來源:薊門鳶
增材制造(additive manufacturing,AM)是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎,通過材料堆積的方式制造零件或實物的工藝。這項由美國科學家CharlesHull于20世紀末提出的制造新技術,作為“決定未來經(jīng)濟的12大顛覆技術”之一,標志著從傳統(tǒng)制造邁向智能制造的巨大產(chǎn)業(yè)變革,引發(fā)了新的技術革命浪潮。經(jīng)過30多年的發(fā)展,增材制造已廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車工業(yè)和消費電子等領域。與傳統(tǒng)減材制造相比,增材制造集先進制造、智能制造、綠色制造等技術于一體,在縮短制造周期、降低制造成本、提高材料利用率等方面均有明顯優(yōu)勢,高度契合《中國制造2025》(國發(fā)〔2015〕28號)提出的綠色制造理念。工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、財政部和國家標準化管理委員會等多部委陸續(xù)發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃》(2015—2016年)、《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》(2017—2020年)、《增材制造標準領航行動計劃》(2020—2022年)等文件,大力推動增材制造技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應用。
一、增材制造的應用現(xiàn)狀
據(jù)Wohlers Report2022的統(tǒng)計數(shù)據(jù),在增材制造領域北美、歐洲和亞太呈三足鼎立的競爭態(tài)勢,增材制造設備的裝機量分別為34.9%、30.7%和28.4%,3個地區(qū)累計占全球裝機量的94%,其中美國、中國、日本和德國裝機量位列前四。當前,在民用航空領域,增材制造的應用主要集中在全新設計產(chǎn)品的定制、高性能零部件制造、高價值零部件修理等方面。
在全新產(chǎn)品的設計驗證階段,零部件的需求量過低,使用傳統(tǒng)制造方法制造原型或模具,成本過高,時間過長,不利于設計階段的產(chǎn)品快速迭代。增材制造更適用于小批量、個性化、定制化的特點,非常適用于設計階段的全新設計產(chǎn)品的原型定制。波音、空客、GE將增材制造作為戰(zhàn)略性技術之一開展布局,中國商飛在研制C919過程中,也大量開發(fā)研制增材制造零部件。
增材制造可生產(chǎn)傳統(tǒng)減材制造等無法實現(xiàn)的復雜幾何結構件,滿足民用航空器對結構高強度、低重量、高安全性的要求,能夠在保證性能的前提下大幅減輕部件質(zhì)量,實現(xiàn)提升航空器性能并節(jié)省航空燃油費用的目的。例如GE公司采用選擇性激光熔化(selective laser melting, SLM)增材制造技術,將LEAP發(fā)動機燃油噴嘴從傳統(tǒng)制造的20個零件減少為1個零件,重量減少25%,壽命延長5倍。
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2023-12-20 09:53 上傳
在航空高價值零部件修理領域,基于增材制造技術的再制造,可最大限度開發(fā)和利用待報廢零部件的價值,并減少失效、報廢零部件對環(huán)境的危害,實現(xiàn)綠色制造。例如美國從事增材制造的公司Optomec與機器人系統(tǒng)公司ACME共同開發(fā)出了工業(yè)界首個用于維修航空發(fā)動機鈦合金壓氣機葉片的自動化工作單元。自2021年開始,Optomec公司連續(xù)獲得美國空軍的合同,基于激光近凈成形(laser engineered netshaping,LENS)技術修理噴氣發(fā)動機部件。
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在中國,湖北超卓航空科技股份有限公司的《鋁合金、鎂合金材質(zhì)零部件的冷噴涂修復工藝規(guī)程》于2023年獲得民航中南地區(qū)管理局的批準,這是冷噴涂固態(tài)增材制造技術在中國民航維修行業(yè)的首次應用。
二、增材制造給民用航空帶來的機遇與挑戰(zhàn)
工信部裝備工業(yè)發(fā)展中心總工程師左世全在“增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展(廣州)暨2023年增材制造產(chǎn)業(yè)年會”上的報告《增材制造十年發(fā)展及展望》指出,在2012—2022年間我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模從10億元增至320億元,并有望于2023年超過400億元,于2027年超過1 000億元!丁笆奈濉泵裼煤娇瞻l(fā)展規(guī)劃》提出“民用航空加快向高質(zhì)量發(fā)展轉型”,要求把握住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略契機,強化科技自立自強和創(chuàng)新引領,積極應對資源環(huán)境約束。增材制造作為當前最具發(fā)展前景的新型制造技術,較好地契合了民用航空高質(zhì)量發(fā)展轉型需求。特別是在民用航空器維修領域,對增材再制造零件適航認證的難度相對全新設計制造低,推進增材制造技術在零部件修理或自制方面的應用,不僅可以突破歐美航空強國建立的資金、技術壁壘,有效降低航空運營人的成本,還可以培養(yǎng)起一批航空零部件制造和再制造企業(yè),為未來可能面臨的“卡脖子”儲備資源。
作為一項全新的技術,增材制造像多年前的復合材料一樣,給民用航空管理機構認證帶來了新的挑戰(zhàn)。如何控制增材制造工藝過程,實現(xiàn)增材制造零件的性能可靠和一致是當前各國民用航空管理機構關注的重點。美國聯(lián)邦航空局(FAA)自2015年開始贊助增材制造相關研究并舉辦年度研討會,歐洲航空安全局(EASA)也在同一時期舉辦相關會議,并于2018年開始與FAA輪流舉辦“FAA-EASA行業(yè)監(jiān)管機構年度增材制造活動”,以推動增材制造零部件在民用航空業(yè)的使用,促進關鍵利益相關群體,包括政府機構、標準組織、學術界和民用航空行業(yè)機構之間的技術對話和知識共享。為推進增材制造在民用航空領域的應用,建議民航管理機構重點開展以下4個方面的工作。
(1)建立增材制造的標準和評估方法。
標準化是保證增材制造產(chǎn)品質(zhì)量,推動增材制造技術進步和創(chuàng)新的有效手段。國際標準化組織(ISO)增材制造標準委員會與美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)合作,于2018年至2022年發(fā)布了一系列關于增材制造的標準。FAA也與美國汽車工程師學會(SAE)、航空航天工業(yè)協(xié)會(AIA)、美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)、美國焊接協(xié)會(AWS)、增材制造標準化合作組織(AMSC)等機構合作,推動增材制造的標準化,制定適用于民用航空產(chǎn)品的增材制造認證準則。在中國,全國增材制造標準化技術委員會于2016年成立,發(fā)布了10余份增材制造標準,涵蓋術語和定義、成型工藝、測試方法、質(zhì)量評價等。針對民用航空產(chǎn)品的認證,F(xiàn)AA為制造機構和維修機構的局方檢查員發(fā)布了指導材料,并對風險較高的增材制造應用項目根據(jù)不同的產(chǎn)品類型進行監(jiān)控。
(2)建設增材制造零件的審定體系。
增材制造零件和傳統(tǒng)鍛造或鑄造零件在成形工藝、顯微組織、力學性能、缺陷類型等方面均有差異,增材制造零部件是否能夠安全可靠地在民用航空中使用,需要通過一個完整的審定流程。美國AIA在FAA的要求下,發(fā)布了《增材制造部件認證推薦指南》,對材料、工藝、零件、系統(tǒng)認證以及當前工業(yè)界的最佳經(jīng)驗進行了總結。FAA也于2016年發(fā)布了《關于在飛機、發(fā)動機、螺旋槳和電子設備維修和改裝中使用增材制造的通知》,介紹了相關使用情況。EASA發(fā)布了關于增材制造的認證備忘錄,對在EASA認證的民用航空產(chǎn)品(包含飛機、旋翼機和動力裝置)和零部件上使用增材制造技術提供補充指導。與傳統(tǒng)制造工藝相比,增材制造缺乏普遍的行業(yè)數(shù)據(jù)和制造經(jīng)驗支撐,各國民航管理機構當前仍然采用邊認證邊改進的方法。
(3)建立適用于風險識別和制造過程控制的先進無損檢測方法。
增材制造的零件一般具有高度復雜的幾何形狀(包括隱藏的內(nèi)部特征)、不同傳統(tǒng)制造的材料微觀結構、各向異性特性和粗糙的表面光潔度,還可能產(chǎn)生這種工藝特有的制造缺陷和材料異常,現(xiàn)有的無損檢測方法和經(jīng)驗,包含超聲檢測、射線檢測、熒光滲透檢測等,可能無法有效地應用于增材制造零件。目前,采用什么標準方法、什么規(guī)定設備能有效識別不同類型缺陷,采用常規(guī)方法檢測不準或無法檢測的缺陷又怎樣判定等一系列問題,還缺少統(tǒng)一的評價標準和規(guī)范。FAA正與工業(yè)界、學術界、政府機構和標準開發(fā)組織合作,推動建立與金屬增材制造零件相關的關鍵缺陷和異常的無損檢測方法。
(4)防止增材制造零件的亂用。
增材制造為航空零部件的制造提供了便利,但也為零部件的仿制和亂用提供了一條途徑。當前,F(xiàn)AA和EASA對于維修中使用的增材制造零件,即使是材料完全相同,也不認為是等效替代的自制件,仍需進行完整的認證。為了防止增材制造零件的亂用,F(xiàn)AA通過可疑未經(jīng)批準零件(Suspected Unapproved Parts,SUP)計劃,來防止假冒的增材制造零件進入民用航空領域。
增材制造在民用航空領域的應用還很有限,還需要進一步的技術穩(wěn)定性驗證積累。由于增材制造零件各向異性的特點,決定了機械性能在不同方向的波動相對較大。主要民用航空管理機構正在實施越來越嚴格的測試和認證,這些測試是航空零部件在關鍵和非關鍵應用中所必需的。此外,生產(chǎn)過程的可重復性和制造質(zhì)量的一致性,是當前增材制造在民用航空領域應用的一大挑戰(zhàn)。尤其是在大量生產(chǎn)時,與傳統(tǒng)工藝對材料的全面了解以及豐富的數(shù)據(jù)庫形成鮮明對比,增材制造缺乏先驗經(jīng)驗,缺乏對制造過程的完整理解,缺乏對產(chǎn)品性能的詳盡了解,缺乏失效機理數(shù)據(jù)。但增材制造將為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來顛覆性的變革,助推國內(nèi)民用航空制造業(yè)在核心制造技術上的突破和跨越式發(fā)展。
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