空客在未來用3D打印制造飛機的四大切入點

航空巨頭空客已經是研究和應用3D打印技術的行家了。在這方面，他們既有已經成為了現實的作品，又有著許多關于未來的設想。

在這些設想中，空客未來的飛機將會大量采用仿生結構，而這種結構仿能實現力量與材料分布的完美結合，令光線充滿整個飛機內部空間。如此一來，乘客可以向外面的世界觀看全景，智能座位還會敏銳感知到乘客的姿勢，從而自動調整角度以提供最佳的舒適度，乘客如同沉浸在溫柔的海風或松樹林的軟香中進入完美的睡眠。

另外對于VIP乘客來說，他們還可以將座位變成辦公設施，或者是一張床，如同在家里一樣享受私密的空間。

在到達目的地降落后，或許你還可以直接乘坐自己的小私人旅行艙式飛機從大飛機中駛出來，直接進行下一站的旅行，而要實現這些想法，3D打印必定將發(fā)揮重要的左。

空客（Airbus）的機艙設計師巴斯蒂安·謝弗（Bastian Schafer）過去兩年來一直致力于一款概念飛機，這架飛機將完全由一臺有飛機庫那樣大的巨型3D打印機打造。 這聽起來像癡人說夢，因為如今最大的3D打印機不過餐桌那么大。但是謝弗的設計是有規(guī)劃的：從現在用3D打印技術制造一些小部件，到2050年左右造出整個飛機——整個路線清晰可見。而之前，3D科學谷整理的3D打印對航空航天業(yè)的影響中也提示過，3D打印在航空航天領域的應用將走向四維打印。



切入點1：仿生結構

仿生結構帶來材料使用率和力學性能的良好結合，這就是為什么增材制造會走進工廠，是增材制造的價值所在。

3D打印技術與傳統(tǒng)制造方法相比可使各部件的重量輕65%�？湛偷母拍铒w機極為復雜，需要各種全新的制造方法：從弧形機身到仿生結構，再到能讓乘客一覽藍天白云的透明蒙皮。

空客概念飛機的仿生結構所需要的某些材料目前尚不可用，例如用于機身的、牢固且透明的鋁、某些生物高分子材料以及其他由碳納米管加固的材料。只在該堅固的地方堅固，或者只在該輕盈的地方輕盈

切入點2：輕量化

輕量化與仿生結構可以說是密切相關的。采用金屬激光熔融技術可制造出極為精細的結構，甚至是骨狀的，也就是多孔的結構。在未來的飛機設計中，部件將能夠有針對性地吸收力線，同時又符合輕量化要求，更耐久、節(jié)約資源、這將改善當前航空航天業(yè)的成本結構。飛機零件在銑削過程中會產生高達 95% 的可回收廢料。而采用激光熔融技術，操作者不僅可得到“接近最終輪廓的部件”，且廢料只有約 5%。尤其對于像鈦這樣的高級且昂貴的飛機制造材料的節(jié)約，增材制造技術更具吸引力。無模具的制造方法節(jié)約了時間，改善了成本結構，有針對性的能源投入和節(jié)約資源是激光熔融技術的一大特點。

此外，激光增材制造方法還可提供比常規(guī)制造方法更高的造型自由度。像制作凹槽和內部的通道，例如冷卻通道。在航空工業(yè)中，飛機制造商已經在考慮用該工藝生產電子設備的冷卻元件和智能的液壓部件。激光熔融技術首次將幾何結構與功能性聯(lián)系在一起，依然成為目前最吸人眼球的技術。該技術可以讓部件內的能量通量在 CAD 設計階段就能夠非常精確地確定�？偟膩碚f，利用激光熔融技術能夠開發(fā)出的安全性部件，比今天的部件更好、更輕且壽命更長。激光增材制造的材料具有更高的強度，雖然延展性較低，但經過正確的熱處理之后，還是可將其重新提升。

空客位于德國的航空制造廠Premium Aerotec公司啟動了其用于3D打印鈦飛機部件的SLM粉末床選擇性激光熔化設備，開始生產金屬3D打印零件。


切入點3：部分替代鍛造

鍛造技術在航空制造領域已應用多年，主要用于制造飛機、發(fā)動機承受交變載荷和集中載荷的關鍵和重要零件。飛機上鍛件制成的零件重量約占飛機機體結構重量的20%~35%和發(fā)動機結構重量的30%~45%，隨著航空產業(yè)不斷的發(fā)展，鍛造技術的瓶頸已逐漸顯現，一方面是滿足在大型復雜整體結構件和精密復雜構件的制造方面顯現出技術的靈活性不足。另一方面，鍛造的結構工件在隨后的機加工過程中材料去除率達到70％之多，對于鈦合金這樣昂貴的材料來說浪費大。

金屬3D打印技術特點突出，無需模具的自由近凈成形，且全數字化、高柔性，打印的零件材質全致密、沒有宏觀偏析和縮松，具有較高的性能等都帶來代替航空領域鍛造技術的可能。

空客位于德國的航空制造廠Premium Aerotec就采用了Norsk Titanium（挪威鈦）的快速等離子沉積™技術，通過該技術來生產A350 XWB飛機上的鈦合金零件。除了挪威鈦的快速等離子沉積技術，EBAM電子束融化焊接比鍛造也能節(jié)約50％的材料去除需求。這兩種3D打印工藝對于完成后期加工任務的機床來說，更少的材料去除需求也意味著更少的刀具、冷卻液消耗，更快的加工時間，以及更快的設備投資回收周期。


切入點4：4D打印

空客未來飛機的視頻中，飛機的翅膀可以像鳥類一樣煽動。至于視頻中如何實現飛機翅膀的煽動，3D科學谷并不知道是不是4D打印的原因。然而，有一點是肯定的，那就是4D打印將被用于航空航天領域。

之前，來自德國Freiberg的研發(fā)團隊就研發(fā)出面向未來的高性能材料：記憶性材料，可以自行愈合裂隙或回復原狀。科學家通過電子束熔融的制造方法來生產帶記憶功能的零件，這就像彈力回形針，如果受到歪曲，把它放到熱水里面，就像被施了魔法，跳回到原來的樣子。最新研發(fā)的材料從這個項目可以用于汽車制造和航空航天制造業(yè)來滿足特殊的要求。在航空航天領域，可以用來調整機翼結構以適應不同的飛行情況。

而麻省理工亦研究出可控的表面紋理變化4D打印技術產品，這些產品具有間歇性和隨機性的豐富多樣的表面特征變化，包括可變波、折皺狀的特征、平頂、谷底等，可以通過改變顆粒的無因次幾何參數（例如，相對的顆粒大小、形狀、間距和分布等）來獲得。這些表面特征可以通過顆粒定位來實現變量可控。

延伸閱讀：《3D打印仿生學合金結構助空客A320成功"瘦身"》

來源：3D科學谷