3D打印一步解決 航空航天制造的難題

航天航空技術(shù)是當(dāng)今世界最具影響力的高新科技之一，而航天航空制造技術(shù)是航天航空技術(shù)的重要組成部分，其發(fā)展水平對(duì)于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈和航天器等航天航空產(chǎn)品的可靠性增強(qiáng)與使用壽命延長(zhǎng)，綜合技術(shù)性能的完善，研制和生產(chǎn)成本的降低，甚至總體設(shè)計(jì)思想能否得到具體實(shí)現(xiàn)，均起著決定性作用。而3D打印技術(shù)的首要應(yīng)用領(lǐng)域的就航空航天領(lǐng)域，例如飛機(jī)機(jī)翼的制造、復(fù)雜零部件制作、無人駕駛航空系統(tǒng)等等方面。

下面為大家介紹一下3D打印技術(shù)如何航空航天領(lǐng)域發(fā)光發(fā)彩的。

1近距離了解CE通過3D打印的飛機(jī)殷勤
要說3D打印在渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用突破莫過于GE要在2018年試飛的ATP飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)了。這為通過增材制造可以實(shí)現(xiàn)的可能性打開了新的空間。 GE公司先進(jìn)的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP）發(fā)動(dòng)機(jī)中，三分之一以上的部件是由3D打印來完成的，其額定功率為1300馬力，該發(fā)動(dòng)機(jī)為Textron Aviation推出的10人座商用飛機(jī)Cessna Denali提供動(dòng)力。本期，與網(wǎng)友一起近距離來了解這款發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。
與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同的是，渦輪螺旋槳飛機(jī)通常為小型商業(yè)飛行器和個(gè)人飛機(jī)提供動(dòng)力，但這仍然代表著數(shù)十億美元的市場(chǎng)。基于3D打印技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)師將855個(gè)獨(dú)立部件減少到12個(gè)。不僅如此，3D打印通過降低ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的重量來降低成本。發(fā)動(dòng)機(jī)輕5％，這意味著它將使飛機(jī)減少燃油消耗，此外設(shè)計(jì)變更將使ATP的發(fā)動(dòng)機(jī)提高燃油燃燒效率，從而能夠減少20％的燃油消耗，并且比傳統(tǒng)加工方式制造的發(fā)動(dòng)機(jī)多10％的功率。

GE ATP計(jì)劃負(fù)責(zé)人Gordie Follin說：“這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是革命性的。因?yàn)镚E將大型商業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)中驗(yàn)證的最先進(jìn)的技術(shù)移植到渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造中來。”

ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的革新之處包括3D空氣動(dòng)力學(xué)、可變定子葉片和完全集成的數(shù)字引擎和螺旋槳控制系統(tǒng)。 Follin說：“我們正在使得Textron可以擁有更高的動(dòng)力以承載更大、更豪華的客艙，并且發(fā)動(dòng)機(jī)提供滿足客戶期望的巡航速度，并且飛行員將坐在更簡(jiǎn)潔明快的噴氣式駕駛艙中�！�

經(jīng)過十多年的研究和開發(fā)，GE通過幾個(gè)流程的銜接來生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)零件，包括直接金屬激光熔化3D打印技術(shù)。由于3D打印非常適合加工高度復(fù)雜的零件，這使得ATP發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)減少了約30％的零件，同時(shí)減少了發(fā)動(dòng)機(jī)制造中涉及的組裝步驟和檢查次數(shù)。通過完全消除接頭的需要，該設(shè)計(jì)還消除了接頭損失和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

GE的子公司Avio Aero的工程主管Giorgio Abrate說：“這不是簡(jiǎn)單地用另一種方法替代一種生產(chǎn)方法，而是重新設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的方式�！背�了大量的采用增材制造技術(shù)之外，ATP還是世界上第一個(gè)“數(shù)字原生”航空發(fā)動(dòng)機(jī)。 ATP的設(shè)計(jì)師不是依靠2D原理圖，而是使用先進(jìn)的3D建模。引擎中的傳感器將收集數(shù)據(jù)，并允許用戶構(gòu)建所謂的ATP數(shù)字雙胞胎。此外，引擎的虛擬模型將會(huì)根據(jù)實(shí)際情況來考慮磨損，幫助操作人員預(yù)測(cè)正確的維護(hù)時(shí)間，從而使得飛機(jī)將更多的時(shí)間用于飛行。該發(fā)動(dòng)機(jī)還將配備通過單個(gè)控制桿控制發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的技術(shù)，使得飛行員能夠像駕駛噴氣式飛機(jī)一樣來駕駛Denali飛機(jī)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，燃燒室和許多結(jié)構(gòu)元件通過3D打印技術(shù)來完成，這帶來更簡(jiǎn)潔、更輕和更緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)，具有最佳的16:1的工業(yè)級(jí)總壓力比（OPR ）。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，這使其能夠節(jié)約15％的燃料（僅僅通過設(shè)計(jì)提高的燃料燃燒效率帶來的節(jié)約）和提高10％的巡航功率。
總的來說，3D打印技術(shù)完成了目前Denali發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的部件，包括ATP的動(dòng)力齒輪箱。不僅如此，3D打印技術(shù)還使得設(shè)計(jì)工程師能夠采用以前無法使用的材料組合，包括新的合金。

3D打印技術(shù)也用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)ATP燃燒器，其圍繞式逆流配置，從而最大限度地縮短發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度，同時(shí)改善整體發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和安裝。并且3D打印還以更低的成本使得工程師對(duì)大量的設(shè)計(jì)概念進(jìn)行原型制造和功能測(cè)試，這一過程如果通過傳統(tǒng)的常規(guī)制造過程將耗費(fèi)過高的時(shí)間和成本。
此外，ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)來自世界各地，包括GE位于意大利、波蘭、德國和捷克共和國。ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的正式生產(chǎn)將于明年開始，搭載ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的Cessna Denali預(yù)計(jì)在2019年底將從跑道起飛。

2.3D打印創(chuàng)造新世界
3D打印技術(shù)出現(xiàn)前，我們想象不到也從未體驗(yàn)過三維物體被打印出來的奇妙感覺。而現(xiàn)在，這一切都近在眼前。

近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了全新碳纖維3D打印技術(shù)，通過他們開發(fā)出的全新微擠出技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了航空級(jí)碳纖維復(fù)合材料的3D打印，該實(shí)驗(yàn)室成為全球最先取得這一成就的機(jī)構(gòu)。眾所周知，碳纖維被稱為“未來的超級(jí)材料”，強(qiáng)度非常高，但重量卻很輕，同時(shí)具備極高的耐熱性和極佳的導(dǎo)電能力，所以在很多方面都大有用武之地，但將它制成復(fù)雜形狀卻不容易。這項(xiàng)新技術(shù)成功擺脫了束縛，能夠打印出高性能飛機(jī)機(jī)翼、單側(cè)絕緣衛(wèi)星組件以及絕緣可穿戴設(shè)備等。

除了能印出航空航天領(lǐng)域的高精度組件外，3D打印技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)重金屬的打印。此前，德國聯(lián)邦教育研究部就與全球知名的機(jī)器人制造商合作啟動(dòng)了一項(xiàng)新的金屬3D打印項(xiàng)目。此項(xiàng)目會(huì)重點(diǎn)研究激光金屬沉積技術(shù)，然后將其與工業(yè)級(jí)機(jī)械臂融合，最終開發(fā)出一種能在復(fù)雜表面打印多種材料、打印速度達(dá)到每小時(shí)1至2千克的更強(qiáng)金屬3D打印系統(tǒng)。

在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也能為人們做出貢獻(xiàn)，可謂骨折病人的“福音”。日前，世界首款3D打印用低溫?zé)崴苄院牟脑谟�國問世。英國某公司研發(fā)出了世界上第一款可以3D打印用低溫?zé)崴苄院牟模�可以使骨折病人的傷病處理狀況得到改善。這種化合物在一定溫度時(shí)可以重新變成合適的形狀，而這種變形在人體溫度下不會(huì)發(fā)生。醫(yī)生可以利用這種增材制造的方式為病人打印假體、夾板等醫(yī)用設(shè)備，并可以為特殊病人進(jìn)行定制，確保病人有安全舒適的體驗(yàn)。

打印玩出新花樣，3D離我們的生活不再遙遠(yuǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，3D打印將被應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域，創(chuàng)造更多價(jià)值。

來源：國際金屬加工網(wǎng)
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