•    空客 A350 XWB 的連接件入圍“2014 年德國(guó)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新獎(jiǎng)”終選
•    包括Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生在內(nèi)的三位項(xiàng)目合伙人在“2015德國(guó)未來(lái)獎(jiǎng)”中，被共同授予“最佳團(tuán)隊(duì)”的榮譽(yù)
•    增材制造技術(shù)正在飛機(jī)制造業(yè)中普及
•    未來(lái) 3D 金屬打印可實(shí)現(xiàn)“仿生”飛機(jī)構(gòu)造和輕量化結(jié)構(gòu)

金屬激光熔融技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)中的地位日益重要。更短的交付周期、更合適的部件和前所未有的成型自由度，這些都是選擇這一技術(shù)的重要依據(jù)。如今，該技術(shù)在飛機(jī)“輕量化結(jié)構(gòu)”和“仿生學(xué)”方面的突出表現(xiàn)，讓這一趨勢(shì)更加顯而易見(jiàn)：金屬激光增材制造技術(shù)正在改變我們的設(shè)計(jì)思維。在未來(lái)的飛機(jī)設(shè)計(jì)中，部件將能夠有針對(duì)性地吸收力線(xiàn)，同時(shí)又符合輕量化要求。耐久、節(jié)約資源、改善成本結(jié)構(gòu)，從而魚(yú)和熊掌可以兼得。

Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生、漢堡空客新興技術(shù)與概念負(fù)責(zé)人Peter Sander先生和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）共同參與了空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架3D金屬打印項(xiàng)目的研發(fā)和生產(chǎn)。以前，該部件由鋁（Al）材銑削加工而成。現(xiàn)在，它則可以用鈦（Ti）材料打印而成，減重幅度大于 30%。

空客 A350 XWB 的連接件采用3D打印的生產(chǎn)方式，在2014年入圍了“2014 年德國(guó)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新獎(jiǎng)”的最終評(píng)選。評(píng)審團(tuán)的評(píng)定意見(jiàn)：這種跨行業(yè)的開(kāi)發(fā)形式，徹底改變了飛機(jī)構(gòu)件的制造方式和民用飛機(jī)的“輕量化”途徑；2015年12月2日，參與該項(xiàng)目的三位成員在德國(guó)柏林舉辦的“2015德國(guó)未來(lái)獎(jiǎng)”中，又被共同授予“最佳團(tuán)隊(duì)”的榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)，并接受了由德國(guó)總統(tǒng)親自頒發(fā)的榮譽(yù)證書(shū)。
  
圖1：空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架，入圍了“2014 年德國(guó)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新獎(jiǎng)”的終選。該部件采用鈦（Ti）材料，運(yùn)用金屬激光熔融技術(shù)（LaserCUSING）打印而成。[圖片來(lái)源：空客公司]

圖2：Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生（右一）、漢堡空客新興技術(shù)與概念負(fù)責(zé)人Peter Sander先生（左一）和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（左二）于2015年12月2日，在德國(guó)柏林舉辦的“2015德國(guó)未來(lái)獎(jiǎng)”中，又被共同授予“最佳團(tuán)隊(duì)”的榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)，并接受了由德國(guó)總統(tǒng)Joachim Gauck（右二）親自頒發(fā)的榮譽(yù)證書(shū)。[圖片來(lái)源：Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]
新的飛機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)方法

支持在飛機(jī)制造業(yè)中采用金屬激光熔融技術(shù)的論點(diǎn)是，自由成型和減重。其中“輕量化”特點(diǎn)可有效幫助航空公司在飛機(jī)運(yùn)營(yíng)中取得更為經(jīng)濟(jì)的效果。固定元件（托架）所能取得的減重效果，將有助于實(shí)現(xiàn)更低的燃料消耗，或者提升飛機(jī)的裝載能力。設(shè)計(jì)新的飛機(jī)時(shí)，需要用到成千上萬(wàn)個(gè)小量制造的 FTI（飛行測(cè)試安裝）托架。金屬增材制造（Layer Manufacturing）方法不僅可以幫助設(shè)計(jì)人員快速生產(chǎn)出新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而且生產(chǎn)出的部件重量要比常規(guī)的鑄造件或者銑削件輕 30% 以上。此外，金屬激光增材制造工藝直接以 CAD 數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，省略了模具，降低了成本，讓部件可以更快的速度投入使用，最多可節(jié)省 75% 的時(shí)間。同時(shí)，利用該工藝無(wú)模具的特點(diǎn)，在早期即可制造出具有接近量產(chǎn)部件特性的原型件，極大節(jié)省模具成本。基于此，采用金屬激光增材制造技術(shù)在設(shè)計(jì)早期就可發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤原因并優(yōu)化項(xiàng)目流程。漢堡空客新興技術(shù)與概念負(fù)責(zé)人Peter Sander先生介紹說(shuō)：“以前，進(jìn)行部件開(kāi)發(fā)時(shí)，我們需要安排大約六個(gè)月的時(shí)間，現(xiàn)在只需要一個(gè)月。”

“綠色技術(shù)”節(jié)約資源
飛機(jī)零件在銑削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 95% 的可回收廢料。而采用激光熔融技術(shù)，操作者不僅可得到“接近最終輪廓的部件”，且廢料只有約 5%。“在飛機(jī)制造業(yè)中，我們將其稱(chēng)為‘成品原料比’（buy to fly ratio），90% 在這里是一個(gè)了不起的數(shù)值。在對(duì)能量效率進(jìn)行衡量時(shí)，這一數(shù)值當(dāng)然也體現(xiàn)出積極的一面。”漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）說(shuō)。尤其是應(yīng)用在像鈦這樣的高級(jí)且昂貴的飛機(jī)制造材料上時(shí)，這種方法更具吸引力。無(wú)模具的制造方法節(jié)約了時(shí)間，改善了成本結(jié)構(gòu)，有針對(duì)性的能源投入和節(jié)約資源是激光熔融技術(shù)的一大特點(diǎn)。位于德國(guó)利希滕費(fèi)爾斯地區(qū)的Concept Laser 有限公司首席執(zhí)行官 Frank Herzog先生認(rèn)為：“LaserCUSING 是一項(xiàng)‘綠色技術(shù)’，可改善制造過(guò)程中的生態(tài)足跡。”

飛機(jī)制造是變革的動(dòng)力
一般來(lái)說(shuō)，在小量乃至中等數(shù)量的生產(chǎn)中，激光熔融技術(shù)總能帶來(lái)有利的制造成本效應(yīng)。Peter Sander先生介紹：“在飛機(jī)制造過(guò)程中，若要實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，每一批次產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的大小比大批量生產(chǎn)更為重要。”而采用激光熔融技術(shù)無(wú)需高額的鑄模投資成本和模具成本。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(nèi)部的通道，例如冷卻通道。在航空工業(yè)中，飛機(jī)制造商已經(jīng)在考慮用該工藝生產(chǎn)電子設(shè)備的冷卻元件和智能的液壓部件。

Emmelmann 教授（工程博士）說(shuō)：“我覺(jué)得這種技術(shù)尤其對(duì)一米以下的構(gòu)件，以及推進(jìn)裝置區(qū)域的部件來(lái)說(shuō)具有巨大潛力。”雖然在未來(lái)，人們可能窮盡物理的邊界，創(chuàng)造出更加能夠提升部件尺寸的接合方法。但激光熔融技術(shù)首次將前所未有的幾何形狀與功能性聯(lián)系在一起，依然成為目前最吸人眼球的技術(shù)。該技術(shù)可以讓部件內(nèi)的能量通量在 CAD 設(shè)計(jì)階段就能夠非常精確地確定?？偟膩?lái)說(shuō)，利用激光熔融技術(shù)能夠開(kāi)發(fā)出的安全性部件，比今天的部件更好、更輕且壽命更長(zhǎng)。此外，材料特性稍有不同，Emmelmann 教授（工程博士）表示：“激光增材制造的材料具有更高的強(qiáng)度，雖然延展性較低，但經(jīng)過(guò)正確的熱處理之后，還是可將其重新提升。”

備件供應(yīng) 2.0：及時(shí)、分散且“按需供應(yīng)”
“創(chuàng)成式航空”的另一個(gè)關(guān)聯(lián)應(yīng)用是在備件領(lǐng)域：未來(lái)將可分散地、“根據(jù)需求”貼近應(yīng)用地制造備件，而且還無(wú)需模具。在部件出現(xiàn)故障的情況下，可以直接現(xiàn)場(chǎng)制造備件。因此，分散式的制造網(wǎng)絡(luò)將可能興起，使得全球性戰(zhàn)略和地區(qū)性戰(zhàn)略能夠成為現(xiàn)實(shí)。這樣可以最大化地縮小運(yùn)輸距離，更重要的是可以縮短供應(yīng)時(shí)間。 其結(jié)果是，維護(hù)造成的飛機(jī)停運(yùn)時(shí)間和檢查時(shí)間將縮短。對(duì)于現(xiàn)在因?yàn)轱w機(jī)壽命周期長(zhǎng)，而不可避免地建設(shè)大型備件倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)備那些極少使用的零件的現(xiàn)狀，在未來(lái)將可以緩解，這些倉(cāng)庫(kù)的規(guī)?？擅黠@縮小。不僅減少了資金占用，提高了操作靈活性，更重要的是讓安全性部件更快地投入使用。在航空業(yè)都面臨成本壓力的情況下，這具有極大的吸引力。

部件設(shè)計(jì)或者產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)
采用金屬激光熔融技術(shù)可制造出極為精細(xì)的結(jié)構(gòu)，甚至是骨狀的，也就是多孔的結(jié)構(gòu)。“因此，未來(lái)的飛機(jī)部件將是‘仿生’的。”Emmelmann 教授（工程博士）估計(jì)。自然界在數(shù)百萬(wàn)年間優(yōu)化發(fā)展了各種功能原理和輕量化原理，巧妙地將資源投入最小化，這些都是值得效仿的?？湛凸灸壳罢谟薪M織地對(duì)這些自然解決方案的適用性進(jìn)行分析。通過(guò)“智能曝光策略”，可以有針對(duì)性地往部件投射激光，讓其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和表面質(zhì)量達(dá)到要求。Peter Sander先生介紹說(shuō)：在考慮了所有相關(guān)安全要求的情況下，首批原型體現(xiàn)出了仿生法的巨大潛力。這種方法可能會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)和制造方面的某種思想轉(zhuǎn)變。”

疲勞強(qiáng)度作為特性參數(shù)
“目前的技術(shù)極限是因表面質(zhì)量的妥協(xié)而產(chǎn)生的，但該質(zhì)量仍然與鑄造部件的表面質(zhì)量具有可比性。”Emmelmann 教授（工程博士）說(shuō)。這會(huì)導(dǎo)致材料的疲勞強(qiáng)度嚴(yán)重下降，例如鈦。而它恰恰是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中高負(fù)荷構(gòu)件的關(guān)鍵特性參數(shù)。在這里，人們必須考慮飛機(jī)在極長(zhǎng)的壽命周期中（＞30 年）要承受的高負(fù)荷。但是，通過(guò)下游的表面處理，例如微噴砂，以及經(jīng)過(guò)正確的熱處理之后，疲勞強(qiáng)度將顯著提高。Emmelmann 教授（工程博士）說(shuō)：“最終結(jié)果是，達(dá)到了軋制材料的疲勞強(qiáng)度值。”

質(zhì)量是重要的參數(shù)
對(duì)于飛機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，部件制造階段的質(zhì)量控制是最重要的工業(yè)化模塊之一。Peter Sander先生介紹：“帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質(zhì)量管理模塊的內(nèi)嵌過(guò)程監(jiān)控（Inline Process Monitoring）系統(tǒng)，可以在一個(gè) 1x1 mm² 的極小面積上通過(guò)攝像頭和光電二極管進(jìn)行監(jiān)控，并將這個(gè)過(guò)程記錄下來(lái)。”在部件制造過(guò)程中，諸如 QMmeltpool、QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser 這樣的質(zhì)量管理模塊是主要的主動(dòng)質(zhì)保工具。它們對(duì)激光功率、熔池、金屬粉末的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，并且不間斷監(jiān)控以及記錄整個(gè)制作過(guò)程。質(zhì)量管理模塊的另一個(gè)特征是，在封閉系統(tǒng)中工作，以保證監(jiān)控過(guò)程無(wú)塵、無(wú)污染。這樣可消除對(duì)過(guò)程可能產(chǎn)生負(fù)面影響的所有干擾因素。Frank Herzog先生對(duì)此說(shuō)道：“今天，我們可以說(shuō)這是一種受控、具有重復(fù)精度和過(guò)程穩(wěn)定的制造方法。”Emmelmann 教授（工程博士）強(qiáng)調(diào)：“質(zhì)量管理模塊讓我們能夠監(jiān)控并記錄重要的數(shù)據(jù)，例如激光參數(shù)、熔池特性以及保護(hù)氣體的成分。污染導(dǎo)致的干擾變量可以減弱。在最新的一個(gè)研究項(xiàng)目中，我們正在開(kāi)發(fā)自己的質(zhì)保方案，光學(xué)相干斷層掃描是其基礎(chǔ)之一。”
 
 

圖3：帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質(zhì)量管理模塊的內(nèi)嵌過(guò)程監(jiān)控（Inline Process Monitoring）系統(tǒng)，可以在一個(gè) 1x1 mm² 的極小面積上通過(guò)攝像頭和光電二極管進(jìn)行監(jiān)控，并將這個(gè)過(guò)程記錄下來(lái)。[圖片來(lái)源：Concept Laser]