批量金屬3D打印零件能否在航空航天廣泛應(yīng)用？

魔猴君  行業(yè)資訊   731天前

金屬3D打印正在發(fā)生飛速發(fā)展——最典型的代表就是GE航空已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超10萬(wàn)個(gè)噴嘴頭的制造，并應(yīng)用在當(dāng)前最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)上：

波音777X搭載的GE9X

空客A320 NEO搭載的LEAP-1A

波音737MAX搭載的LEAP-1B

中國(guó)C919搭載的LEAP-1C

那么，批量金屬3D打印零件能否在航空航天廣泛應(yīng)用？

2022珠海航展上的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)

它將原來(lái)由20個(gè)通過(guò)焊接制造的部件組合為一個(gè)精密整體，使產(chǎn)品重量比上一代減輕了25%，耐用度提高了5倍，成本效益上升了30%，它的復(fù)雜特征結(jié)構(gòu)要求其只能采用3D打印工藝制造。這一案例的成功，表明金屬3D打印實(shí)現(xiàn)批量化制造是可行的。

國(guó)內(nèi)關(guān)于航空航天領(lǐng)域金屬3D打印批量化制造的案例雖沒(méi)有公布，但仍可以捕捉到蛛絲馬跡。在航天六院最新的應(yīng)用案例中有這樣的表述，在85噸級(jí)開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和制造過(guò)程中，“3D打印的關(guān)鍵零組件在長(zhǎng)期試驗(yàn)中進(jìn)行了數(shù)十次可靠性考核”。這從側(cè)面證明金屬3D打印技術(shù)制造的零件質(zhì)量是可靠的，能夠被航空航天領(lǐng)域所接受。接下來(lái)，3D打印技術(shù)參考將從生產(chǎn)的角度講述哪些因素會(huì)影響面向航空航天領(lǐng)域的批量生產(chǎn)。

1. 產(chǎn)品一致性，可重復(fù)制造的關(guān)鍵因素

實(shí)現(xiàn)批量化制造，代表著金屬3D打印單批次和多批次制造的每一個(gè)零件從零件質(zhì)量、性能到尺寸精度都是完全一致的，即該技術(shù)達(dá)到了可重復(fù)的制造質(zhì)量。這對(duì)打印設(shè)備和工藝標(biāo)準(zhǔn)提出了嚴(yán)格的要求，知名金屬3D打印品牌Velo3D聲稱，其在全球范圍內(nèi)布置的任何一臺(tái)機(jī)器都能打印出具有相同質(zhì)量的零件，這是對(duì)金屬3D打印批量制造產(chǎn)品一致性的良好詮釋。

鉑力特在珠海航展展示的批量生產(chǎn)的安裝支架

對(duì)設(shè)備的調(diào)教必須達(dá)到嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)的制造質(zhì)量，才具備實(shí)現(xiàn)批量制造的基本條件。但這僅是一句系統(tǒng)的描述，卻涉及極廣，如打印過(guò)程中成形空間煙霧的排除與氣流調(diào)控、激光功率的穩(wěn)定性控制與將平臺(tái)每一處的能量調(diào)控在可接受的范圍內(nèi)、打印室中的氧氣含量控制以及構(gòu)建完成后所需的后處理等，所需要布置的傳感器可以達(dá)到上千個(gè)。GE對(duì)所收購(gòu)的Concept Laser打印機(jī)也進(jìn)行了細(xì)致的研究、分析和改造，以使其滿足批量制造的能力。

2. 訓(xùn)練有素的工程師至關(guān)重要

對(duì)于金屬3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，必然需要大量的專業(yè)知識(shí)，但并非要求一人多能。這項(xiàng)技術(shù)涉及的技術(shù)細(xì)節(jié)非常之多，如面向增材制造的設(shè)計(jì)、熟練的操作和維護(hù)、打印工藝研發(fā)與材料質(zhì)量控制以及后處理等等。

這些所涉及到的過(guò)程幾乎均會(huì)直接影響到產(chǎn)品的制造質(zhì)量是否統(tǒng)一。對(duì)于致力于面向航空航天領(lǐng)域提供服務(wù)的供應(yīng)商，從事這些環(huán)節(jié)的人才都不可或缺，尤其是那些訓(xùn)練有素的工程師。而培養(yǎng)具備這些專業(yè)技能的工程師既昂貴且耗時(shí)，但不可或缺。

3. 制造成本須持續(xù)降低

需要指出的是，除非投資回報(bào)率超過(guò)其他可用的生產(chǎn)方法，否則3D打印技術(shù)將不會(huì)被廣泛采用并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)于航空航天領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，成本似乎并不是最重要的，但成本仍然會(huì)影響能否實(shí)現(xiàn)批量制造。

鑫精合金屬3D打印車間

機(jī)器本身的高成本是一個(gè)主要問(wèn)題。但經(jīng)歷十年技術(shù)積累、研發(fā)迭代，3D打印機(jī)的裝備成本相比早期已經(jīng)出現(xiàn)相當(dāng)幅度的降低。同樣的，材料成本也有一致的趨勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)滿足航空航天領(lǐng)域制造的增材制造加工服務(wù)中心，如鉑力特、鑫精合、飛而康以及鋼研極光等。根據(jù)部署，到2025年國(guó)內(nèi)面向金屬3D打印服務(wù)的裝備數(shù)量保守估計(jì)將遠(yuǎn)超600臺(tái)（點(diǎn)擊）。

無(wú)論從技術(shù)發(fā)展成熟還是從競(jìng)爭(zhēng)的角度，制造成本持續(xù)降低都將是必然。

4. 自動(dòng)化的調(diào)節(jié)與生產(chǎn)，將越來(lái)越多

盡量減少人為錯(cuò)誤對(duì)金屬增材制造來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，例如在調(diào)節(jié)光斑尺寸、多激光搭接時(shí)的參數(shù)時(shí)，工程師人的判斷可能不盡相同，因此有些設(shè)備商如華曙高科自主研發(fā)了“多激光智能校準(zhǔn)系統(tǒng)”，最大程度解決多激光搭接一致性的挑戰(zhàn)，使得打印質(zhì)量及性能更加均勻。

其他因?yàn)槿藢?dǎo)致的誤差還包括構(gòu)建基板的調(diào)平、零件內(nèi)部管道的粉末清理以及支撐去除與后處理等，目前的軟件和硬件均在使這些過(guò)程變得更為智能。雖然當(dāng)前的自動(dòng)化程度還有限，但可以看出，這將會(huì)是一種趨勢(shì)。

金屬增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)涵蓋解放設(shè)計(jì)、高材料利用率、低制造成本、快速制造等多方面，在經(jīng)歷了早期的質(zhì)疑后，開(kāi)始飛速發(fā)展。本文主要從生產(chǎn)過(guò)程的角度講述了影響金屬3D打印批量生產(chǎn)的因素。

正如3D打印技術(shù)參考的一位合作方所指出的，金屬3D打印不是“能打出來(lái)”就行，性能要滿足裝機(jī)要求，批量生產(chǎn)要穩(wěn)定高效還要一致性強(qiáng)，成本還要持續(xù)降低，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)工藝改良升級(jí)的革新能力也要持續(xù)提升。這樣才能成為制造業(yè)供應(yīng)鏈中不可或缺的一環(huán)，這個(gè)曾經(jīng)“非主流”的工藝才有可能在寒冬中生存下去。

來(lái)源：3D打印技術(shù)參考