零件）用于復(fù)合材料層壓板的 RT 銑床夾具,，但也用于一些大型最終用途組件,，例如長度長達 5 米的地面應(yīng)用。未來,，這些部件的尺寸可能會增長到 6 至 13 米的長度,。使用砂粘合劑噴射系統(tǒng)可在模具和沖洗方面節(jié)省高達 2-3 倍的成本，未來的目標是生產(chǎn)母版和日益定制的打印機以滿足特定要求,。

增材制造不是最終目標,，數(shù)字化設(shè)計和制造才是

增材制造行業(yè)的每個人都非常清楚，以增材制造為核心的全數(shù)字化端到端制造流程的實施充滿了許多需克服的挑戰(zhàn),。工作流程必須從功能/增材制造/裝配設(shè)計開始,，繼續(xù)進行打印和精加工，繼續(xù)快速零件檢查和質(zhì)量,，最后實施流程集成以實現(xiàn)完全自動化,。

為了解決其中的許多挑戰(zhàn)，GA-ASI正式與 Divergent Technologies公司合作,。該公司開發(fā)了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來設(shè)計,、制造和組裝車輛結(jié)構(gòu)，稱為 Divergent 自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng) (DAPS),。GA-ASI 現(xiàn)在正在尋求驗證這一功能并將其應(yīng)用到其一些 UAS 平臺。

此次聯(lián)合開發(fā)項目于2022年啟動,，并在多個平臺上建立了更牢固的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系,。兩家公司已經(jīng)完成了兩個項目,，利用基于模型、人工智能驅(qū)動和拓撲優(yōu)化的設(shè)計,，實現(xiàn)完全集成的小型（<500磅）無人機航空結(jié)構(gòu),。集成金屬結(jié)構(gòu)采用 3D 打印（每個節(jié)點的打印時間低于 13 小時）,，這使得集成零件數(shù)量減少了95%以上,，同時滿足了重量目標。

DAPS 流程通過創(chuàng)建小型 UAS(SUAS) 的完整數(shù)字孿生來檢查每個打印組件,，然后將其應(yīng)用于全自動,、免工具機器人裝配流程，整個流程不到 20分鐘即可完成,。這一過程使團隊能夠在不到兩天的時間內(nèi)從可打印的 SUAS 設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆�組裝的可交付機身,。GA-ASI 預(yù)計這種能力將在未來實現(xiàn)近戰(zhàn)區(qū)坡道能力，以支持作戰(zhàn)人員,。

這種創(chuàng)新的設(shè)計和制造方法帶來了高度集成的重量和性能優(yōu)化設(shè)計,，這些設(shè)計自然但不完全地利用增材制造技術(shù)，顯著降低機身的常規(guī)成本,，同時為多個平臺變體提供快速的無工具迭代設(shè)計方法,。Fournier 總結(jié)道：“通過適用于增材制造使用的適當生態(tài)系統(tǒng)，工業(yè)生產(chǎn)級增材制造對于國防和民用無人機來說是可能的,。但是,，增材制造不應(yīng)該是最終目標，而應(yīng)該是支持全數(shù)字制造流程工作流程的支持技術(shù)套件,�,！�