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采用增材制造的挑战

来源:荣格国际金属加工商情 发布时间:2019-06-16 409
金属加工金属成型机床其他金属材料测量及控制系统模具及冲模表面处理金属切削机床电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件) 技术前沿
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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。关于增材制造,有 许多承诺: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分类那样让 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%)。在每年支出 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。

图片来源:GE 航空

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,快速订单的需求, 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——飞机需要制造一些大的部件。 AM 非常适 合小型部件,但对于较大的部件来说 AM 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 ×5.5 英尺 ×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 目前正致力于制定定向能量沉积(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,这是让行业可以更方便 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 AM 被更多地采用。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。

可降低成本——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 本的情况下创建较陈旧的,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 曾 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 提供相当的支撑强度,从而留下显著减 小部件重量的空腔。空中客车公司估计, 3D 打印为 A350 飞机减轻了至少 1 吨的 重量。

设计创新——使用传统制造方法无法 实现的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——因为碳抵消和国际航 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。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 较陈旧的飞机、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 允许他们在探索新的收入流时继续为现有 客户提供服务。

 

 

□ 本文译自 Aerospace Manufacturing and Design 杂志

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