【機床商務網(wǎng)欄目 機床上下游】增材制造俗稱3D打印。30多年來，3D打印從初級的原型樣品制作方法逐漸轉變?yōu)橐环N新興的制造技術。在航空領域，3D打印正在進入產(chǎn)業(yè)化應用，通過選區(qū)激光熔化成型技術(SLM)制造出高度復雜的零件，或者以電子束熔化技術(EBM)替代鍛造，成為航空企業(yè)又一輪技術競爭的載體。
 

　　一、3D打印的技術分類
 

　　1、SLA（StereoLithography，光固化成型技術）
 

　　指利用紫外光照射液態(tài)光敏樹脂發(fā)生聚合反應，逐層固化并生成三維實體。SLA制造的工件尺寸精度高，是商業(yè)化較早的3D打印技術。
 

　　2、CLIP（ContinuousLiquid Interface Production Technology，連續(xù)液體界面提取技術）
 

　　是Carbon 3D公司在SLA技術的基礎上開發(fā)的具有革命性的3D打印技術，將3D打印的速度提高了100倍。CLIP從底部投影，使光敏樹脂固化，未固化的部分通過控制氧氣形成死區(qū)，抑制光固化反應而保持穩(wěn)定的液態(tài)區(qū)域，保證了固化的連續(xù)性。
 

　　3、3DP（Three-DimensionalPrinting，三維打印快速成型技術）
 

　　與傳統(tǒng)二維噴墨打印接近，從噴頭噴出粘結劑(彩色粘結劑可以打印出彩色制件)，將平臺上的粉末粘結成型，通常采用石膏粉作為成型材料。3DP技術目前主要有兩項應用：全彩3D打印和砂模鑄造。
 

　　4、PJ（Poly Jet，聚合物噴射技術）
 

　　其成型原理類似3DP技術，但噴射的不是粘合劑而是光固化樹脂，噴射完成后通過紫外光照射固化成型。Poly Jet采用陣列式噴頭，甚至可以同時噴射不同材料，實現(xiàn)多種材料、多色材料同時打印。
 

　　5、FDM（FusedDeposition Modeling，熔融層積技術）
 

　　利用高溫將材料熔化，通過打印頭擠出成細絲，在構件平臺上堆積成型。FDM是簡單也是常見的3D打印技術，通常應用于桌面級3D打印設備。
 

　　6、NPJ（NanoParticle Jetting，納米顆粒噴射打印技術）
 

　　這是金屬3D打印成型技術，使用納米液態(tài)金屬以噴墨的方式沉積成型，打印速度比普通激光打印快5倍，且具有優(yōu)異的精度和表面粗糙度。
 

　　7、SLM（SelectiveLaser Melting，選區(qū)激光熔化成型技術）
 

　　是目前金屬3D打印成型中普遍應用的技術，采用精細聚焦光斑快速熔化預置金屬粉末，直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結合的零件，制件致密度可達99%以上。
 

　　8、SLS（SelectiveLaser Sintering，選區(qū)激光燒結成型技術）
 

　　與SLM技術類似，區(qū)別是激光功率不同，通常用于高分子聚合物的3D打印成型。SLS也可用于制造金屬或陶瓷零件，制件致密度低，且需要經(jīng)過后期致密化處理才能使用。
 

　　9、LMD（LaserMetal Deposition，激光熔覆成型技術）
 

　　該技術名稱繁多，常用名稱包括：LENS、DMD、DLF、LRF等。與SLM大不同在于，其粉末通過噴嘴聚集到工作臺面，與激光匯于一點，粉末熔化冷卻后獲得堆積的熔覆實體。
 

　　10、EBM（ElectronBeam Melting，電子束熔化技術）
 

　　其工藝過程與SLM非常相似，區(qū)別在于，EBM所使用的能量源為電子束。EBM的電子束輸出能量通常比SLM的激光輸出功率大一個數(shù)量級，掃描速度也遠高于SLM。因此EBM在構建過程中，需要對造型臺整體進行預熱，防止成型過程中溫度過大帶來較大的殘余應力。
 

　　二、3D打印在航空制造中的應用
 

　　1、打印渦輪葉片鑄造型芯
 

　　在鑄造金屬渦輪葉片時，為了形成高度復雜的內部冷卻通道結構，常使用陶瓷鑄造型芯。鑄造葉片冷卻后，將葉片從模具中取出，同時內部的陶瓷型芯需要溶解掉。
 

　　目前，陶瓷鑄造型芯的結構越來越復雜，通過傳統(tǒng)的注射成型方式已經(jīng)無法實現(xiàn)。奧地利Lithoz公司采用LCM技術制造陶瓷葉片型芯，可以滿足航空航天和電力工業(yè)的需求。
 

　　LithaCore 450是由Lithoz公司自主研發(fā)用于3D打印陶瓷葉片型芯的硅基材料，制備精度高，燒結后的葉片型芯產(chǎn)品具有非常低的熱膨脹率、較高的孔隙率、優(yōu)異的表面質量和優(yōu)良的洗濾性等優(yōu)點。典型的應用有：單晶鎳基合金渦輪葉片鑄造型芯、定向凝固鑄造型芯、等軸鑄造型芯。
 

　　2、打印發(fā)動機支架
 

　　2018年11月1日，GE增材制造宣布，美國聯(lián)邦航空管理局已批準3D打印支架用于波音747-8 機型的GEnx-2B發(fā)動機(雙轉子軸流式大涵道渦輪風扇發(fā)動機)，該支架將取代傳統(tǒng)制造的電動門打開系統(tǒng)支架，其作用是打開和關閉發(fā)動機的風扇罩門，制造設備為GEAdditive Concept Laser M2多激光器選區(qū)激光熔融系統(tǒng)。
 

 

　　這款3D打印支架將在GE航空集團阿拉巴馬州奧本市的工廠開始批量生產(chǎn)。GE公司表示，與傳統(tǒng)方式制造的支架相比，3D打印技術將減少高達90%的材料浪費。在傳統(tǒng)支架的制造中，因金屬加工而產(chǎn)生的材料浪費約占50%。此外，3D打印支架采用了優(yōu)化設計方案，重量比傳統(tǒng)支架輕10%。
 

 

　　據(jù)了解，這款3D打印支架為GE航空創(chuàng)造了兩個“”。首先，這是GE 個獲得認證的由ConceptLaser公司的選區(qū)激光熔融設備生產(chǎn)的3D打印零件。其次，這是GE航空次完成一種3D打印零件從設計到生產(chǎn)于10個月內開發(fā)完成。
 

　　在進行支架生產(chǎn)時，一次打印可以生產(chǎn)4個支架，在構建室中4個支架以互鎖設計的形式實現(xiàn)，打印材料為鈷鉻合金。
 

　　3D打印支架的制造成本低于原有成本，GEnx發(fā)動機的訂單量為2200臺，整體來看節(jié)約的成本非常可觀，并且3D打印支架比傳統(tǒng)支架更輕，將為航空公司節(jié)省燃料。
 

　　3、打印燃料噴嘴
 

　　2010年，空客將GE生產(chǎn)的LEAP-1A發(fā)動機作為A320neo飛機的選配，LEAP發(fā)動機中就帶有3D打印的燃油噴嘴。2015年5月19日，A320neo飛機首飛成功，裝有LEAP發(fā)動機的A320neo 同時獲得歐洲航空安全局和美國聯(lián)邦航空管理局的認證。
 

　　2018年10月8日，GE航空工廠慶祝第30000個3D打印燃料噴嘴的成功出貨。該噴嘴自2018年以來一直在該工廠生產(chǎn)，標志著規(guī)模化增材制造的重要里程碑，預計2019年這種產(chǎn)品將達到40000支。
 

 

　　4、3D打印的其他應用
 

　　2018年，以下信息顯示了3D打印在航空航天領域應用進展情況。
 

　　(1)總部位于佛羅里達州的金屬3D打印機制造商Sintavia LLC在1月宣布，他們是家獲得批準生產(chǎn)3D打印飛行零件的公司，零件采用粉末床熔合技術生產(chǎn)。
 

　　(2)波音公司與瑞士歐瑞康集團簽署了一項為期五年的合作協(xié)議，涉及開發(fā)金屬3D打印標準工藝和材料。除了通過各種不同材料和機器生產(chǎn)金屬部件外，他們將共同收集數(shù)據(jù)來支持標準3D打印鈦金屬的生產(chǎn)工藝。他們的研究將首先關注工業(yè)化鈦粉床融合3D打印，并確保該工藝制造的任何部件都能滿足美國聯(lián)邦航空局和國防部的必要飛行要求。
 

　　(3)FIT和NIK成立了一家名為FITNIK的新合資公司，該公司結合了兩家公司的佳產(chǎn)品，并在飛機研發(fā)中心Zhukovsky開展業(yè)務。
 

　　(4)威奇塔州立大學國家航空研究所是美國大的大學航空研發(fā)機構，宣布將幫助航空航天工業(yè)中的3D打印聚合物創(chuàng)建新的技術標準文件，支持行業(yè)對3D打印聚合物的零件認證。
 

　　(5)金屬3D打印專家、空客子公司APWORKS宣布，已被航空結構供應商PremiumAEROTEC收購為子公司。兩家公司合并后，客戶可以使用11個生產(chǎn)單元和各種材料。
 

　　(6)Gefertec與BIAS合作，對其送絲3D打印方法進行鑒定，用于生產(chǎn)大型結構航空航天部件。德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務和能源部資助了該項目，研究了保護氣體含量、熱輸入對鈦和鋁組件機械性能的影響。
 

　　(7)據(jù)預測，到2021年，75%的新型商用和軍用飛機將包含3D打印部件。紐約大學Tandon工程學院的研究人員提出了一種保護零件完整性的方法，即將QR碼和條形碼轉換為隱藏在3D打印物體內。
 

　　(8)洛克希德馬丁公司與海軍研究辦公室簽訂了一份價值580萬美元的合同，協(xié)助其進一步開發(fā)航空航天業(yè)3D打印技術應用。
 

　　(9)以定向能源沉積(DED)技術而聞名的BeAM宣布與德國PFW Aerospace公司建立新的合作關系，后者為所有民用空客型號和波音787夢想飛機提供系統(tǒng)和組件。除了DED工藝之外，兩者共同致力于為大型民用客機提供3D打印的Ti6Al4V合金部件。
 

　　三、3D打印創(chuàng)新技術
 

　　近期，《科學》雜志上發(fā)表的論文介紹，加州大學伯克利分校Hayden K. Taylor團隊及其合作者發(fā)展了一種全新的3D打印技術，無需逐層打印，直接在高粘度樹脂容器內通過光聚合一次形成整個3D物體。該技術具有以下特點：
 

　　(1)計算軸向光刻技術CAL。目前常規(guī)的立體光刻3D打印機主要使用掃描點光源或投影儀來順序地逐層構建3D對象，這往往會導致邊緣的“階梯”效應，也難以生產(chǎn)柔性物體，因為可彎曲的材料在打印過程中會變形，并且打印某些特定形狀的物體時需要支撐物。
 

　　Hayden K. Taylor團隊則創(chuàng)造性地采用了一種計算軸向光刻技術CAL(Computed AxialLithography)，在圍繞垂直軸旋轉時，將預先計算的光圖案序列數(shù)字投影到樹脂容器中，旋轉時可以在樹脂中照射出上千個不同的投影。隨著時間的推移，累積的光照穿過聚合閾值的區(qū)域變?yōu)閷嵭模创┻^該閾值的區(qū)域保持未固化，從而一次性打印出所設計的三維物體。
 

　　(2)打印樹脂材料的配置。未固化的液體，會有光線穿過它，因此整個過程需要有一個從液體到固體過渡的光照閾值，打印樹脂材料的配置是這項技術的一個關鍵難點。研究人員所采用的3D打印樹脂由混有光敏分子和溶解氧的液體聚合物組成。光照激活光敏化合物來消耗氧，只有在所有氧氣用完的那些3D區(qū)域，聚合物才形成“交聯(lián)”，將樹脂從液體轉變?yōu)楣腆w，而未使用的樹脂可以通過氧氣加熱來回收利用。這種氧氣抑制機制，可以確保容器中心的物體在積聚足夠強度的光而變成固體之前，靠近光源的樹脂不發(fā)生反應。
 

　　(3)CAL新型3D打印的靈感來源。基于CAL的新型3D打印技術的靈感來自醫(yī)學領域的計算機斷層掃描技術(CT)，CT掃描從各個角度將X射線或其他類型的電磁輻射投射到體內，通過分析傳輸能量的模式來揭示物體的幾何形狀。
 

 

　　研究人員將層析成像算法與光聚合物的理想閾值相結合，并使用迭代優(yōu)化法來提高目標幾何的精度。通過這種全新的3D打印技術，他們打印了幾種幾厘米大小的物體來進行驗證，包括雕塑模型、微型飛機模型、小格子和懸梁等。
 

　　(4)CAL新型3D打印的前景。由于現(xiàn)有的立體光刻技術已經(jīng)很成熟，CAL很可能在現(xiàn)有方法不足的新興領域才能找到大用途。如：打印不能承受分層打印時施加力的軟材料；制作具有光滑曲面的透鏡；封裝其他物體等。
 

　　作為原理驗證，研究人員在螺絲刀的金屬軸上封裝打印出三維手柄，這是不可能通過現(xiàn)有3D打印技術實現(xiàn)的，需要昂貴的注塑工具。
 

 

　　除此之外，由于未固化的樹脂材料可以回收，100%可重復使用，這種3D打印技術幾乎不產(chǎn)生任何材料浪費。而且，在某些情況下，CAL可能比目前的立體光刻法更快。
 

　　不過，速率、分辨率、對象大小和終材料屬性之間的權衡都值得進一步考慮，聚合反應的動力學以及樹脂中的擴散和光散射，也將終限制CAL打印的物體保真度。
 

　　總之，這項工作使3D打印從逐層打印方式過渡到一次性全三維打印，為3D打印開辟了全新的篇章，堪稱里程碑之作。
 

　　四、結語
 

　　3D打印技術的應用頗具挑戰(zhàn)，但它開創(chuàng)了更多可能性、更高的效率和更快的速度，幫助航空制造業(yè)克服發(fā)展瓶頸。其主要優(yōu)勢在于：
 

　　(1)提升生產(chǎn)速度。目前一臺發(fā)動機的生產(chǎn)周期要2-3周，而巨大的市場需求和訂單量要求達到一周7臺的產(chǎn)能。利用增材制造技術一次成型復雜的發(fā)動機部件，避免了傳統(tǒng)工藝中連接、熱處理、加工和組裝等繁瑣步驟，能顯著提升生產(chǎn)效率，縮短交貨時間。
 

　　(2)創(chuàng)造更多可能性。設計工程師不再受到傳統(tǒng)制造工藝的束縛，能夠利用增材制造技術生產(chǎn)出接近“大自然產(chǎn)物”的發(fā)動機部件。可以實現(xiàn)常規(guī)制造過程無法完成的復雜形狀，幫助我們針對任何需求制造出合適的部件。
 

　　(3)減少浪費和降低成本。增材制造技術使我們能在設計制造過程中的幾乎任意一點做出修改，節(jié)省了制造時間和加工成本。將材料僅用于需要的地方，而無需對每個部件進行成本高昂的專業(yè)加工，在提升產(chǎn)品性能的同時節(jié)約了材料。
 

　　(4)數(shù)字產(chǎn)業(yè)的一部分。利用增材制造技術，工程師只需將所需部件的幾何文件上傳到3D打印機，便可立即打印出來。這顯著減少了部件庫存和不必要的運輸時間，從而縮短交付周期。
 

　　(原標題：WMEM|3D打印在航空制造中的應用與創(chuàng)新)