增材制造在飞机制造领域不断取得突破

在95%的情况下，增材制造使新项目的投入和实施变得更简单、更便宜、更快捷，且无需通过深入调查来获取有关支持未来决策的永久性改善的基础数据。

快速的产品开发

事实上，关于增材制造的能力无需过多赘述，因为设备本身就是一个活生生的证明。2012年，空客开始启用了一台250W功率（250×250×280mm）的LBM设备，发展到现在已有2到4台400W至1kW 功率(最大尺寸800×400×500mm)的激光系统投入应用，这一爆发性的扩张趋势将随着未来10年新型激光系统的应运而生继续保持下去。

空客还将从2020年起开始完成低成本产品的商业案例。在历时七年、伴随已完成的250多个金属增材制造项目后，公司所积累的重要经验是：增材制造将可打造出高度集成和多功能的产品，未来在改善生态和环境方面将有极大的机会。

材料、工艺和设备

◆材料。出于对未来的业务现实考量，空客首先关注的材料是钛（Ti6-4），其次是不锈钢，并计划在2018年底之前规划铝材的应用。自2015年底以来，用在Ti6-4钛上的激光束熔或电子束熔（LBM/EBM）的增材制造工艺的技术就绪水平（Technology-Readyness-Level ，简称TRL）已达到6级；此外，首个低速率系列部件也由空客的子公司Premium Aerotech在2015年底完成及交付。

另外，自2018年起，Scalmalloy也将开始获得应用机遇—Scalmalloy是由空客子公司AP-Work设计开发的一种高科技合金（铝、镁和钪的合金）。2018年后，空客将有一套增材制造材料准备就绪，可开启真正的批量生产。未来增材制造系列应用面临的最大挑战之一是低成本金属粉末的有效供应。因此，可以看到契合未来需求的各项活动正在全球如火如荼地展开，这是令人欣慰的。

◆工艺。到目前为止，熔融沉积成型（FDM；使用Stratasys Fortus设备）工艺应用于空客A350部件的批量制造已有两年了。使用聚酰胺（PA）的选择性激光烧结（SLS）工艺已被应用于样板部件，并率先在直升机以及空客新型的白鲸运输机（Beluga）支架上投入首次批量应用。由于阻燃性能有限，这一技术目前尚未在民用客机上使用。

应用于金属材料的LBM和EBM工艺现正首次投入批量应用，计划到2018年底通过线料和粉料高沉积速率（HDR）工艺实现大型板材的磨铣加工。

◆设备。增材制造设备供应商的数量正在迅速持续增长，导致全球市场的竞争日趋激烈。从行业视角来看，在制造过程中，高质量的设备将在未来自动化增材制造设施中扮演关键角色。未来十年内，我们将看到一系列不同尺寸的设备、各种针对特定部件的增材制造设备，以及各类多功能增材制造系统。例如，荷兰的一家增材制造设备供应商可提供一种集成热处理功能的设备，DMGMORI铣削加工中心则集成了一个HDR同轴送粉增材制造设备。

增材制造应用于飞机的初尝试

在一个为期两年的项目中，空客公司对30年来一直采用手工绘制的客舱座椅部件重新进行了3D设计，并于2014年2月将首次采用3D打印技术制造的FDM备件交付给了一家航空公司。现在，它已成为一个或多或少按空客本身需求制造的纯数字化产品，而非根据死板的库存计划，采用20年期“系列模具”冲压成型所生产的产品。

图1：采用LBM 制造的仿生座舱支架。

自2014年开始，首批百次飞行试验支架FDM产品已被用于新型A350试验飞机；而2014年6月，历经两年测试之后，采用LBM工艺及一种新型拓扑优化设计方法生产的首个增材制造钛仿生座舱支架也被应用于A350（图1）。所有这些尝试对空客增材制造业的未来都是极为有益的，其在实际工业用途上已经展现了技术可行性和未来潜力，这些都帮助推动空客2016年后的增材制造发展之路。

增材制造技术在与飞行安全相关的液压部件中已经证实了其能力。到目前为止，大部分LBM项目已经投产，其中95％由空客合作伙伴制造，包括Laser Centre North（LZN）、 Hofmann Innovation Group、Toolcraft，以及AP-Works等公司。

图2：一架试飞中的无人驾驶飞机THOR，完全采用增材制造工艺。

应用实例

◆快速开发进程。2016年，空客展出全球首架3D打印无人驾驶飞机Thor（Thor英文全称为Testing High-tech Objectives in Reality ，意指高科技目标在现实中的测试），这是一架几乎完全采用塑料和几个铝制零件打印的飞机，长3.7m，飞行重量不超过25kg。Thor是对3D打印技术潜力的测试，探索3D打印整个系统而非个别零部件的可能性。3D打印无人驾驶飞机，将大大降低成本，让航空更轻、更快、更经济。图2为一架成功进行演示的THOR飞机。

◆飞行测试LBM工艺硬件。在几架A350和A330NEO试验飞机上测试了钛、不锈钢和铝部件的性能，包括用于垂直尾翼的铝合金相机盖（图3）。

图3：使用LBM 工艺生产的用于垂直尾翼平面的铝合金相机盖。

◆首批在飞机系统上使用的钛。空客位于德国的航空制造厂Premium Aerotec (PAG) 于2016年首次交付的钛质双壁燃料连接器取代了焊接铸造部件，由于无需铸造模具且交货周期从几个月降至11周（图4），因而能降低50%左右的成本。

图4：可取代焊接铸造部件的钛质双壁燃料连接器，由于无需铸造模具，成本降低了50%。

此外,Premium Aerotec正在对Norsk Titanium(挪威钛)的快速等离子沉积技术进行设备测试,准备通过该技术来生产A350XWB飞机上的钛合金零件。

◆首批拓扑优化钛支架。应用于A350飞机的首批PAG公司增材制造的零件，重量减轻了30%，已于2017第四季度交付。

◆与飞行安全相关的增材制造液压部件。2017年3月30日，A380飞机上首个应用的与飞行安全相关的增材制造部件实现减重达35%（图5）。

图5：与飞行安全相关的增材制造A380 飞机部件，减重达35%。

从首批部件到全新设计

进入增材制造新领域的第一步是1:1可替换的增材制造部件，而下一步就是重新考虑完整的部件。目标是充分利用增材制造所提供的多功能、高集成的“全新设计”空间。它可能是一个液压单元或一个由三部分装配而成的支架，而此前却需要126个部件和铆钉制成。这意味着节省了大约120个部件的成本，工作量（无模具维护、库存和物流）减少95%。空客目前正在对这些案例进行研究，旨在2019年以后实现批量应用。

图6：仿生结构客舱隔板项目展示了与未来增材制造相关的通用设计方法的能力，可使每架A320 飞机每年节省大约3 吨燃料。

增材制造使空客能够真正重新考虑一种产品，例如将巨型睡莲结构复制到扰流板中，或将超薄模具发展转化为设计数学，正如3D设计软件公司Autodesk和其它合作伙伴实施的仿生结构客舱隔板（Bionic-Partition）项目所展现的那样。该项目展示了与未来增材制造相关的通用设计方法的能力，可减少45％的飞机重量，从而使每架A320飞机每年可节省大约3吨燃料（图6）。

展望2025

2016年，空客公司在10所大学和研究机构的帮助下开始制定2025年的愿景，着眼于快速的产品开发、消除对工具的依赖、按需生产、削减原材料需求、逐步减轻重量，并更多地实现增材制造。
为实现增材制造市场的持续成长，必须组织和开发完整的工业化体系。最大的挑战是了解“全新设计”的未来产品机遇，并开发出所有必要的设计原则和工业软件解决方案。然后，将所有这些加以验证，包括满足相关主管部门的新要求并通过其检验。