3D打印将进军飞机制造行业,因为可以变得更快更便宜!

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美国亚利桑那州凤凰城,霍尼韦尔总部增材制造技术中心,《第一财经日报》记者在一间干净而不大的生产车间,拿到了一包长宽高都不到十厘米的小样件,包括一个等比例缩小后的发动机模型、一个网格状的立方体、一个横切面和一个钥匙链。

这些都是霍尼韦尔通过3D打印出来的零部件,最近几年,如何将3D打印技术应用于生产飞机零部件,是DonaldGodfrey一直在从事的工作。

DonaldGodfrey是霍尼韦尔航空航天集团研究员级工程师,就在去年,他见证了霍尼韦尔首次使用3D打印技术生产出了HTF7000发动机的一个部件,这一发动机型号广泛应用于一系列中远程公务机,包括在国内较为常见的达索猎鹰、庞巴迪挑战者、湾流等机型。今年,公司还计划将6~7个3D打印部件装入TPE331发动机。

尽管技术门槛非常高,但如今3D打印在航空制造业的研究已经开始由最初的实验室阶段逐步向实际使用阶段过渡。

降低时间成本

霍尼韦尔航空航天集团是从2010年进入3D打印领域的。2010年6月,霍尼韦尔首次采用718镍合金3D打印了一个切向注入喷嘴(TOBI),并将其安装在了霍尼韦尔飞行试验台上。2012年1月,霍尼韦尔使用同种材料打印了旋流发生器,并在客户的飞行试验台上进行了测试。

2015年1月,霍尼韦尔运用3D打印技术生产出了HTF7000发动机的一个部件。2016年内,公司计划将6~7个3D打印部件装入TPE331发动机。

看起来,3D打印飞机配件的进度并不快,对此,DonaldGodfrey对记者介绍,这是由于建立生产粉末、存储粉末、熔化粉末及后处理工艺的“固定流程”需要相当长的时间,因此日程安排成为了主要挑战之一,而且这一日程安排还需要获得美国联邦航空管理局(FAA)、客户,以及霍尼韦尔首席工程部门与霍尼韦尔营销部门的批准。“一旦获得了这些批准,只要使用同样的机器和粉末,打印其他部件将非常迅速,事半功倍。”

DonaldGodfrey介绍,无论使用何种机器,3D打印的工作原理都是通过软件建模,将要打印的部件切割成无数层切片,在此过程中,每一层实体切片需要不断与电脑建模的数字切片对比,发现偏差后进行修正。

霍尼韦尔是第一家使用电子束熔炼(EBM)技术(3D打印技术的一种),利用铬镍铁合金718这种镍基超合金生产航空航天零部件的企业。电子束熔炼技术使用的是电子束,而非被称为直接金属激光烧结(DMLS)的多次金属烧结/熔化过程中发现的激光束。

“电子束熔炼技术的优势有四个方面,不需要模具,可以减少时间成本,任何金属材质都可以加工,并且能够支持各种复杂的几何结构,设计上更为灵活。”DonaldGodfrey告诉记者,在霍尼韦尔看来,从严格意义上讲,电子束熔炼技术才是真正的3D打印技术。

之所以要花费精力研究多年,是因为3D打印飞机配件,不仅可以降低制造成本,还可以缩短生产和交付时间。

比如霍尼韦尔首次使用3D打印技术生产HTF7000镍基超合金发动机的管腔,就有望降低50%的制造成本。过去,通过传统工艺研制涡轮叶片的样件需要3年的时间,而如果采用了3D打印技术则仅需短短9周,与过去相比,为整个供应链节约了70%的时间。

“成本的节约来自于几个方面:一是在设计上可以将8个不同部件编号组合成只有1个部件编号;二是3D打印技术可以帮助航空制造商减少工装模具的使用,在生产少量样件时,设计也可以更加灵活,这使得生产零部件的固定投入成本大幅下降。”DonaldGodfrey对记者介绍,比如,用3D打印技术生产的燃烧室保护罩就可以降低40%的成本。此外,通过该技术还可以减轻零件的重量,这直接关系到飞机的燃油经济性。过去,对于大型复杂构件,制造商用传统工艺无法完成,就拆为几个部件,然后再进行组合,如今3D打印可以实现零部件一次成型,这不仅增加了零部件的强度,同时也减轻了零部件的重量。此外,3D打印技术还有助于提升零部件质量,提高流通合格率,减少库存。

大批量生产尚需时日

不过,包括DonaldGodfrey在内的多位霍尼韦尔人士都对记者坦陈,目前3D打印技术还主要用于产品原型设计和样品测试,并没有用于大批量生产。

DonaldGodfrey指出,目前采用3D打印技术生产部件可以节省时间,但成本更高,需要技术更广泛地推开才能降低成本。此外,航空器的组装过程也较为复杂,3D打印技术还不足以代替传统的组装程序,一些3D打印技术能够支持的部件大小有限。

“目前,增材制造在经济效率上还不能与更具经济型的简易铸造技术相匹敌。”DonaldGodfrey告诉记者,不过,在未来几年,霍尼韦尔等公司将开始打印而非铸造小批量但高价值的部件。“当客户所需的生产数量较低时,零部件制造的成本会迅速上涨,叠加制造则是解决这一问题的好办法,使用打印技术生产小批量铸件,可以节省客户的成本和时间。”

如今,霍尼韦尔正在四个增材制造技术中心开展3D打印飞机配件的研究,这四个技术中心分别位于美国凤凰城、印度班加罗尔、捷克布尔诺和中国上海。其中,上海的实验室可以打印出长宽高最大为25cm、25cm、32.5cm的部件。公司计划到2020年实现40%的部件都具备采用3D打印技术生产的能力。

正在研究3D打印技术应用到飞机上的不只是霍尼韦尔。在去年交付的A350采用了部分3D打印部件后,空客计划今年将把3D打印的客舱隔板装入客舱,并计划2018年为飞机机翼装上3D打印的扰流罩。

与高校合作也成为制造商们进行3D打印技术研究的共同模式。霍尼韦尔航空航天集团就与美国的4所大学签署了合作协议,波音、空客等民机整机制造商也都选择与大学进行合作,进行3D打印技术的研究。

值得一提的是,中国也已参与到该技术的研究中来。比如西北工业大学就与空客签署了合作协议,共同探索3D打印技术在航空领域的应用,项目重点研究激光3D打印技术在飞机部件制造中一次打印成型、减少加工余量以及材料在成型过程中变形等难题。西北工业大学凝固技术国家重点实验室承担样件制造,空客承担样件的测量和评估工作。

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