3D打印起飞

航空航天公司转向增材制造,以更低的成本制造更轻的零件。
SuperDraco发动机室由Inconel使用直接金属激光烧结(DMLS)制造。该推进器将为SpaceX的Dragon Spacecraft的发射逃生系统提供动力。图片由SpaceX提供。 SuperDraco发动机室由Inconel使用直接金属激光烧结(DMLS)制造。该推进器将为SpaceX的Dragon Spacecraft的发射逃生系统提供动力。图片由SpaceX提供。

T他要求航空航天公司在确保安全和质量的同时减轻飞机重量。制造商越来越多地寻求新材料和技术来减轻负载,包括快速发展的3D打印和增材制造解决方案。

当空中客车集团创新公司与EOS合作,比较快速熔模铸造和直接金属激光烧结生产空中客车A320机舱铰链支架时,他们发现使用直接金属激光烧结(DMLS)由钛制成铰链可以减轻重量由于铰链中使用了格子结构,因此每架飞机最多可减轻10公斤的重量。在铰链的整个生命周期中,增材制造工艺还使用了更少的总能量,减少了25%的材料消耗,甚至减少了近40%的CO2排放量。

EOS北美高级副总裁安德鲁·斯诺(Andrew Snow)表示:“门铰链设计笨重,是飞机上多个位置的小批量制造产品。” “使用晶格结构,我们可以在保持机械完整性的同时减轻重量。而且这是一种只能以增材制造的设计。”

3D打印最初被视为航空航天,汽车和其他制造商创建快速原型或模具的一种方式。现在,新的增材制造技术和材料使制造轻型最终用途零件成为可能。尽管这些零件中的许多零件用于飞机的内部区域,而这些零件不会承受过大的应力,但印刷零件仍在进入车身,并与喷气发动机和火箭发动机结合在一起。

印刷零件可以减少重量,成本和复杂性。 Stratasys垂直解决方案高级经理Chris Holshouser表示:“对组装方有帮助的任何事情都将值得实施,因为投资回报率很高。”

零件更轻,成本更低

通过添加诸如电子束熔化之类的技术以及增加诸如钛,陶瓷,树脂和热塑性塑料之类的可用材料来生产生产级航空航天零件,部分地可以将添加剂技术扩展到最终用途组件中。

“打印技术和材料是紧密结合的进步,” 3D Systems产品营销副总裁Tom Charron说。 “这就是为什么3D Systems这样的公司共同开发材料和打印机的原因。这与注射成型不同,您可以在其中将许多不同的塑料放入模具中。通常,打印机是根据他们的工作来设计材料的。”

增材制造可以通过消除工具和生产费用来降低成本,通过减少注塑或铸造所需的工具来提供额外的制造灵活性,最重要的是,可以提供重量更轻的组件。印刷零件可以用空心或格子状内部结构制成,以减少所需材料的数量,并在保持强度和耐用性的同时减轻重量。制造商还可以创建更复杂的几何形状。

“批量定制也是3D打印的重要推动力,” Charron说。 “打印一千个不同的零件没有成本差异。每个人都花钱一样。”

航空航天业的公司已经启动了3D打印项目,并且许多公司已经将这些零件整合到飞机上。在GE航空,工程师正在测试钴铬合金(传统上用于关节置换和牙科植入物),以用于打印喷嘴和其他喷气发动机组件。 GE能够使用直接的金属激光熔化来打印喷嘴,并创建了一种比现有喷嘴(由20种不同的组件制成)轻25%,并且耐用性提高五倍的喷嘴。该过程可能需要120个小时,并且需要大量的计算能力来监视零件的构造。

霍尼韦尔(中国)正在开发自己的3D打印程序。波音公司已经生产了数千种3D打印的零件,其中包括Dreamliner中的30个零件。

这些打印工作并不总是针对轻量化。 2014年初,BAE Systems使用增材制造技术(一种塑料窗户通气管)生产并认证了BAE 146支线飞机的首个替换部件。这些管子以前是注塑成型的,但是不再提供用于管子的工具。开发新工具需要花费几个月的时间和将近25,000美元。印刷零件的成本比制造零件便宜60%。 (该公司还为Tornado GR4战斗机生产了一些3D打印零件。)

BAE的经验指出了增材制造的主要优势之一:消除了可能会增加数月甚至数年生产进度的工具和模具。

“如果您看整个过程,注塑零件可能要花费几秒钟,而打印需要一个小时,但是您必须考虑制作注塑模具所花费的两个半月,而您不会不必存储该工具,” Charron说。 “如果您进行设计更改,则无需花费任何费用,因为您无需更改工具。”

增材制造也比机加工或模制具有其他优势。 Stratasys的Holshouser说:“如果出现问题,很难进行机械加工以增加材料。” “使用添加剂,您可以采取措施节省较长的构建时间。”

统一减少重量

在许多情况下,印刷零件可以一件或两件进行生产,从而消除了铆钉和粘合剂,从而大大简化了组装过程并减轻了重量。 Holshouser说:“将装配体统一为一个组件可以节省人工,这是一个重要的好处。” “这样做有局限性,但是您获得的关于添加剂的设计自由度使您可以制造极其复杂的零件而又不会招致很多成本。”

新材料还有助于减轻重量。例如,PEEK和PEKK高温,高性能聚合物可用于替代其他较重的材料。

根据Snow的说法,EOS在其直接金属烧结解决方案中使用的光纤单模二极管泵浦激光器允许这些系统与其他类型的金属一起使用。他说:“我们现在可以使用钛64这样的传统合金。我们可以加工超级合金,而天空是不锈钢的极限,因此它开辟了一种全新的材料。” “这是一项关键的创新。”

Holshouser说,现在有可以与铝竞争特定强度的热塑性树脂系统。 Holshouser说:“人们没有意识到热塑性塑料的功能和优势,而现在却可以使用它们做什么。” “有一些方法可以定制热塑性塑料以控制传导性或热通道。金属是无法做到的。热塑性塑料更可调。”

3D打印公司在满足各种材料的更严格公差方面也做得更好。 Holshouser说:“我们在控制这些公差和预测材料在粉床中的反应方面已经做得更好。” “以前,我们可以加工材料,但不能重复。您必须具有制造的可预测性。”

而且由于该技术可以使用这些新材料生产出更高品质的零件,因此印刷应用已转移到航空航天领域中一些最极端的应用中。 NASA和Aerojet Rocketdyne最近对使用3D打印的喷射器和推力室组件使用铜合金材料进行了热火测试,确认打印的零件可能会在太空发射中使用。美国宇航局还于2014年8月测试了可用于计划的太空发射系统(SLS)火箭的RS-25发动机的喷油嘴。与传统制造的喷油器所需的160个组件相比,这些喷油器仅需使用两个零件即可进行印刷和组装。

2014年1月,SpaceX发射了猎鹰9号火箭,该火箭带有3D打印的主氧化剂阀体,是该飞船的9台Merlin 1D发动机之一。该阀门现已具备资格在所有Falcon 9航班上与铸件互换飞行。 SpaceX还测试了印刷的SuperDraco发动机舱,该发动机舱可用于Dragon Version 2车辆的发射逃生系统。

创新推动技术向前发展

为了从原型制作过渡到最终使用的零件,3D打印机公司不得不修改其设备和制造车间的方法。

例如,3D Systems在其新的ProX 400直接金属3D打印机中,将预处理和后处理步骤与实际打印分开了。 Charron说:“这样一来,您就可以进行纯粹的打印,并且一旦完成零件,就可以将其从打印机中移出,并移到一个单独的去粉装置中进行后期处理。” “您可以通过这种方式更有效地使用打印量并提高吞吐量。”

3D系统还开发了一种高速连续fab级打印机,用于塑料的大批量定制打印,该打印头可以使打印床高速移动到打印头下方。

由3D制造的铜合金火箭发动机零件在Aeron Rocketdyne的NASA Glenn进行了热火测试。图片由NASA提供。 由3D制造的铜合金火箭发动机零件在Aeron Rocketdyne的NASA Glenn进行了热火测试。图片由NASA提供。

吞吐量和生产效率对于扩大航空航天业的增材制造至关重要。 EOS的Snow表示:“人们有想要适应添加剂的应用,但是由于技术的速度,成本可能过高。” “我们正在努力通过可提高技术生产率的创新来为客户实现ROI(投资回报)​​。我们正在寻找将激光束传送到粉末床的新方法,以及多种激光解决方案,以更好地满足生产应用的需求。”

那些多激光器系统将在单个构建包络中使用具有多个场的多个激光器来增加吞吐量。 “对于单个激光解决方案需要很长时间才能完成构建的大型零件应用而言,这将是最有益的,” Snow说。

设计挑战

对于希望使用3D打印来减轻重量或降低成本的航空航天公司,最大的挑战可能不是技术或材料,而是设计方面的挑战。

为了成功地打印零件,这些公司需要能够为增材制造进行设计的工程师,以及能够充分利用该技术的软件。 Holshouser说:“工程师不知道如何设计。” “以前没有给他们使用。例如,我们可以使用我们的解决方案创建内部网格,但是您需要CAD专家才能在设计中创建这些结构。添加剂的破坏性远不止于使用它的专有技术。”

钢支架的常规设计(左)和通过增材制造创建的EOS钛支架(右)。图片由空客集团创新提供。 钢支架的常规设计(左)和通过增材制造创建的EOS钛支架(右)。图片由空客集团创新提供。

Charron说:“在最终用途的大规模生产中采用添加剂将需要重新考虑零件的设计方式。” “如今,每个工程师都习惯于为制造过程进行设计。该软件的工作方式相同。现在,您可以以完全不同的方式设计事物。”

这将需要在航空航天领域和整个工科学校进行大规模的教育。 “这是我们最大的挑战,向工程师展示了如何考虑添加剂的设计,” Snow说。 “随着行业对添加剂的设计规则和可能的认识,以及越来越多的大学课程都采用了该技术,我们正在取得进展。”

查伦说:“有一些先驱开始有所不同,并利用增材制造优势,但我认为大多数公司并未认真考虑改变生产方式以利用该技术。” “这将是该行业在未来五到十年内前进的很大一部分。”

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布莱恩·奥尔布赖特(Brian Albright)是《 数字工程。请与他联系 [电子邮件 protected].

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