航空航天工业一直寻求增材制造以提高效率、减少浪费,成为增材制造早期且热情的采用者。增材制造技术已用于飞行器内部制造支架;已用于打印发动机零件,从而大大减少了组件数量;甚至被用于生产21千克的无人机,以试验新技术。
GE航空:提高增材制造创新能力
通用电气公司一直是最主要的增材制造采用者之一。CFM是GE航空与法国赛峰集团之间的平股合资企业,拥有四个经过美国联邦航空管理局认证的3D打印零件。它们是用于GE90-94B的T25传感器和CFM LEAP燃油喷嘴头,以及GEnx-2B电动门开启系统(PDOS)支架和GE Passport气-油分离器。
CFM LEAP发动机的燃油喷嘴系统于2015年在阿拉巴马州一家工厂首次投入生产,这是首批因3D打印而广为人知的航空航天系统之一。去年,该工厂生产了第30000个燃油喷嘴头,该工艺也用于GEnx PDOS支架。GE还开发了GE Catalyst,这是一种涡轮螺旋桨发动机,可将855个常规零件组合成12个组件,而GE9X则将300多个常规零件组合成仅7个3D打印组件。GE航空表示已经确认了80多个要使用3D打印的零件。
GE航空的增材制造从大量新产品的引入开始,但是已经将重点转移到了降低现有产品成本的基础上。增材制造为GE工程师提供了全新的创造自由度,从根本上改变了他们进行设计的方式。制造成本和设计复杂性之间的范式已经颠覆,使用增材制造,可以优化设计以提高性能。3D打印可以加速零件生产和试验,由于零件产出更快,公司提前6个月完成了Catalyst燃烧室的台架试验。
GE还通过收购德国概念激光公司和瑞典Arcam AB的多数股权,投资了这项技术。随着GE增材制造部门的发展,其业务可以在数小时而不是数月内给出反馈并进行调整。随着公司继续发展增材制造工程和制造能力,这些投资使GE航空成为更好的增材制造设备供应商。ORNL认为GE为推动3D打印在航空航天领域的发展做出了巨大贡献。
空客公司:快速制造备件满足需求
空中客车集团是另一家采用3D打印的飞行器制造商。自2015年以来,空客对其“在现实中试验高科技目标”小型无人机进行了试飞,它的大约90%的结构组件是由塑性聚酰胺粉末3D打印的。空客公司将THOR描述为“一个在实际飞行条件下实现不同技术的低风险和快速开发的平台。”空客利用增材制造技术提高了THOR的开发速度,花了七个星期的时间打印了60个结构部分,又花了一个星期组装该飞机。
空客以其他方式扩大了对增材制造的使用。5年前,公司开始使用3D打印或所谓的“添加层制造”(ALM)制造支架。空客表示这是逐步引入ALM技术的长期战略的第一步。在过去5年中,空客逐渐增加了ALM在批量生产和在役飞机中的应用数量。公司已经生产并在空客飞机上安装了7万多个3D打印零件,大多数零件都是用聚合物打印的,但用钛和镍基合金的越来越多。
由聚合物制成的3D打印备件已经用在了A350 XWB系列飞机上。一些A320neo和A350 XWB试验飞机配备了金属打印的座舱支架和燃油管路。公司表示,更多的金属零件正在认证过程中。空客使用的特殊增材制造技术,包括细丝沉积和粉末床聚合物技术、金属粉末床和金属线定向能沉积。目前,空客对可用于3D打印的材料数量感到满意。在航空工业中使用ALM的合格鉴定工作在成本和时间上都非常苛刻。因此,空客公司的重点是在确认了价值创造机遇的几种常用金属合金上引入该技术。
空客正在与Autodesk的生成设计合作,使用人工智能重新设计面向其他制造技术设计而现在要用3D打印的零件。2015年,空客推出了所谓的“仿生隔板”,这是一种金属3D打印墙和后座支撑结构,将客舱和飞机厨房分隔开。该隔板比常规制造的隔板轻约45%,空客打算为A320飞机生产该隔板。不过,空客预计金属3D打印的成本将下降得更快。Autodesk正在稍微修改设计,使其具有许多相同的优点。这第二种设计要求3D打印隔板的塑料模具,该模具将用已经鉴定可以飞行的合金铸造。模具仍然允许设计为更复杂的形状,该隔板的第二个版本正在认证过程中。
因泰莱激光:深耕航空航天市场,解决陶瓷3D打印难题
国内以武汉因泰莱激光科技有限公司为代表的陶瓷激光3D打印企业,也正紧追国际前沿,积极进行自主研发和技术攻关,已成功利用具备自主知识产权的设备和材料打印出应用于航空航天领域的涡轮、陶瓷型芯、行波管、航空叶片等精密组件。所生产的零件经检测,完全具备航空航天的力学性能要求。
预计3D打印在未来五年中将取得更多进展,它会被测试、测试并重新测试,增材供应链实际上也将在未来5年内增长。与传统技术相比,竞争力和市场份额将随着新应用的兴起而逐步增长。ORNL认为3D打印在航空航天领域会越做越大,大型结构组件是一些公司已经开始研究的领域。
随着人们对航空航天工业的信心与日俱增,增材制造未来将会带来更大的改变。