當(dāng)航空制造業(yè)遇上3D打印

作為霍尼韋爾航空航天集團(tuán)先進(jìn)科技的首席工程師，維爾·貝克一直專注于3D打印技術(shù)在航空制造技術(shù)應(yīng)用方面的研究。
　　事實(shí)上，當(dāng)“3D打印”已經(jīng)成為一個(gè)熱詞，流行于人們?nèi)粘Ｉ�活的很多領(lǐng)域時(shí)，對于其在航空制造技術(shù)上的應(yīng)用，業(yè)內(nèi)人士卻始終慎之又慎。
　　它的技術(shù)門檻之高以及精密和復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的想象。維爾·貝克說，目前霍尼韋爾航空航天集團(tuán)通過3D打印技術(shù)制造的民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件并沒有真正投入現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)，仍在測試階段。
　　根據(jù)業(yè)內(nèi)媒體的報(bào)道，目前，也只有GE正嘗試將選擇性激光熔化技術(shù)(3D打印技術(shù)的一種)應(yīng)用于其下一代Leap發(fā)動(dòng)機(jī)供油噴嘴的批量化制造。
　　“但10年之后，3D打印技術(shù)或許會(huì)改變整個(gè)航空制造業(yè)。”維爾·貝克說。
　　3D打印滲入航空業(yè)
　　事實(shí)上，3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。
　　這種技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工(AEC)、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、搶支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。對于航空航天領(lǐng)域來說，3D打印仍然是一項(xiàng)非常前沿的制造技術(shù)，近幾年，全球領(lǐng)先的航空制造企業(yè)開始逐漸涉足這一技術(shù)領(lǐng)域的研究。
　　維爾·貝克告訴記者，霍尼韋爾航空航天集團(tuán)是從2010年進(jìn)入該領(lǐng)域的，已經(jīng)擁有了4年的研究經(jīng)驗(yàn)。目前，霍尼韋爾已經(jīng)成功地將利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的單晶鑄件裝配在了其TFE731-60型發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片上，這款發(fā)動(dòng)機(jī)在為達(dá)索旗下的獵鷹900公務(wù)機(jī)提供動(dòng)力。
　　現(xiàn)在，與高校合作成為了制造商進(jìn)行3D打印技術(shù)研究的共同模式�；裟犴f爾航空航天集團(tuán)就與美國的4所大學(xué)簽署了秘密的合作協(xié)議。當(dāng)然，包括波音、空客等民機(jī)整機(jī)制造商也都選擇了與大學(xué)進(jìn)行合作，進(jìn)行3D打印技術(shù)的研究。
　　“總體來說，目前航空業(yè)界都正在對3D打印技術(shù)直接制造的金屬零件，按照飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面的測試和驗(yàn)證，以及針對3D打印技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)方的優(yōu)化�！蔽鞅惫�業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任林鑫告訴記者。
　　值得一提的是，中國也已參與到該技術(shù)的研究中來。今年3月14日，空客與林鑫所在的西北工業(yè)大學(xué)在西安簽署了合作協(xié)議，共同探索3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。該項(xiàng)目重點(diǎn)研究激光3D打印技術(shù)在飛機(jī)部件制造中一次打印成型、減少加工余量以及材料在成型過程中變形等難題。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將承擔(dān)樣件制造，空客將承擔(dān)樣件的測量和評估工作。
　　滿足航空制造技術(shù)未來需求
　　在霍尼韋爾航空航天集團(tuán)組織的國際媒體日上，一些通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)零件樣品被維爾·貝克帶到了展示現(xiàn)場，它們看上去并不起眼，很多甚至不足一枚硬幣的大小。
　　據(jù)了解，霍尼韋爾航空航天集團(tuán)在3D打印技術(shù)領(lǐng)域的研究包括直接金屬激光燒結(jié)、電子束熔化成型、疊層實(shí)體制造技術(shù)等。
　　業(yè)內(nèi)人士公認(rèn)，3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的諸多優(yōu)勢，尤其是在設(shè)計(jì)自主性和環(huán)保方面的優(yōu)勢，滿足了航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最終目標(biāo)。
　　據(jù)維爾·貝克介紹，這些技術(shù)可以幫助航空制造商減少工裝模具的使用，在生產(chǎn)少量樣件時(shí)，設(shè)計(jì)也可以更加靈活，這使得生產(chǎn)零部件的固定投入成本大幅下降。例如，用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的燃燒室保護(hù)罩就可以降低40%的成本。
　　此外，通過該技術(shù)，還可以減輕零件的重量，這直接關(guān)系到飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。過去，對于大型復(fù)雜構(gòu)件，制造商用傳統(tǒng)工藝無法完成，就拆為幾個(gè)件做，然后再進(jìn)行組合。如今3D打印可以實(shí)現(xiàn)零部件一次成型，這不僅增加了零部件的強(qiáng)度，同時(shí)也減輕了零部件的重量。
　　維爾·貝克還告訴記者，這些好處綜合起來，可以讓研發(fā)過程更加高效。“過去通過傳統(tǒng)工藝研制渦輪葉片的樣件需要3年的時(shí)間，而如果采用了3D打印技術(shù)則僅需短短9周，與過去相比，為整個(gè)供應(yīng)鏈節(jié)約了70%的時(shí)間”。
　　同時(shí)，空客也將3D打印技術(shù)作為飛機(jī)備件解決方案的一部分。記者從空客了解到，站在整機(jī)制造商的角度來看，3D打印技術(shù)是用來制造目前已經(jīng)停產(chǎn)，但是仍然有市場需求的飛機(jī)零部件的最具成本效益的理想技術(shù)。采用3D打印技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)零部件制造，將大大降低制造、維修以及運(yùn)營的成本，并更好地保護(hù)環(huán)境。
　　確保技術(shù)成熟可靠
　　盡管技術(shù)門檻非常高，但是，如今3D打印在航空制造業(yè)的研究已經(jīng)開始由最初的實(shí)驗(yàn)室階段逐步向?qū)嶋H使用階段過渡�！暗�量產(chǎn)時(shí)的一致性和穩(wěn)定性仍有待進(jìn)一步提升。”林鑫說。
　　不久前，有報(bào)道稱GE航空與斯奈克瑪合作，采用選區(qū)激光熔化技術(shù)已經(jīng)開始生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴，并準(zhǔn)備最晚在2016年開始全速生產(chǎn)，以每臺(tái)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)需要10個(gè)~20個(gè)噴油嘴計(jì)算，GE每年將需要制造約25000個(gè)噴油嘴。林鑫告訴記者：“GE這個(gè)噴油嘴原來是采用十幾個(gè)零件整體焊接而成，采用3D打印技術(shù)后，GE發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)周期顯著縮短，制造成本顯著降低，而且可靠性顯著提高。”
　　與競爭對手GE更為積極的態(tài)度相比，霍尼韋爾航空航天集團(tuán)對該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用則顯得異常審慎。目前，霍尼韋爾航空航天集團(tuán)通過3D打印生產(chǎn)的零部件仍然只是用于適航取證的測試件，并未投入實(shí)際生產(chǎn)中。
　　維爾·貝克還告訴記者，事實(shí)上，在航空制造領(lǐng)域，短時(shí)間內(nèi)，3D打印技術(shù)還無法完全替代傳統(tǒng)的制造工藝。3D打印用于大規(guī)模量產(chǎn)至少要在10年之后�！拔覀兿Ｍ麖娘L(fēng)險(xiǎn)最低的、小的零部件開始，逐步推進(jìn)，并以最安全的方式進(jìn)入到生產(chǎn)階段”。
　　空客也表達(dá)了相同的觀點(diǎn)，對于新技術(shù)的應(yīng)用，他們提倡循序漸進(jìn)地開發(fā)和使用，無論是原料、工藝還是系統(tǒng)方面，都要經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證，在被確認(rèn)為是成熟的且具有長期利用價(jià)值后才會(huì)投入應(yīng)用。
　　“其實(shí)，技術(shù)上已經(jīng)沒有問題了，但我們會(huì)更加謹(jǐn)慎，必須一遍又一遍地去測試，因?yàn)槲覀冃枰�確保萬無一失�！本S爾·貝克說。