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），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)域的三位專家對此給出的建議，他們分別是：

第一位專家是 Martin White 博士，他是國際標準組織ASTM International全球先進制造計劃部的技術(shù)運營總監(jiān)。White 博士負責監(jiān)督 ASTM 的所有 3D 打印技術(shù)項目，重點關(guān)注從資格和認證挑戰(zhàn)到材料允許生產(chǎn)的組件，以及加速標準化和提供專家培訓(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。他是一個項目的負責人，該項目擁有 23 個獲獎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)計未來幾年這個應(yīng)用率只會增長，特別是在整個航空航天業(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，這一時代將很快到來。值得注意的是，很可能需要對整個飛機的飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計進行更改，而增材制造可能是其中的一個關(guān)鍵優(yōu)勢。這些技術(shù)以能夠創(chuàng)建傳統(tǒng)方法無法實現(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、性能和安全性。

此外，還可以使用多種不同的 3D 打印技術(shù)。在評論該行業(yè)所使用的不同金屬增材技術(shù)時，White 博士說：“簡而言之，所有金屬技術(shù)都在考慮之中。目標始終是通過有計劃地降低成本或提高績效來實現(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證以實現(xiàn)工業(yè)化的進展，我們希望在工業(yè)化中制造更多的零件。我們看到發(fā)動機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常用的金屬3D打印技術(shù)。Mike York 進一步證實了這一點：“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）。”

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)用場景和使用要求而異。鈦具有高強度重量比，這對于航空航天至關(guān)重要，因為重量更輕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 打印在整個航空航天領(lǐng)域就有了許多創(chuàng)新用途。Hawkes 證實了這一點，并評論說：“在高溫環(huán)境下運行、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)動機部件相關(guān)的組件，例如熱交換器，葉輪、蝸殼等?！?/p>

White博士進一步指出了去年在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 的機翼掛架上制造一個支架作為結(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，因為它表明由于材料成本和加工時間的減少，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

如前所述，增材制造對航空航天業(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，當然還有可持續(xù)性。當然，這些好處不僅在航空航天領(lǐng)域可見，而且對該行業(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優(yōu)化強度，這一點體現(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)計要求的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而減輕飛機的總重量，同時還具有減少廢料的次要好處。” 事實上，Mike York 指出，對于增材制造的零件，重量通常會減輕 20-40%。當考慮到增材制造減少發(fā)動機等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中必要零件數(shù)量的能力時，這個數(shù)字只會增長。

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整個行業(yè)都有好處。Hawkes進一步評論說：“隨著供應(yīng)鏈的成熟和增材制造的可擴展性得到證實，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。維護零件的供應(yīng)鏈也可以采用分布式架構(gòu)，因為可以從不同的供應(yīng)商處采購相同的零件，而無需花費大量時間來開發(fā)新工具。”

△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)時持謹慎態(tài)度的一個因素，這是可以理解的。而且，就測試數(shù)據(jù)而言，與來自鑄造或鍛造材料的測試和操作經(jīng)驗的巨大存儲庫相比，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險接納和創(chuàng)新需求之間徘徊。

值得慶幸的是，這是可以克服的。一個例子是 ASTM 正在通過 AM CoE 的材料數(shù)據(jù)和標準化聯(lián)盟縮小數(shù)據(jù)收集方面的差距。其目標是利用增材制造價值鏈中 27 個成員的輸入創(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 打印部件認證

當然，對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證。盡管有可能，但也可能很困難。Brian Hawkes 指出，“目前對航空航天應(yīng)用的部件進行認證是一項挑戰(zhàn)，因為增材制造在航空航天工業(yè)中被視為一項相對較新的技術(shù)，一些用于認證增材制造部件的標準和指南尚未完全制定。在航空航天工業(yè)中，需要一種全面的認證方法。資格認證必須詳細說明打印部件的所有方面，包括材料選擇、生產(chǎn)驗證和測試。但這并不意味著沒有希望。盡管面臨挑戰(zhàn)，但隨著當局致力于制定全面的標準和指南，增材制造仍有可能徹底改變航空航天業(yè)?！?/p>

Martin White 還特別強調(diào)，不僅航空零部件需要通過 FAA 或 EASA 等監(jiān)管機構(gòu)的認證，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，必須有一個可以提供資格和認證的基礎(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大話題，但在最高級別，建議始終是制定計劃并堅持計劃?；贏STM/ISO 共識的標準也可以構(gòu)成航空航天 QMS 以及基于標準的認證的基礎(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 指出了另一個局限性，特別提到了資格認證的成本：“目前的資格認證成本高于傳統(tǒng)成本，但預(yù)計它會隨著時間的推移而下降，從而更容易獲得?！?/p>

無論如何，如前所述，即使過程尚不簡單，實際上也有可能擁有經(jīng)過認證的零件。York 解釋了他們在伊頓的經(jīng)歷，并指出：“伊頓航空航天公司已經(jīng)對生產(chǎn)中的商用飛機金屬增材制造部件進行了認證。通常，認證過程需要大量的材料和過程統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以證明您已經(jīng)在特定過程甚至機器的特定序列號上完全表征了特定材料?！?/p>

很明顯，要標準化和推進金屬 3D 打印部件的認證，還有很多工作要做。然而，這當然是可以做到的。像 ASTM International 這樣的標準組織在這方面尤其重要。例如，ASTM 有增材制造質(zhì)量保證高級培訓(xùn)課程。此外，這些組織通常擁有有助于培養(yǎng)個人能力的認證，例如基于 ASTM/ISO 52942 的 ASTM 機器操作員認證，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的好處，用戶可以在許多不同的過程之間進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，特別是在認證和資格方面。