為什么要將金屬3D打印用于航空航天?
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?它又能帶來什么好處?金屬 3D 打印零件如何獲得認(rèn)證?為了回答上面這些問題,
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。
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。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:“簡(jiǎn)而言之,所有金屬技術(shù)都在考慮之中。目標(biāo)始終是通過有計(jì)劃地降低成本或提高績(jī)效來實(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?!?/p>
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)?!?/p>
此外,材料也是增材制造過程的關(guān)鍵。Brian Hawkes 解釋說:“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p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。一般來說,通過傳統(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:“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?!?/p>
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)來制造波音 787 后艙室支架。后者尤其值得注意,因?yàn)樗砻饔捎诓牧铣杀竞图庸r(shí)間的減少,購買飛行率降低了 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)還具有減少廢料的次要好處。” 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)。
正如我們過去所見,增材制造作為解決供應(yīng)鏈問題的一種方式對(duì)整個(gè)行業(yè)都有好處。Hawkes進(jìn)一步評(píng)論說:“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)榭梢詮牟煌墓?yīng)商處采購相同的零件,而無需花費(fèi)大量時(shí)間來開發(fā)新工具?!?/p>
△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(圖片來源:波音)
然而,這并不意味著采用金屬 3D 打印并非沒有挑戰(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 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 打印的制造商來說,關(guān)鍵問題之一是零件是否可以通過認(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I(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 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,“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?;贏STM/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)過認(rèn)證的零件,例如 Velo3D 中的這些示例(圖片來源: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?!?/p>
無論如何,如前所述,即使過程尚不簡(jiǎn)單,實(shí)際上也有可能擁有經(jīng)過認(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)證過程需要大量的材料和過程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以證明您已經(jīng)在特定過程甚至機(jī)器的特定序列號(hào)上完全表征了特定材料?!?/p>
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,總的來說,可以肯定地說金屬 3D 打印非常適合航空航天領(lǐng)域的各種應(yīng)用。它有許多明顯超過缺點(diǎn)的好處,用戶可以在許多不同的過程之間進(jìn)行選擇以獲得他們想要的結(jié)果。話雖這么說,仍然需要做一些工作來使采用變得更加容易,特別是在認(rèn)證和資格方面。