空客 A350飛機(jī)采用3D打印的鈦部件，你敢坐嗎？

正如很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為的一樣，金屬是3D打印技術(shù)最有有前景的應(yīng)用之一。根據(jù)南極熊3D打印網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)，3D打印的產(chǎn)值當(dāng)中，金屬占了大部分。

2015年12月14日，一個(gè)全球?qū)�業(yè)的金屬3D打印機(jī)廠商，德國Concept Laser 官方向南極熊透露，2014年出產(chǎn)的空客 A350飛機(jī)在全球的客機(jī)范圍內(nèi)，首次采用了3D打印的鈦部件。


飛機(jī)上采用了3D打印部件，你敢坐嗎？請(qǐng)你帶著這個(gè)問題，到下文尋找答案。


•        空客 A350 XWB 的連接件入圍“2014 年德國經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新獎(jiǎng)”終選
•        包括Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生在內(nèi)的三位項(xiàng)
        目合伙人在“2015德國未來獎(jiǎng)”中，被共同授予“最佳團(tuán)隊(duì)”的榮譽(yù)
•        3D打印技術(shù)正在飛機(jī)制造業(yè)中普及
•        未來 3D 金屬打印可實(shí)現(xiàn)“仿生”飛機(jī)構(gòu)造和輕量化結(jié)構(gòu)

金屬激光熔融技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)中的地位日益重要。更短的交付周期、更合適的部件和前所未有的成型自由度，這些都是選擇這一技術(shù)的重要依據(jù)。如今，該技術(shù)在飛機(jī)“輕量化結(jié)構(gòu)”和“仿生學(xué)”方面的突出表現(xiàn)，讓這一趨勢更加顯而易見：金屬激光3D打印技術(shù)正在改變我們的設(shè)計(jì)思維。在未來的飛機(jī)設(shè)計(jì)中，部件將能夠有針對(duì)性地吸收力線，同時(shí)又符合輕量化要求。耐久、節(jié)約資源、改善成本結(jié)構(gòu)，從而魚和熊掌可以兼得。

——利希滕費(fèi)爾斯（Lichtenfels），2015年 12 月 14 日

△空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架，入圍了“2014 年德國經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新獎(jiǎng)”的終選。該部件采用鈦（Ti）材料，運(yùn)用金屬激光熔融技術(shù)（LaserCUSING）打印而成。

Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生、漢堡空客新興技術(shù)與概念負(fù)責(zé)人Peter Sander先生和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）共同參與了空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架3D金屬打印項(xiàng)目的研發(fā)和生產(chǎn)。以前，該部件由鋁（Al）材銑削加工而成�，F(xiàn)在，它則可以用鈦（Ti）材料打印而成，減重幅度大于 30%。

空客 A350 XWB 的連接件采用3D打印的生產(chǎn)方式，在2014年入圍了“2014 年德國經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新獎(jiǎng)”的最終評(píng)選。評(píng)審團(tuán)的評(píng)定意見：這種跨行業(yè)的開發(fā)形式，徹底改變了飛機(jī)構(gòu)件的制造方式和民用飛機(jī)的“輕量化”途徑；2015年12月2日，參與該項(xiàng)目的三位成員在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎(jiǎng)”中，又被共同授予“最佳團(tuán)隊(duì)”的榮譽(yù)稱號(hào)，并接受了由德國總統(tǒng)親自頒發(fā)的榮譽(yù)證書。



△Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生（右一）、漢堡空客新興技術(shù)與概念負(fù)責(zé)人Peter Sander先生（左一）和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（左二）于2015年12月2日，在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎(jiǎng)”中，又被共同授予“最佳團(tuán)隊(duì)”的榮譽(yù)稱號(hào)，并接受了由德國總統(tǒng)Joachim Gauck（右二）親自頒發(fā)的榮譽(yù)證書。[圖片來源：Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]

新的飛機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)方法
支持在飛機(jī)制造業(yè)中采用金屬激光熔融技術(shù)的論點(diǎn)是，自由成型和減重。其中“輕量化”特點(diǎn)可有效幫助航空公司在飛機(jī)運(yùn)營中取得更為經(jīng)濟(jì)的效果。固定元件（托架）所能取得的減重效果，將有助于實(shí)現(xiàn)更低的燃料消耗，或者提升飛機(jī)的裝載能力。設(shè)計(jì)新的飛機(jī)時(shí)，需要用到成千上萬個(gè)小量制造的 FTI（飛行測試安裝）托架。金屬3D打�。↙ayer Manufacturing）方法不僅可以幫助設(shè)計(jì)人員快速生產(chǎn)出新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而且生產(chǎn)出的部件重量要比常規(guī)的鑄造件或者銑削件輕 30% 以上。此外，金屬激光3D打印工藝直接以 CAD 數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，省略了模具，降低了成本，讓部件可以更快的速度投入使用，最多可節(jié)省 75% 的時(shí)間。同時(shí)，利用該工藝無模具的特點(diǎn)，在早期即可制造出具有接近量產(chǎn)部件特性的原型件，極大節(jié)省模具成本�；�于此，采用金屬激光3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)早期就可發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤原因并優(yōu)化項(xiàng)目流程。漢堡空客新興技術(shù)與概念負(fù)責(zé)人Peter Sander先生介紹說：“以前，進(jìn)行部件開發(fā)時(shí)，我們需要安排大約六個(gè)月的時(shí)間，現(xiàn)在只需要一個(gè)月�！�

“綠色技術(shù)”節(jié)約資源
飛機(jī)零件在銑削過程中會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 95% 的可回收廢料。而采用激光熔融技術(shù)，操作者不僅可得到“接近最終輪廓的部件”，且廢料只有約 5%�！霸陲w機(jī)制造業(yè)中，我們將其稱為‘成品原料比’（buy to fly ratio），90% 在這里是一個(gè)了不起的數(shù)值。在對(duì)能量效率進(jìn)行衡量時(shí)，這一數(shù)值當(dāng)然也體現(xiàn)出積極的一面�！睗h堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）說。尤其是應(yīng)用在像鈦這樣的高級(jí)且昂貴的飛機(jī)制造材料上時(shí)，這種方法更具吸引力。無模具的制造方法節(jié)約了時(shí)間，改善了成本結(jié)構(gòu)，有針對(duì)性的能源投入和節(jié)約資源是激光熔融技術(shù)的一大特點(diǎn)。位于德國利希滕費(fèi)爾斯地區(qū)的Concept Laser 有限公司首席執(zhí)行官 Frank Herzog先生認(rèn)為：“LaserCUSING 是一項(xiàng)‘綠色技術(shù)’，可改善制造過程中的生態(tài)足跡。”

飛機(jī)制造是變革的動(dòng)力
一般來說，在小量乃至中等數(shù)量的生產(chǎn)中，激光熔融技術(shù)總能帶來有利的制造成本效應(yīng)。Peter Sander先生介紹：“在飛機(jī)制造過程中，若要實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，每一批次產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的大小比大批量生產(chǎn)更為重要�！倍�采用激光熔融技術(shù)無需高額的鑄模投資成本和模具成本。此外，激光3D打印方法還可提供比常規(guī)制造方法更高的造型自由度。像制作凹槽和內(nèi)部的通道，例如冷卻通道。在航空工業(yè)中，飛機(jī)制造商已經(jīng)在考慮用該工藝生產(chǎn)電子設(shè)備的冷卻元件和智能的液壓部件。Emmelmann 教授（工程博士）說：“我覺得這種技術(shù)尤其對(duì)一米以下的構(gòu)件，以及推進(jìn)裝置區(qū)域的部件來說具有巨大潛力�！彪m然在未來，人們可能窮盡物理的邊界，創(chuàng)造出更加能夠提升部件尺寸的接合方法。但激光熔融技術(shù)首次將前所未有的幾何形狀與功能性聯(lián)系在一起，依然成為目前最吸人眼球的技術(shù)。該技術(shù)可以讓部件內(nèi)的能量通量在 CAD 設(shè)計(jì)階段就能夠非常精確地確定�？偟膩碚f，利用激光熔融技術(shù)能夠開發(fā)出的安全性部件，比今天的部件更好、更輕且壽命更長。此外，材料特性稍有不同，Emmelmann 教授（工程博士）表示：“激光3D打印的材料具有更高的強(qiáng)度，雖然延展性較低，但經(jīng)過正確的熱處理之后，還是可將其重新提升�！�

備件供應(yīng) 2.0：及時(shí)、分散且“按需供應(yīng)”
“創(chuàng)成式航空”的另一個(gè)關(guān)聯(lián)應(yīng)用是在備件領(lǐng)域：未來將可分散地、“根據(jù)需求”貼近應(yīng)用地制造備件，而且還無需模具。在部件出現(xiàn)故障的情況下，可以直接現(xiàn)場制造備件。因此，分散式的制造網(wǎng)絡(luò)將可能興起，使得全球性戰(zhàn)略和地區(qū)性戰(zhàn)略能夠成為現(xiàn)實(shí)。這樣可以最大化地縮小運(yùn)輸距離，更重要的是可以縮短供應(yīng)時(shí)間。 其結(jié)果是，維護(hù)造成的飛機(jī)停運(yùn)時(shí)間和檢查時(shí)間將縮短。對(duì)于現(xiàn)在因?yàn)轱w機(jī)壽命周期長，而不可避免地建設(shè)大型備件倉庫儲(chǔ)備那些極少使用的零件的現(xiàn)狀，在未來將可以緩解，這些倉庫的規(guī)�？擅黠@縮小。不僅減少了資金占用，提高了操作靈活性，更重要的是讓安全性部件更快地投入使用。在航空業(yè)都面臨成本壓力的情況下，這具有極大的吸引力。

部件設(shè)計(jì)或者產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)
采用金屬激光熔融技術(shù)可制造出極為精細(xì)的結(jié)構(gòu)，甚至是骨狀的，也就是多孔的結(jié)構(gòu)�！耙虼�，未來的飛機(jī)部件將是‘仿生’的�！盓mmelmann 教授（工程博士）估計(jì)。自然界在數(shù)百萬年間優(yōu)化發(fā)展了各種功能原理和輕量化原理，巧妙地將資源投入最小化，這些都是值得效仿的�？湛凸�司目前正在有組織地對(duì)這些自然解決方案的適用性進(jìn)行分析。通過“智能曝光策略”，可以有針對(duì)性地往部件投射激光，讓其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和表面質(zhì)量達(dá)到要求。Peter Sander先生介紹說：在考慮了所有相關(guān)安全要求的情況下，首批原型體現(xiàn)出了仿生法的巨大潛力。這種方法可能會(huì)帶來設(shè)計(jì)和制造方面的某種思想轉(zhuǎn)變�！�

疲勞強(qiáng)度作為特性參數(shù)
“目前的技術(shù)極限是因表面質(zhì)量的妥協(xié)而產(chǎn)生的，但該質(zhì)量仍然與鑄造部件的表面質(zhì)量具有可比性。”Emmelmann 教授（工程博士）說。這會(huì)導(dǎo)致材料的疲勞強(qiáng)度嚴(yán)重下降，例如鈦。而它恰恰是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中高負(fù)荷構(gòu)件的關(guān)鍵特性參數(shù)。在這里，人們必須考慮飛機(jī)在極長的壽命周期中（＞30 年）要承受的高負(fù)荷。但是，通過下游的表面處理，例如微噴砂，以及經(jīng)過正確的熱處理之后，疲勞強(qiáng)度將顯著提高。Emmelmann 教授（工程博士）說：“最終結(jié)果是，達(dá)到了軋制材料的疲勞強(qiáng)度值�！�

質(zhì)量是重要的參數(shù)
對(duì)于飛機(jī)制造商來說，部件制造階段的質(zhì)量控制是最重要的工業(yè)化模塊之一。Peter Sander先生介紹：“帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質(zhì)量管理模塊的內(nèi)嵌過程監(jiān)控（Inline Process Monitoring）系統(tǒng)，可以在一個(gè) 1x1 mm2 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進(jìn)行監(jiān)控，并將這個(gè)過程記錄下來�！痹诓考�制造過程中，諸如 QMmeltpool、QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser 這樣的質(zhì)量管理模塊是主要的主動(dòng)質(zhì)保工具。它們對(duì)激光功率、熔池、金屬粉末的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，并且不間斷監(jiān)控以及記錄整個(gè)制作過程。質(zhì)量管理模塊的另一個(gè)特征是，在封閉系統(tǒng)中工作，以保證監(jiān)控過程無塵、無污染。這樣可消除對(duì)過程可能產(chǎn)生負(fù)面影響的所有干擾因素。Frank Herzog先生對(duì)此說道：“今天，我們可以說這是一種受控、具有重復(fù)精度和過程穩(wěn)定的制造方法。”Emmelmann 教授（工程博士）強(qiáng)調(diào)：“質(zhì)量管理模塊讓我們能夠監(jiān)控并記錄重要的數(shù)據(jù)，例如激光參數(shù)、熔池特性以及保護(hù)氣體的成分。污染導(dǎo)致的干擾變量可以減弱。在最新的一個(gè)研究項(xiàng)目中，我們正在開發(fā)自己的質(zhì)保方案，光學(xué)相干斷層掃描是其基礎(chǔ)之一�！�



△帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質(zhì)量管理模塊的內(nèi)嵌過程監(jiān)控（Inline Process Monitoring）系統(tǒng)，可以在一個(gè) 1x1 mm2 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進(jìn)行監(jiān)控，并將這個(gè)過程記錄下來。[圖片來源：Concept Laser]

備注：
飛機(jī)要承受的干擾變量或者負(fù)荷
如果客機(jī)在長達(dá) 30 多年的壽命周期內(nèi)一直處于運(yùn)行狀態(tài)。飛機(jī)在運(yùn)行中要面臨各種各樣且極其復(fù)雜的負(fù)荷。例如，除了基本的靜態(tài)負(fù)荷之外，飛機(jī)還要承受地面運(yùn)行和飛行之間的極端溫度波動(dòng)。關(guān)鍵的是持續(xù)性負(fù)荷，它們對(duì)所涉部件的要求最高，如飛機(jī)的起降，持續(xù)的在渦流中飛行等情況，其中在渦流中飛行可導(dǎo)致翼尖產(chǎn)生數(shù)米的彎曲。但是，在設(shè)計(jì)固定構(gòu)件（托架）的時(shí)候，首先要考慮的只是靜態(tài)負(fù)荷。

背景信息     

關(guān)于Concept Laser
Concept Laser 有限公司是一家來自利希滕費(fèi)爾斯（Lichtenfels，德國）的獨(dú)立企業(yè)。公司自 2000 年成立以來，一直都是激光熔融技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新推動(dòng)者，憑借獲得專利的 LaserCUSING® 技術(shù)從事跨行業(yè)的經(jīng)營活動(dòng)。

LaserCUSING® 這個(gè)詞由 CONCEPT（概念）的 C、Laser（激光）和英語 FUSING（熔融）組成，描述的是這樣一種技術(shù)：使用 3D CAD 數(shù)據(jù)逐層生成部件的熔融技術(shù)。該方法可在不使用模具的情況下制造出復(fù)雜幾何形狀的部件，而這是常規(guī)制造方法很難或根本無法做到的。

利用 LaserCUSING® 技術(shù)既可以制造帶有貼近輪廓的冷卻系統(tǒng)的模具嵌件，也可以直接制造飾品、醫(yī)療、牙科、汽車、航空航天行業(yè)用的部件。原型件和量產(chǎn)件皆可制造。
公司可提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和客戶定制的金屬激光熔融設(shè)備方案。在 Concept Laser 公司，全方位服務(wù)（Full Service）這一選項(xiàng)意味著：客戶可以購買金屬激光熔融設(shè)備，也可以直接利用公司的服務(wù)和開發(fā)能力。

Concept Laser 的激光加工設(shè)備可加工不銹鋼、熱作鋼、鈷鉻合金、鎳基合金粉末材料以及像鋁合金和鈦合金這樣的活性金屬粉末材料。公司也可提供用于制作飾品的貴金屬，例如金合金或者銀合金。

LaserCUSING® 為眾多行業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和速度方面開辟了新的前景，這些行業(yè)包括：
•        醫(yī)療和牙科
•        航空航天工業(yè)
•        刀具與模具制造
•        汽車制造與賽車運(yùn)動(dòng)
•        飾品
•        機(jī)械制造

這些設(shè)備可縮短開發(fā)時(shí)間并明顯減少開發(fā)成本，同時(shí)在產(chǎn)品開發(fā)過程中又具有明顯更高的靈活性。

Concept Laser 公司的高質(zhì)量要求、經(jīng)驗(yàn)水平和參考案例彰顯了其解決方案的工藝穩(wěn)定性和成本效益，這些方案的效率也經(jīng)過了日常生產(chǎn)的證實(shí)并以降低單位成本為首要目標(biāo)。


關(guān)于空客公司
空客公司是領(lǐng)先的民用飛機(jī)制造商，針對(duì) 100 座以上飛機(jī)的市場具有最現(xiàn)代化、最經(jīng)濟(jì)的民航機(jī)系列。作為創(chuàng)新技術(shù)的引領(lǐng)者，空客推出了幾個(gè)世界上最經(jīng)濟(jì)、最安靜的機(jī)型。

在過去的 40 年，空客作為技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，以其鮮明的客戶導(dǎo)向、全面的商業(yè)知識(shí)和高制造效率的特點(diǎn)，占據(jù)著行業(yè)的領(lǐng)先位置。今天，這家管理著新組建的“空客集團(tuán)”的企業(yè)，收獲了大約一半的民航機(jī)新訂單。空客全面的產(chǎn)品類型由多個(gè)成功的飛機(jī)系列構(gòu)成，載客量從 100 座到 500 座不等。它們是單通道的 A320 系列，其中 A320neo 是航空歷史上最成功的機(jī)型；A330 遠(yuǎn)程寬體飛機(jī)系列（有貨運(yùn)版本和基于 A330 的 MRTT 版本）；全新的 A350 XWB 系列以及雙層的 A380。空客獨(dú)特的系列機(jī)型方案確保了所有空客飛機(jī)在機(jī)身、機(jī)載系統(tǒng)、駕駛艙和飛行性能方面有高度的一致性。這讓航空公司的運(yùn)營成本大大降低。空客公司通過全面的、準(zhǔn)確符合世界各運(yùn)營商要求的服務(wù)，積極且有針對(duì)性地幫助航空公司提高其空客機(jī)隊(duì)的盈利能力。

空客總部位于法國圖盧茲。這家全球運(yùn)營的集團(tuán)在美國、中國、日本、印度和近東地區(qū)擁有全資子公司，且在漢堡、法蘭克福、華盛頓、北京、迪拜和新加坡設(shè)有備件中心�？湛凸�司在圖盧茲、邁阿密、漢堡、班加羅爾和北京也設(shè)立了培訓(xùn)中心，并在全球擁有 150 多個(gè)駐外辦公室。另外，空客還與全世界的重要企業(yè)進(jìn)行工業(yè)合作并建立伙伴關(guān)系，并且組建了一個(gè)由 20 多個(gè)國家的大約 2000 家供應(yīng)商（僅供應(yīng)飛機(jī)零件）組成的網(wǎng)絡(luò)。

作為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，空客正努力成為一家生態(tài)高效型企業(yè)。因此，空客成為世界上首家其所有制造基地和產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期內(nèi)獲得 ISO 標(biāo)準(zhǔn) 14001 環(huán)境認(rèn)證的航空企業(yè)�？湛拖Ｍ�確保航空交通保持其生態(tài)效率，讓經(jīng)濟(jì)效益給環(huán)境帶來的影響越來越小。


關(guān)于LZN Laser Zentrum Nord 有限公司
LZN Laser Zentrum Nord 有限公司成立于 2009 年，是一個(gè)面向應(yīng)用的激光技術(shù)能力中心。 作為世界上最現(xiàn)代化的激光技術(shù)中心之一，LZN 公司將自己視為基礎(chǔ)研究與工業(yè)應(yīng)用的紐帶，并為企業(yè)持續(xù)增強(qiáng)其競爭力指引未來的方向。在優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)流程與生產(chǎn)流程的時(shí)候，公司以“Engineering in Light – Photonic Solutions for Resource Efficient Products”（光工程 - 資源節(jié)約型產(chǎn)品的光子解決方案）為指導(dǎo)，充分利用其創(chuàng)新潛力，確保產(chǎn)品開發(fā)和流程開發(fā)具有質(zhì)量、成本和時(shí)間優(yōu)勢。

激光技術(shù)這種跨領(lǐng)域的技術(shù)在不同行業(yè)中有著眾多的應(yīng)用可能性。因此，LZN 有限公司的研究與開發(fā)活動(dòng)涵蓋了整體流程乃至成品。公司寬泛的開發(fā)與咨詢服務(wù)涉及多個(gè)領(lǐng)域的合作，尤其是以下激光專業(yè)領(lǐng)域：機(jī)器人輔助鈑金加工（RoLAS）、造船（ShipLAS）、模具與機(jī)械制造（ToolLAS）、醫(yī)療產(chǎn)品制造（MedLAS）、合成材料的處理與加工（SynLAS）和創(chuàng)新型輕量結(jié)構(gòu)，例如航空工業(yè)（AirLAS）中的輕量結(jié)構(gòu)。2014 年，公司又增加了一項(xiàng)“Light Alliance”（光聯(lián)盟）工業(yè)工作小組服務(wù)�！癓ight Alliance”讓企業(yè)有機(jī)會(huì)在具有代表性的展示部件基礎(chǔ)上，具體掌握和實(shí)現(xiàn)“Light Engineering”（光工程），并與來自工業(yè)和研究領(lǐng)域的專業(yè)伙伴一起開發(fā)未來 3D 激光生產(chǎn)技術(shù)市場。

LZN 有限公司與漢堡工業(yè)大學(xué)激光與設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)研究所（iLAS）聯(lián)系緊密。