從波音量產(chǎn)的鈦合金部件看3D打印+后處理對(duì)商業(yè)化的重要性

波音公司于2017年就組建了新的波音增材制造（BAM）業(yè)務(wù)單元，以簡(jiǎn)化和加速增材制造在整個(gè)波音企業(yè)內(nèi)的應(yīng)用。波音為787 Dreamliner飛機(jī)啟動(dòng)了3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。這個(gè)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件是由波音公司設(shè)計(jì)的，使用的制造工藝為 Norsk Titanium 的快速等離子沉積™技術(shù)。而目前，這項(xiàng)技術(shù)正得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，究其原因不僅僅是3D打印發(fā)揮了重要作用，后處理技術(shù)所扮演的角色也同樣重要。

波音和Norsk Titanium最初的合作是自2016年開始的，當(dāng)初是試探性地合作，主要基于Norsk生產(chǎn)的零件是否能滿足波音的要求，然后是否符合聯(lián)邦航空管理局（FAA）的要求。Norsk Titanium先后滿足了這些嚴(yán)苛的條件。在結(jié)構(gòu)件研發(fā)的過程中，雙方共同改進(jìn)工藝，并進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的測(cè)試，最終在2017年2月獲得了首個(gè)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA認(rèn)證。

Norsk Titanium的快速等離子沉積技術(shù)屬于DED工藝，雖然與粉末床選擇性金屬熔融工藝不同的是，這種工藝并不適合加工十分復(fù)雜的幾何形狀，但是通過3D打印近凈形部件，然后再通過機(jī)加工將其加工到最終所需要的精度，可以縮短加工周期，減少材料浪費(fèi)并降低成本。

波音選擇使用快速等離子沉積™3D打印技術(shù)進(jìn)行鈦合金結(jié)構(gòu)件的近凈成形制造，該工藝了替代鍛造等傳統(tǒng)制造工藝。Norsk Titanium公司表示通過快速等離子沉積™技術(shù)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件，將最終為每架Dreamliner飛機(jī)節(jié)省200萬美元-300萬美元的成本。首批3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件在挪威完成制造，不久之后會(huì)轉(zhuǎn)移到美國Plattsburgh的工廠進(jìn)行生產(chǎn)，該工廠的規(guī)模為6220平方米，安裝9臺(tái)Norsk Titanium的快速等離子沉積™ 設(shè)備。

Norsk Titanium 通過3D打印技術(shù)制造的這些關(guān)鍵零部件標(biāo)志著波音可以通過增材制造實(shí)現(xiàn)的輔助成本效益：縮短交貨期，降低庫存要求，確保未來備件的連續(xù)性。 拿到FAA認(rèn)證，從而走向產(chǎn)業(yè)化的金屬3D打印，聽起來似乎順理成章。當(dāng)然這一切的實(shí)現(xiàn)并非僅僅完全基于3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，熱處理是另外一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)。

位于美國賓夕法尼亞州的熱處理專家Solar Atmospheres公司已經(jīng)成功地加工出了第一批經(jīng)過美國聯(lián)邦航空管理局FAA認(rèn)證的結(jié)構(gòu)增材制造的Ti-6Al-4V鈦合金零件。。Solar Atmospheres公司的真空熱處理爐消除應(yīng)力能夠滿足AMS 2801和其他OEM嚴(yán)格的規(guī)范要求。

Solar Atmospheres公司位于美國賓夕法尼亞州，從1993年起進(jìn)入粉末冶金行業(yè)，主要從事粉末冶金(P/M)制品的燒結(jié)加工及金屬注射成形的加工和研制。 Solar公司由Willion R. Jones創(chuàng)建于1983年公司擁有配套的20多種真空熱處理及加工設(shè)備，加工范圍涉及國防、航空航天、醫(yī)療、工模具、儀器、電子等行業(yè)。熱處理種類有退火、淬火、回火，還有真空中除氣，沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化處理以及氫化處理。此外，還可進(jìn)行石墨涂復(fù)，離子氮化處理和真空焊接等。所謂真空熱處理是工件在10-1~10-2Pa真空介質(zhì)中進(jìn)行加熱到所需要的溫度，然后在不同介質(zhì)中以不同冷速進(jìn)行冷卻的熱處理方法。

真空熱處理被當(dāng)代熱處理界稱為高效、節(jié)能和無污染的清潔熱處理。真空熱處理的零件具有無氧化，無脫碳、脫氣、脫脂，表面質(zhì)量好，變形小，綜合力學(xué)性能高，可靠性好（重復(fù)性好，壽命穩(wěn)定）等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，真空熱處理受到國內(nèi)外廣泛的重視和普遍的應(yīng)用。并把真空熱處理普及程度作為衡量一個(gè)國家熱處理技術(shù)水平的重要標(biāo)志。真空熱處理技術(shù)是近四十年以來熱處理工藝發(fā)展的熱點(diǎn)，也是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的重要領(lǐng)域。

根據(jù)美國金屬學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)、美國金屬處理研究院、美國能源部工業(yè)技術(shù)廳對(duì)美國熱處理工業(yè)2020年發(fā)展遠(yuǎn)景的預(yù)測(cè)，未來的熱處理工業(yè)要有一流的質(zhì)量，生產(chǎn)具有零變化率的產(chǎn)品零件，在整個(gè)工藝中，零分散度是典型的，能量利用率提高到80%，工作環(huán)境良好，清潔無污染，生產(chǎn)中采用標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，智能系統(tǒng)控制決定產(chǎn)品的性能，綜合技術(shù)的結(jié)果使工藝時(shí)間減少50%, 成本降低75%。

所有這些設(shè)想，為真空熱處理技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的舞臺(tái)和機(jī)遇。美國當(dāng)前產(chǎn)品熱處理生產(chǎn)中，真空熱處理占15%，這一發(fā)展趨勢(shì)今后將進(jìn)一步增長。

總之，3D打印與其他工藝的結(jié)合是企業(yè)尋求與應(yīng)用端深入結(jié)合的突破口。即使是GE能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)�；�的噴油嘴3D打印，其商業(yè)化之路上后處理技術(shù)和質(zhì)量檢測(cè)也發(fā)揮了極為關(guān)鍵的作用。脫離與其他工藝的結(jié)合，片面的談3D打印技術(shù)是當(dāng)前的一個(gè)普遍誤區(qū)，而走出誤區(qū)，才能擁抱產(chǎn)業(yè)化機(jī)會(huì)。

來源：3D科學(xué)谷

參考資料來源：航空制造網(wǎng)