【機(jī)床商務(wù)網(wǎng) 機(jī)床上下游】作為在3D打印領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用的制造商,波音公司不僅僅是推動3D打印技術(shù)與應(yīng)用端深度結(jié)合的踐行者,還對增材制造如何在制造價值鏈中發(fā)揮作用具備自己的關(guān)鍵洞察力。
與洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)同為聯(lián)邦政府的兩大承包商,波音公司在2015年獲得了超過160億美元的訂單。在這些訂單的執(zhí)行過程中,3D打印正在扮演越來越重要的角色。2017年8月,波音宣布已經(jīng)組建了新的波音增材制造(BAM)業(yè)務(wù)單元,以簡化和加速增材制造在整個波音企業(yè)內(nèi)的應(yīng)用,這也意味著3D打印的重要性提到正式議程。
一步一個腳印
在2003年,波音就通過美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室來驗(yàn)證一個3D打印的金屬零件,這個零件是用于F-15戰(zhàn)斗機(jī)上的備品備件。當(dāng)需要更換部件時,3D打印的作用顯現(xiàn)出來,因?yàn)橥ㄟ^傳統(tǒng)加工的時間太長了,并且通過3D打印加工鈦合金,替代了原先的鋁鍛件,而鈦合金的抗腐蝕疲勞更高,反而更加滿足這個零部件所需要達(dá)到的性能。(腐蝕疲勞是在腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的。這種由于腐蝕介質(zhì)而引起的抗腐蝕疲勞性能的降低,稱為腐蝕疲勞。)
波音企業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)Leo Christodoulou,當(dāng)時這個零件是通過激光能量沉積的工藝加工金屬粉末來獲得的,這種定向能量沉積(DED)的工藝被應(yīng)用到軍事飛機(jī)上。同時也打開了波音公司的3D打印應(yīng)用之路。近14年后,波音公司現(xiàn)在已有超過50,000件3D打印的各種類型的飛機(jī)零件。
波音公司開始通過DED技術(shù)為其787夢幻客機(jī)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件。通過Norsk Titanium的快速等離子沉積技術(shù),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)格的測試,終在2017年2月獲得了3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA認(rèn)證。
波音和Norsk Titanium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,這些公司預(yù)計今年將獲得額外的FAA批準(zhǔn)的物料和制造流程。
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化工藝不同的是,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。
根據(jù)Christodoulou,有些技術(shù)比DED工藝提供更好的復(fù)雜性,但DED工藝卻提供了另外一種價值。尤其是加工例如鈦合金這種昂貴的材料,所節(jié)約的材料的價值是顯而易見的。
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,將終為每架Dreamliner飛機(jī)節(jié)省200萬美元-300萬美元的成本。
根據(jù)Christodoulou的說法,DED可能是波音公司為生產(chǎn)終端而首先采用的技術(shù)之一,不過顯然3D打印是一系列不同的制造技術(shù)的組合,包括塑料的3D打印,復(fù)合材料,金屬和陶瓷等不同材料的打印工藝,都各具特色,并且為工藝鏈創(chuàng)造獨(dú)特的價值。
在波音公司的3D打印"工具箱"中,有一項(xiàng)技術(shù)是Stratasys的FDM技術(shù)。Stratasys的Infintely build 3D打印系統(tǒng)是Stratasys推出的大尺寸塑料零部件3D打印設(shè)備,打印的零件高度達(dá)0.76米(30英寸),寬度達(dá)1米(40英寸),Infinite-Build系統(tǒng)能自動檢測出材料的剩余量,材料耗盡之后由機(jī)械臂自動更換材料罐,從而實(shí)現(xiàn)不間斷的無人操作。
打印大型的塑料零件還有BAAM技術(shù),去年,波音和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)贏得了吉尼斯世界紀(jì)錄,他們合作3D打印了飛機(jī)機(jī)翼的夾具,這個夾具用于固定777X復(fù)合翼面以進(jìn)行鉆孔和加工。
不過雖然飛機(jī)零件制造商對嘗試一種新的技術(shù)保持開放的心態(tài),但要進(jìn)入到生產(chǎn)體系是需要經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證的,波音公司不僅僅使用新的3D打印技術(shù),以創(chuàng)造出新穎性的零件。根據(jù)Christodoulou的說法,每個技術(shù)和零件都需要經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制過程。
“一些技術(shù)比其他技術(shù)更成熟,所以它比其他技術(shù)更有可能滿足波音的要求,”根據(jù)Christodoulou,“波音有充分的開放心態(tài)來捕捉新技術(shù)的好處,但落實(shí)到生產(chǎn)領(lǐng)域的實(shí)施必須是基于使用穩(wěn)定的技術(shù)和反復(fù)驗(yàn)證的可靠性。”
Christodoulou表示,波音公司擁有非常嚴(yán)格的過程規(guī)范,以便在獲得一致的零件生產(chǎn)能力。一旦在多臺機(jī)器和各地的多個安裝中的過程中證明了穩(wěn)定性,波音就會開發(fā)一個數(shù)據(jù)庫來記錄零件的產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)。這使得波音公司能夠擁有使用特定過程制造的特定零件的全部數(shù)據(jù)。
這不僅適用于制造工藝與流程,而且對于材料也是如此。新的材料之一是波音公司正在試驗(yàn)由Oxford Performance Materials(OPM)-牛津性能材料開發(fā)的一種激光燒結(jié)OXPEKK。波音公司將為波音船員太空運(yùn)輸(CST)-100 Starliner航天器提供600多個零件。Starliner航天器多可以攜帶七位乘客,也作為船員和貨物到達(dá)如空間站等低地軌道的交通工具。
與其他采用增材制造技術(shù)的航空航天公司不同,波音公司并不完全依賴內(nèi)部生產(chǎn),Christodoulou指出,波音企圖在內(nèi)部工作和利用其供應(yīng)鏈之間取得平衡。
根據(jù)Christodoulou,“65%的工作是由波音的供應(yīng)商在波音之外完成的。但是波音必須在內(nèi)部活動和供應(yīng)鏈之間取得平衡。在很多情況下,波音的價值主張是與外部的供應(yīng)基地合作,利用他們的專長和資本投入。例如,Norsk對其技術(shù)進(jìn)行了大量資本投資,波音不一定要復(fù)制。而是寧愿和他們合作。波音重視并欣賞供應(yīng)商的貢獻(xiàn)。”
(原標(biāo)題:波音的3D打印之路)
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