空客 A350飛機采用3D打印的鈦部件,，你敢坐嗎？

正如很多業(yè)內人士認為的一樣,，金屬是3D打印技術最有有前景的應用之一,。根據南極熊3D打印網的統(tǒng)計，全球范圍內,，3D打印的產值當中,，金屬占了大部分。

2015年12月14日,，一個全球專業(yè)的金屬3D打印機廠商,，德國Concept Laser 官方向南極熊透露，2014年出產的空客 A350飛機在全球的客機范圍內,，首次采用了3D打印的鈦部件,。


飛機上采用了3D打印部件，你敢坐嗎,？請你帶著這個問題,，到下文尋找答案。


•        空客 A350 XWB 的連接件入圍“2014 年德國經濟創(chuàng)新獎”終選
•        包括Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生在內的三位項
        目合伙人在“2015德國未來獎”中,，被共同授予“最佳團隊”的榮譽
•        3D打印技術正在飛機制造業(yè)中普及
•        未來 3D 金屬打印可實現“仿生”飛機構造和輕量化結構

金屬激光熔融技術在飛機制造業(yè)中的地位日益重要,。更短的交付周期、更合適的部件和前所未有的成型自由度,，這些都是選擇這一技術的重要依據,。如今，該技術在飛機“輕量化結構”和“仿生學”方面的突出表現,，讓這一趨勢更加顯而易見：金屬激光3D打印技術正在改變我們的設計思維,。在未來的飛機設計中，部件將能夠有針對性地吸收力線,，同時又符合輕量化要求,。耐久、節(jié)約資源,、改善成本結構,，從而魚和熊掌可以兼得。

——利希滕費爾斯（Lichtenfels）,，2015年 12 月 14 日

△空客 A350 XWB 采用的連接件,，即所謂的托架，入圍了“2014 年德國經濟創(chuàng)新獎”的終選,。該部件采用鈦（Ti）材料,，運用金屬激光熔融技術（LaserCUSING）打印而成,。

Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生、漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）共同參與了空客 A350 XWB 采用的連接件,，即所謂的托架3D金屬打印項目的研發(fā)和生產,。以前，該部件由鋁（Al）材銑削加工而成�,，F在,，它則可以用鈦（Ti）材料打印而成，減重幅度大于 30%,。

空客 A350 XWB 的連接件采用3D打印的生產方式,，在2014年入圍了“2014 年德國經濟創(chuàng)新獎”的最終評選。評審團的評定意見：這種跨行業(yè)的開發(fā)形式,，徹底改變了飛機構件的制造方式和民用飛機的“輕量化”途徑,；2015年12月2日，參與該項目的三位成員在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎”中,，又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號，并接受了由德國總統(tǒng)親自頒發(fā)的榮譽證書,。



△Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生（右一）,、漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生（左一）和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（左二）于2015年12月2日，在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎”中,，又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號,，并接受了由德國總統(tǒng)Joachim Gauck（右二）親自頒發(fā)的榮譽證書。[圖片來源：Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]

新的飛機構件設計方法
支持在飛機制造業(yè)中采用金屬激光熔融技術的論點是,，自由成型和減重,。其中“輕量化”特點可有效幫助航空公司在飛機運營中取得更為經濟的效果。固定元件（托架）所能取得的減重效果,，將有助于實現更低的燃料消耗,，或者提升飛機的裝載能力。設計新的飛機時,，需要用到成千上萬個小量制造的 FTI（飛行測試安裝）托架,。金屬3D打印（Layer Manufacturing）方法不僅可以幫助設計人員快速生產出新的設計結構,，而且生產出的部件重量要比常規(guī)的鑄造件或者銑削件輕 30% 以上,。此外，金屬激光3D打印工藝直接以 CAD 數據作為基礎,，省略了模具,，降低了成本，讓部件可以更快的速度投入使用,，最多可節(jié)省 75% 的時間,。同時,，利用該工藝無模具的特點，在早期即可制造出具有接近量產部件特性的原型件,，極大節(jié)省模具成本,。基于此,，采用金屬激光3D打印技術在設計早期就可發(fā)現錯誤原因并優(yōu)化項目流程,。漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生介紹說：“以前，進行部件開發(fā)時,，我們需要安排大約六個月的時間,，現在只需要一個月�,！�

“綠色技術”節(jié)約資源
飛機零件在銑削過程中會產生高達 95% 的可回收廢料,。而采用激光熔融技術，操作者不僅可得到“接近最終輪廓的部件”,，且廢料只有約 5%,。“在飛機制造業(yè)中,，我們將其稱為‘成品原料比’（buy to fly ratio）,，90% 在這里是一個了不起的數值。在對能量效率進行衡量時,，這一數值當然也體現出積極的一面,。”漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）說,。尤其是應用在像鈦這樣的高級且昂貴的飛機制造材料上時,，這種方法更具吸引力。無模具的制造方法節(jié)約了時間,，改善了成本結構,，有針對性的能源投入和節(jié)約資源是激光熔融技術的一大特點。位于德國利希滕費爾斯地區(qū)的Concept Laser 有限公司首席執(zhí)行官 Frank Herzog先生認為：“LaserCUSING 是一項‘綠色技術’,，可改善制造過程中的生態(tài)足跡,。”

飛機制造是變革的動力
一般來說,，在小量乃至中等數量的生產中,，激光熔融技術總能帶來有利的制造成本效應。Peter Sander先生介紹：“在飛機制造過程中,，若要實現規(guī)模效應,，每一批次產品生產規(guī)模的大小比大批量生產更為重要�,！倍�采用激光熔融技術無需高額的鑄模投資成本和模具成本,。此外,，激光3D打印方法還可提供比常規(guī)制造方法更高的造型自由度。像制作凹槽和內部的通道,，例如冷卻通道,。在航空工業(yè)中，飛機制造商已經在考慮用該工藝生產電子設備的冷卻元件和智能的液壓部件,。Emmelmann 教授（工程博士）說：“我覺得這種技術尤其對一米以下的構件,，以及推進裝置區(qū)域的部件來說具有巨大潛力�,！彪m然在未來,，人們可能窮盡物理的邊界，創(chuàng)造出更加能夠提升部件尺寸的接合方法,。但激光熔融技術首次將前所未有的幾何形狀與功能性聯(lián)系在一起,，依然成為目前最吸人眼球的技術。該技術可以讓部件內的能量通量在 CAD 設計階段就能夠非常精確地確定,�,？偟膩碚f，利用激光熔融技術能夠開發(fā)出的安全性部件,，比今天的部件更好,、更輕且壽命更長。此外,，材料特性稍有不同，Emmelmann 教授（工程博士）表示：“激光3D打印的材料具有更高的強度,，雖然延展性較低,，但經過正確的熱處理之后，還是可將其重新提升,�,！�

備件供應 2.0：及時、分散且“按需供應”
“創(chuàng)成式航空”的另一個關聯(lián)應用是在備件領域：未來將可分散地,、“根據需求”貼近應用地制造備件,，而且還無需模具。在部件出現故障的情況下,，可以直接現場制造備件,。因此，分散式的制造網絡將可能興起,，使得全球性戰(zhàn)略和地區(qū)性戰(zhàn)略能夠成為現實,。這樣可以最大化地縮小運輸距離，更重要的是可以縮短供應時間,。 其結果是,，維護造成的飛機停運時間和檢查時間將縮短,。對于現在因為飛機壽命周期長，而不可避免地建設大型備件倉庫儲備那些極少使用的零件的現狀,，在未來將可以緩解,，這些倉庫的規(guī)模可明顯縮小,。不僅減少了資金占用,，提高了操作靈活性，更重要的是讓安全性部件更快地投入使用,。在航空業(yè)都面臨成本壓力的情況下,，這具有極大的吸引力。

部件設計或者產品設計中的仿生學
采用金屬激光熔融技術可制造出極為精細的結構,，甚至是骨狀的,，也就是多孔的結構�,！耙虼�,，未來的飛機部件將是‘仿生’的�,！盓mmelmann 教授（工程博士）估計,。自然界在數百萬年間優(yōu)化發(fā)展了各種功能原理和輕量化原理，巧妙地將資源投入最小化,，這些都是值得效仿的,。空客公司目前正在有組織地對這些自然解決方案的適用性進行分析,。通過“智能曝光策略”,，可以有針對性地往部件投射激光，讓其結構,、強度和表面質量達到要求,。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生法的巨大潛力,。這種方法可能會帶來設計和制造方面的某種思想轉變,。”

疲勞強度作為特性參數
“目前的技術極限是因表面質量的妥協(xié)而產生的,，但該質量仍然與鑄造部件的表面質量具有可比性,。”Emmelmann 教授（工程博士）說,。這會導致材料的疲勞強度嚴重下降,，例如鈦。而它恰恰是飛機結構中高負荷構件的關鍵特性參數。在這里,，人們必須考慮飛機在極長的壽命周期中（＞30 年）要承受的高負荷,。但是，通過下游的表面處理,，例如微噴砂,，以及經過正確的熱處理之后，疲勞強度將顯著提高,。Emmelmann 教授（工程博士）說：“最終結果是,，達到了軋制材料的疲勞強度值�,！�

質量是重要的參數
對于飛機制造商來說,，部件制造階段的質量控制是最重要的工業(yè)化模塊之一。Peter Sander先生介紹：“帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內嵌過程監(jiān)控（Inline Process Monitoring）系統(tǒng),，可以在一個 1x1 mm2 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進行監(jiān)控,，并將這個過程記錄下來�,！痹诓考�制造過程中,，諸如 QMmeltpool、QMcoating,、QMatmosphere,、QMpowder 和 QMlaser 這樣的質量管理模塊是主要的主動質保工具。它們對激光功率,、熔池,、金屬粉末的層結構進行測量，并且不間斷監(jiān)控以及記錄整個制作過程,。質量管理模塊的另一個特征是,，在封閉系統(tǒng)中工作，以保證監(jiān)控過程無塵,、無污染。這樣可消除對過程可能產生負面影響的所有干擾因素,。Frank Herzog先生對此說道：“今天,，我們可以說這是一種受控、具有重復精度和過程穩(wěn)定的制造方法,�,！盓mmelmann 教授（工程博士）強調：“質量管理模塊讓我們能夠監(jiān)控并記錄重要的數據，例如激光參數,、熔池特性以及保護氣體的成分,。污染導致的干擾變量可以減弱。在最新的一個研究項目中,，我們正在開發(fā)自己的質保方案,，光學相干斷層掃描是其基礎之一,。”



△帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內嵌過程監(jiān)控（Inline Process Monitoring）系統(tǒng),，可以在一個 1x1 mm2 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進行監(jiān)控,，并將這個過程記錄下來。[圖片來源：Concept Laser]

備注：
飛機要承受的干擾變量或者負荷
如果客機在長達 30 多年的壽命周期內一直處于運行狀態(tài),。飛機在運行中要面臨各種各樣且極其復雜的負荷,。例如，除了基本的靜態(tài)負荷之外,，飛機還要承受地面運行和飛行之間的極端溫度波動,。關鍵的是持續(xù)性負荷，它們對所涉部件的要求最高,，如飛機的起降,，持續(xù)的在渦流中飛行等情況，其中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（托架）的時候，首先要考慮的只是靜態(tài)負荷,。

背景信息     

關于Concept Laser
Concept Laser 有限公司是一家來自利希滕費爾斯（Lichtenfels,，德國）的獨立企業(yè)。公司自 2000 年成立以來,，一直都是激光熔融技術領域的創(chuàng)新推動者,，憑借獲得專利的 LaserCUSING® 技術從事跨行業(yè)的經營活動。

LaserCUSING® 這個詞由 CONCEPT（概念）的 C,、Laser（激光）和英語 FUSING（熔融）組成,，描述的是這樣一種技術：使用 3D CAD 數據逐層生成部件的熔融技術。該方法可在不使用模具的情況下制造出復雜幾何形狀的部件,，而這是常規(guī)制造方法很難或根本無法做到的,。

利用 LaserCUSING® 技術既可以制造帶有貼近輪廓的冷卻系統(tǒng)的模具嵌件，也可以直接制造飾品,、醫(yī)療,、牙科、汽車,、航空航天行業(yè)用的部件,。原型件和量產件皆可制造。
公司可提供標準設備和客戶定制的金屬激光熔融設備方案,。在 Concept Laser 公司,，全方位服務（Full Service）這一選項意味著：客戶可以購買金屬激光熔融設備，也可以直接利用公司的服務和開發(fā)能力。

Concept Laser 的激光加工設備可加工不銹鋼,、熱作鋼,、鈷鉻合金、鎳基合金粉末材料以及像鋁合金和鈦合金這樣的活性金屬粉末材料,。公司也可提供用于制作飾品的貴金屬,，例如金合金或者銀合金。

LaserCUSING® 為眾多行業(yè)在進行產品開發(fā)的經濟性和速度方面開辟了新的前景,，這些行業(yè)包括：
•        醫(yī)療和牙科
•        航空航天工業(yè)
•        刀具與模具制造
•        汽車制造與賽車運動
•        飾品
•        機械制造

這些設備可縮短開發(fā)時間并明顯減少開發(fā)成本,，同時在產品開發(fā)過程中又具有明顯更高的靈活性。

Concept Laser 公司的高質量要求,、經驗水平和參考案例彰顯了其解決方案的工藝穩(wěn)定性和成本效益,，這些方案的效率也經過了日常生產的證實并以降低單位成本為首要目標。


關于空客公司
空客公司是領先的民用飛機制造商,，針對 100 座以上飛機的市場具有最現代化,、最經濟的民航機系列。作為創(chuàng)新技術的引領者,，空客推出了幾個世界上最經濟,、最安靜的機型。

在過去的 40 年,，空客作為技術領導者,，以其鮮明的客戶導向、全面的商業(yè)知識和高制造效率的特點,，占據著行業(yè)的領先位置,。今天，這家管理著新組建的“空客集團”的企業(yè),，收獲了大約一半的民航機新訂單,。空客全面的產品類型由多個成功的飛機系列構成,，載客量從 100 座到 500 座不等,。它們是單通道的 A320 系列，其中 A320neo 是航空歷史上最成功的機型,；A330 遠程寬體飛機系列（有貨運版本和基于 A330 的 MRTT 版本）,；全新的 A350 XWB 系列以及雙層的 A380�,？湛酮毺氐南盗袡C型方案確保了所有空客飛機在機身、機載系統(tǒng),、駕駛艙和飛行性能方面有高度的一致性,。這讓航空公司的運營成本大大降低。空客公司通過全面的,、準確符合世界各運營商要求的服務,，積極且有針對性地幫助航空公司提高其空客機隊的盈利能力。

空客總部位于法國圖盧茲,。這家全球運營的集團在美國,、中國、日本,、印度和近東地區(qū)擁有全資子公司,，且在漢堡、法蘭克福,、華盛頓,、北京、迪拜和新加坡設有備件中心,�,？湛凸�司在圖盧茲、邁阿密,、漢堡,、班加羅爾和北京也設立了培訓中心，并在全球擁有 150 多個駐外辦公室,。另外,，空客還與全世界的重要企業(yè)進行工業(yè)合作并建立伙伴關系，并且組建了一個由 20 多個國家的大約 2000 家供應商（僅供應飛機零件）組成的網絡,。

作為行業(yè)的領導者,，空客正努力成為一家生態(tài)高效型企業(yè)。因此,，空客成為世界上首家其所有制造基地和產品在整個壽命周期內獲得 ISO 標準 14001 環(huán)境認證的航空企業(yè),。空客希望確保航空交通保持其生態(tài)效率,，讓經濟效益給環(huán)境帶來的影響越來越小,。


關于LZN Laser Zentrum Nord 有限公司
LZN Laser Zentrum Nord 有限公司成立于 2009 年，是一個面向應用的激光技術能力中心,。 作為世界上最現代化的激光技術中心之一,，LZN 公司將自己視為基礎研究與工業(yè)應用的紐帶，并為企業(yè)持續(xù)增強其競爭力指引未來的方向,。在優(yōu)化產品開發(fā)流程與生產流程的時候,，公司以“Engineering in Light – Photonic Solutions for Resource Efficient Products”（光工程 - 資源節(jié)約型產品的光子解決方案）為指導，充分利用其創(chuàng)新潛力,，確保產品開發(fā)和流程開發(fā)具有質量,、成本和時間優(yōu)勢,。

激光技術這種跨領域的技術在不同行業(yè)中有著眾多的應用可能性。因此,，LZN 有限公司的研究與開發(fā)活動涵蓋了整體流程乃至成品,。公司寬泛的開發(fā)與咨詢服務涉及多個領域的合作，尤其是以下激光專業(yè)領域：機器人輔助鈑金加工（RoLAS）,、造船（ShipLAS）,、模具與機械制造（ToolLAS）、醫(yī)療產品制造（MedLAS）,、合成材料的處理與加工（SynLAS）和創(chuàng)新型輕量結構,，例如航空工業(yè)（AirLAS）中的輕量結構。2014 年,，公司又增加了一項“Light Alliance”（光聯(lián)盟）工業(yè)工作小組服務,。“Light Alliance”讓企業(yè)有機會在具有代表性的展示部件基礎上,，具體掌握和實現“Light Engineering”（光工程）,，并與來自工業(yè)和研究領域的專業(yè)伙伴一起開發(fā)未來 3D 激光生產技術市場。

LZN 有限公司與漢堡工業(yè)大學激光與設備系統(tǒng)技術研究所（iLAS）聯(lián)系緊密,。