一文讀懂航空制造為什么要用3D打印

來(lái)源：升華三維

▲航空航天零件的3D草圖

多年來(lái)，航空航天一直被證明是全球3D打印增長(zhǎng)最快的應(yīng)用之一。多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等是航空航天獨(dú)有的產(chǎn)品特點(diǎn)，輕量化、低成本、快速研制的迫切需求與3D打印成型自由度高且快等特點(diǎn)高度契合。一些飛機(jī)制造商甚至可能利用簡(jiǎn)短的停機(jī)時(shí)間來(lái)改造他們的飛機(jī)，建立數(shù)字庫(kù)存來(lái)維護(hù)老化的飛機(jī)，并使用先進(jìn)的制造技術(shù)來(lái)制造下一代飛機(jī)。像我國(guó)的國(guó)產(chǎn)C919大飛機(jī)就是通過(guò)應(yīng)用大量的3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)和試產(chǎn)。

▲國(guó)產(chǎn)C919大飛機(jī)

下面讓我們來(lái)深入了解航空業(yè)為何使用3D打印，看看在飛機(jī)的生產(chǎn)中是如何利用這些共性優(yōu)勢(shì)的：
零件整合

在零件組裝中最薄弱的點(diǎn)就是組裝的地方。就飛機(jī)而言，這樣的弱點(diǎn)可能會(huì)成為嚴(yán)重故障點(diǎn)，危及人類(lèi)生命。
通過(guò)將零件的多個(gè)組件整合到單個(gè)3D打印構(gòu)建中，裝配點(diǎn)的數(shù)量必然會(huì)減少。3D打印可能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特幾何形狀可以將通常有幾十個(gè)或數(shù)百個(gè)零件的零件減少到幾個(gè)——或一個(gè)零件。由于無(wú)需焊接、鉚接或其他緊固件來(lái)將零件固定在一起，不僅減少了裝配，而且還減少了潛在的故障點(diǎn)。

整合的部件越多，節(jié)省的成本就越大。如果某部分零件在組裝后被固定，這可能是一個(gè)整合設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。在增材制造中，復(fù)雜性通常是免費(fèi)的，最成功的零件盡可能多地利用這一公理。零件整合好處主要包括以下幾點(diǎn)：

減少裝配：這包括減少勞動(dòng)力，庫(kù)存，夾具/工具以及專(zhuān)用于最終產(chǎn)品的制造占地面積。裝配檢查也減少了，極大地減少了裝配錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。

減少故障點(diǎn)：長(zhǎng)期降低維護(hù)成本，并且可以減少更換部件的庫(kù)存。如果需要，可以快速且經(jīng)濟(jì)高效地進(jìn)行小批量更換。

降低運(yùn)營(yíng)成本：由于增材制造，通過(guò)設(shè)計(jì)自由度優(yōu)化零件，提高了產(chǎn)品性能，實(shí)現(xiàn)了零件輕量化和更好的熱性能等增強(qiáng)功能。

輕量化

對(duì)于用于飛行的設(shè)備來(lái)說(shuō)，“克克是黃金”，每減重一公斤，就能節(jié)約幾十萬(wàn)元的費(fèi)用。重量更輕的部件意味著更少的燃料，不僅可以減少飛行的碳排放，還可以降低飛行成本。

▲輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3D打印在傳統(tǒng)制造材料的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，在相同結(jié)構(gòu)件中，利用性能更優(yōu)異的3D打印材料配方，創(chuàng)造出更輕的最終零件。結(jié)合零件整合、3D打印拓?fù)鋬?yōu)化、晶格結(jié)構(gòu)等輕量化結(jié)構(gòu)，就特別有利于飛行器的輕量化設(shè)計(jì)，使它的功能密度更高。

提升設(shè)計(jì)自由度

許多從事增材制造工作者都喜歡宣稱該技術(shù)提供了極大的“設(shè)計(jì)自由度”，因?yàn)槭状慰梢詫?shí)現(xiàn)其他制造工藝無(wú)法制造的復(fù)雜幾何形狀。

過(guò)去設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的構(gòu)件很難制造或者成本非常高，甚至根本無(wú)法制造。利用增材制造工藝，可以用相對(duì)簡(jiǎn)單的方式生產(chǎn)高度復(fù)雜的二維或三維金屬部件，這是整體形成由實(shí)心和網(wǎng)格部分組成的結(jié)構(gòu)部件的可行方式。

拓?fù)鋬?yōu)化和生成式設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法，有效地助力了3D打印開(kāi)發(fā)出以前從未想過(guò)的新形狀。這些復(fù)雜的晶格設(shè)計(jì)不僅通過(guò)只在必要的地方加入材料來(lái)減輕重量，而且通常比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更堅(jiān)固。雖然某些限制仍然存在，并且可能因3D打印技術(shù)和使用的材料而異，但這些限制在許多方面都比傳統(tǒng)的減材制造工藝中看到的要少得多�？梢栽O(shè)計(jì)新的內(nèi)部和外部飛機(jī)部件來(lái)替換陳舊的原始部件，更靈活設(shè)計(jì)技巧來(lái)增加極端功能。

快速原型迭代

最初使用3D打印的命名就是：快速原型制作。從草圖創(chuàng)意到CAD設(shè)計(jì)再到第一個(gè)原型——然后是第二個(gè)、第三個(gè)等等——3D打印加快了新產(chǎn)品的上市時(shí)間。用傳統(tǒng)工藝制造渦輪葉片，期間需要開(kāi)模具，從設(shè)計(jì)到制造大約需要半年時(shí)間，而使用3D打印技術(shù)，可以在數(shù)天或數(shù)周內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速周轉(zhuǎn)和迭代。

小批量生產(chǎn)

在航空航天產(chǎn)業(yè)中，如按生產(chǎn)總量計(jì)算，與汽車(chē)或電器制造相比，生產(chǎn)的飛機(jī)數(shù)量相對(duì)較少。

高價(jià)值、小批量生產(chǎn)非常適合3D打印。許多傳統(tǒng)制造工藝需要制造昂貴的工具和模具，從而為大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造規(guī)模經(jīng)濟(jì)，而增材制造則不需要模具。一次可以制作一件或幾件——包括在同一構(gòu)建板上進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)——無(wú)需額外的成型或工具成本。

在傳統(tǒng)技術(shù)更具成本效益之前，增材制造與傳統(tǒng)制造的拐點(diǎn)通常需要制造成百上千個(gè)零件，雖然這可能最終將每個(gè)注塑成型零件的成本降低到幾分，但在那個(gè)交叉點(diǎn)之前，3D打印會(huì)更劃算。尤其是在使用高價(jià)值應(yīng)用材料時(shí)，節(jié)省材料勢(shì)在必行。

數(shù)字庫(kù)存

當(dāng)一架飛機(jī)接近其使用壽命的盡頭時(shí)，通�？梢酝ㄟ^(guò)更換某些部件來(lái)挽救它以使其繼續(xù)飛行。常規(guī)方式是通過(guò)使用實(shí)體倉(cāng)庫(kù)來(lái)完成的，這些備件在需要時(shí)存放在貨架上。在大多數(shù)情況下，這些備件是與原始批量生產(chǎn)的OEM零件同時(shí)制造的，并留待磨損零件的更換需求使用。但是，如果這種需求永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)，那么它們不僅會(huì)浪費(fèi)生產(chǎn)它們的時(shí)間和成本，還會(huì)浪費(fèi)它們?cè)谪浖苌洗娣哦嗄甑臅r(shí)間。更糟糕的是，如果需求來(lái)了，但備件卻缺貨，尤其是那些永遠(yuǎn)停產(chǎn)的——缺少一小部分可能會(huì)使飛機(jī)停飛。

數(shù)字庫(kù)存方法不是將商品物理地放在貨架上，而是存儲(chǔ)可以3D打印的設(shè)計(jì)文件。在可任何地方和時(shí)間，使用適當(dāng)?shù)?D打印技術(shù)制造那些需要替換的零件，并且同樣不需要事先生產(chǎn)昂貴的模具或工具。而不是等待OEM延遲，從而減少了實(shí)體庫(kù)存的壓力，同時(shí)還能延長(zhǎng)飛行壽命，而不至于因?yàn)槟硞�(gè)小部件導(dǎo)致無(wú)法再飛行。

— 借助3D打印飛得更高、更遠(yuǎn) —

飛機(jī)的生產(chǎn)，從原型到備件，越來(lái)越多地受益于供應(yīng)鏈中3D打印的使用。分散生產(chǎn)、新的設(shè)計(jì)可能性以及時(shí)間、材料和成本的減少正在為飛機(jī)保持高飛提供新的途徑。

增值制造工藝替代傳統(tǒng)制造，能夠節(jié)省模具成本，還能在多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)降本增效。3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，金屬、陶瓷、復(fù)合材料是3D打印領(lǐng)域的新興賽道。據(jù)Wohlers Associates Inc發(fā)布行業(yè)統(tǒng)計(jì)顯示，在3D打印下游應(yīng)用行業(yè)，汽車(chē)工業(yè)、消費(fèi)電子以及航空航天占比最大，金屬、陶瓷、復(fù)合材料將成為3D打印材料的“引爆點(diǎn)”。

在“中國(guó)制造2025”規(guī)劃背景下，3D打印成為我國(guó)推動(dòng)智能制造的主線，航空航天是增材制造重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前，在國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域，高馬赫數(shù)、高機(jī)動(dòng)性飛行器層出不窮并成為下一代航空航天飛行器的主要發(fā)展趨勢(shì)之一，它的設(shè)計(jì)需求對(duì)設(shè)計(jì)和制造工藝提出了更高的要求，其零部件大多數(shù)都具有尺寸大、異型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多的特點(diǎn)，3D打印技術(shù)在大尺寸零件一體化制造、異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造、批量定制結(jié)構(gòu)件制造方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

升華三維是目前國(guó)內(nèi)為數(shù)不多能提供金屬/陶瓷材料開(kāi)發(fā)制備、金屬/陶瓷3D打印機(jī)研發(fā)生產(chǎn)、切片軟件開(kāi)發(fā)到3D打印工藝、脫脂及燒結(jié)一整套金屬/陶瓷間接3D打印工藝鏈供應(yīng)商。目前已與航空航天應(yīng)用領(lǐng)域多個(gè)科研機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)合作，致力于提供高性能、輕量化、精細(xì)微結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬間接3D打印整體解決方案。