采用增材制造的挑战

来源:Aerospace Manufacturing and Design

发布时间:2019年6月10日上午 11:06:00

准备颠覆航空航天工业?增材制造业还有很长的路要走。

在过去的五年中,关于增材制造(AM)技术如何改变航空航天领域有很多讨论。承诺就在那里:AM能够降低成本,提高效率,同时缩短产品上市时间,提高设计灵活性。

但是,为什么AM没有像所有引人注目的专栏那样让我们相信航空航天市场? AM在能够产生其在航空航天和国防(A&D)中承诺的影响之前,还有一些重大障碍需要克服。

目前使用的增材制造技术

自20世纪80年代以来,AM已经以某种形式用于A&D。与那个时代的其他新兴技术(如虚拟现实)一样,这些功能在过去几年中呈指数级增长。虽然有足够的扩展空间,但航空航天每年在3D打印上花费仅为10亿美元(A&D部门的使用目前占AM全球总收入的18%)。在2万亿美元的A&D行业背景下,这种支出简直是九牛一毛。

AM广泛用于航空航天研发以进行快速原型制作,商业应用结果固然令人兴奋,但质量和野心却并不一致。AM的应用范围从简单的3D打印内部组件(如扶手)到GE的高级涡轮螺旋桨发动机。虽然技术的好处是巨大的(GE的涡轮螺旋桨发动机将855个独立部件组合成12个并减轻了100磅的重量,将燃油消耗提高了20%并使其功率提高了10%),但是工程师们更多地希望证明我们可以而不是探索替代传统的制造方法。

增材制造技术的挑战

几个重要因素阻碍了AM在航空航天领域的广泛应用。

准确性,质量不一致——安全始终是航空航天领域的首要任务。要认真考虑AM,必须提高准确性和可复制性。大多数航空航天制造的精度公差小于10μm,而大多数金属AM机器只能产生30μm到40μm精度的零件。

生产规模——AM尚未可靠地证明它可以大批量生产。飞机制造商必须依靠合作伙伴来满足大批量,高速订单的需求,特别是在为交付时间紧迫的新飞机项目制作零件时。

尺寸限制——飞机需要制造一些最大的部件。 AM非常适合小型部件,但对于较大的部件来说还不具备竞争力。 AM(迄今为止)创造的最大部件是波音777X机翼修剪工具。大型SUV的尺寸大约是17.5英尺x 5.5英尺x 1.5英尺,重约1,650磅。

行业标准——尚未有统一的行业标准。 ASTM Int'l和ISO目前正致力于定向能量沉积(DED)AM的标准。威奇塔州立大学的国家航空研究所(NIAR)正在努力为聚合物3D打印创造新的技术标准。波音公司与瑞士技术和工程集团欧瑞康签署了一项为期5年的合作协议,为钛合金3D打印开发标准工艺和材料。

商业航班认证——要克服的最大挑战之一是获得经过认证可在商用飞机上使用的3D打印部件。例如GE的LEAP引擎系列,认证机构可能更加开放。虽然全3D打印发动机的说法令人兴奋,但从较小的非关键组件开始,这是让行业更容易使用AM的最佳方式。

供应链——行业需要弄清楚AM如何适应航空航天供应链,或者当前供应链将如何转变以促进更大的AM采用。未来的供应链可能不会有太大变化,只需为较小的生产运行提供更多的零件。而AM可以完全颠覆现有供应链、原始设备制造商(OEM)维护和修理和大修(MRO)生产AM机器的航空公司也会打印自己的零件,或者它可能位于中间 ——一个完全数字化的供应链——航空航天经销商提供CAD文件,制造商则可以自行打印。

增材制造技术的好处

AM对航空航天业的潜在好处解释了为什么如此多的资源被用于发展该技术。

降低成本——3D打印部件可以将成本降低一半。传统制造业依赖于规模经济,但AM可以在不产生成本赤字的情况下以低产量运营。 AM可以在不增加成本的情况下创建较旧的,难以找到的替换零件或复杂零件,这使其具有高于传统制造选项的显著优势。

更短的生产周期——3D打印部件可缩短高达64%的上市时间。波音公司在30小时内创造了一款777X机翼修剪工具,而不是传统制造通常需要的三个月。

轻量化——由于使用重量更轻的材料和重新设计零件,AM生产的零件可轻松减轻60%,从而最大限度地发挥AM的优势。蜂窝结构或格子结构可以通过仅在需要时提供支撑来实现相同的强度,从而留下显着减小部件重量的空腔。空中客车公司估计,3D打印所有可行的A350部件都会使飞机的重量减轻1吨以上。

设计创新——使用传统制造方法永远无法生产的设计可以使用更少的部件和更强的材料。 GE的LEAP发动机系列安装在30,000多架商用飞机上,配备3D打印燃油喷嘴,可将组件数量从18减少到1,使喷嘴轻25%,耐用5倍,燃油效率提高15%。

可持续发展——通过碳抵消和国际航空减排计划(CORSIA)等法规,绿色航空实践比以往任何时候都更加重要。AM使用的原材料明显少于传统制造——打印零件后的工具有限,材料浪费可低至10%,而传统加工的废料率高达90%。

前进的道路

AM的最佳前进道路是航空航天业确定其优势可以与传统制造业相辅相成的地方。对于高产量,传统制造将继续是最佳选择(至少在近期内),而AM为高度定制化、小批量生产运行开辟了新途径,以服务于较旧的飞机,较小的飞机项目或商业和私人飞机。智能制造商将在他们的设施和预算中找到空间来采购AM机器,从而允许他们在开始探索新的收入流时继续为现有客户提供服务。

Tell A Friend

评论

Image CAPTCHA