空客對(duì)增材制造工藝的研究已有二十余年了，從最早的塑料和快速打樣的應(yīng)用到往后幾年的（LBM）激光束熔化和(EBM)電子束熔化在金屬方面的應(yīng)用。一個(gè)對(duì)于空客似乎存在的問題是缺乏一個(gè)增材制造解決方案的經(jīng)典商業(yè)案例，還有就是如何著手創(chuàng)造一個(gè)例子如果幾乎每個(gè)產(chǎn)業(yè)決策都得靠商業(yè)案例的討論來推動(dòng)。

在95%的時(shí)間里，增材制造讓每個(gè)項(xiàng)目都更簡單、更便宜、更快捷地投入實(shí)施，而不是為了決策嘗試通過深入調(diào)查來得到那些永遠(yuǎn)在升級(jí)的基數(shù)。

產(chǎn)品開發(fā)的快速通道

關(guān)于增材制造的能力無需過多贅述，因?yàn)樵O(shè)備本身就是一個(gè)活生生的證明。早在2012年的時(shí)候，空客只有一臺(tái)250W（250*250*280mm）的LBM設(shè)備投入了使用，而現(xiàn)在使用中的設(shè)備有二到四臺(tái)400W/1kW(最大尺寸800*400*500mm)的激光設(shè)備，這一爆發(fā)性的擴(kuò)張趨勢(shì)將隨著未來十年里將出現(xiàn)的多重激光器的到來一直持續(xù)。

對(duì)于公司的中期（2020年起），低成本產(chǎn)品的商業(yè)案例也是可行的。伴隨著目前已完成的250多個(gè)金屬增材制造項(xiàng)目，空客七年來學(xué)到的關(guān)鍵啟示是增材制造將能夠?qū)崿F(xiàn)高度一體化和多功能的產(chǎn)品，在未來的生態(tài)和環(huán)境足跡方面將有很大的機(jī)會(huì)。

材料、加工和設(shè)備

首先是材料，由于未來的業(yè)務(wù)案例，空客首先專注的材料是鈦（Ti6-4），隨后是Inox，Inox計(jì)劃在2018年底開始鋁的應(yīng)用。從2015年底開始，用在Ti6-4鈦上的激光束熔或電子束熔（LBM/EBM）的增材制造工藝已經(jīng)達(dá)到了TRL6的級(jí)別，另外，首個(gè)低速率系列部件也又空客的子公司Premium Aerotech在2015年底完成。

對(duì)于一系列的應(yīng)用來說，從2018年開始在Scalmalloy上還有一次機(jī)會(huì)，Scalmalloy是空客子公司AP-Work經(jīng)營的一種高性能鋁合金。2018年開始，空客將會(huì)有第一組增材制造材料用于開始真正的系列化生產(chǎn)。未來增材制造系列應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)之一是低成本金屬粉末的有效供應(yīng)，因此看到全世界圍繞著這一未來的需求而運(yùn)轉(zhuǎn)，是非常令人愉悅的。

其次到工藝，熔融沉積成型（FDM；使用Stratasys Fortus的設(shè)備）目前已經(jīng)連續(xù)兩年用于加工空客的A350部件，使用聚酰胺（PA）的選擇性激光燒結(jié)（SLS）已被用于空客新的Beluga運(yùn)輸機(jī)的支架和直升機(jī)的第一系列應(yīng)用和展示部件的加工。而由于阻燃性能有限，這個(gè)技術(shù)至今沒有運(yùn)用到民用飛機(jī)上。

最后到設(shè)備，增材制造設(shè)備供應(yīng)商的數(shù)量正在迅速持續(xù)增長，使得世界市場的競爭越來越激烈。從工業(yè)的角度來看，在制造中的高質(zhì)量的設(shè)備將在未來自動(dòng)化增材制造設(shè)施中扮演關(guān)鍵性角色。在未來十年里，我們將看到很多不同設(shè)備尺寸和特定部件的增材制造設(shè)備，以及多功能增材制造系統(tǒng)。比如說，一個(gè)荷蘭的設(shè)備商能提供一個(gè)熱處理一體化設(shè)備，而DMG Mori的銑削中心則一體化了一個(gè)HDR同軸送粉增材制造設(shè)備。

在飛機(jī)上的第一步

2014年二月，空客經(jīng)過為期兩年的項(xiàng)目，首次向一家航空公司提供了第一臺(tái)3D打印的FDM備件，并重新設(shè)計(jì)了一個(gè)三十年歷史的客艙座椅部件手動(dòng)繪圖。3D打印設(shè)備是純數(shù)字化的產(chǎn)品，它生產(chǎn)的數(shù)量是根據(jù)空客的要求而彈性地制定，而不是根據(jù)死板的庫存計(jì)劃而定。

從2014年開始，新的A350試驗(yàn)飛機(jī)上首批數(shù)百架飛行試驗(yàn)架FDM應(yīng)用，并且首先使用LBM工藝生產(chǎn)的鈦仿生座艙支架，并經(jīng)過兩年的測試后, 2014年6月在A350上采用了新的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法（圖一）。 正如這些實(shí)驗(yàn)在增材制造的實(shí)際工業(yè)用途上已經(jīng)展現(xiàn)的技術(shù)可行性和未來潛力，它們也已經(jīng)極大地幫助了空客未來的增材制造應(yīng)用的發(fā)展。

圖一：通過LBM加工的鈦合金仿生客艙支架。

在飛行安全相關(guān)液壓部件中已經(jīng)展現(xiàn)了增材制造的能力。 到目前為止，大部分LBM項(xiàng)目已經(jīng)生產(chǎn)了，其中95％由空中客車公司合作伙伴Laser Center North（LZN），Hofmann Innovation Group，Toolcraft和AP-Works等公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)。

應(yīng)用案例

高速研發(fā)進(jìn)程。測試中的高科技目標(biāo)（THOR）飛機(jī)，一個(gè)幾乎完全由塑料和幾個(gè)鋁制零件打印的3.7米可飛行平臺(tái)，飛行重量小于25公斤。 圖2顯示了正在使用的THOR飛機(jī)。

圖2.飛行中的高科技目標(biāo)（THOR）飛機(jī)，純粹的增材制造產(chǎn)物。

飛行測試LBM硬件。在幾臺(tái)A350 / A330NEO測試飛機(jī)上測試了鈦、不銹鋼和鋁部件的性能，包括用于垂直尾翼的鋁合金相機(jī)蓋（圖3）。


圖3.使用LBM生產(chǎn)用于垂直尾翼平面的鋁相機(jī)蓋。

首批在飛機(jī)構(gòu)造上使用的鈦。 首款于2016年交付的高性能AEROTEC（PAG）鈦雙壁燃料連接器取代焊接鑄件組件的成本降低了約50％，因?yàn)椴恍枰T造工具，并且交貨時(shí)間從幾個(gè)月降至11周（ 圖4）。


圖4.替代焊接鑄件組件的鈦雙壁燃料連接器。

首批拓?fù)鋬?yōu)化鈦支架。 A350飛機(jī)的第一個(gè)連續(xù)PAG增材制造的零件，其重量到2017年第四季度將能減少30％。

飛行安全相關(guān)增材制造的液壓部件。 2017年3月30日，在A380飛機(jī)上首個(gè)飛行安全相關(guān)增材制造部件使飛行重量減少了35％（圖5）。


圖5.這種與飛行安全相關(guān)的增材制造的部件減輕了A380飛機(jī)35％的重量。
 

從第一個(gè)部件到清潔薄片設(shè)計(jì)

進(jìn)入增材制造新領(lǐng)域的第一步是1：1的可替換的增材制造部件，而下一步是重新考慮完整的部件，目標(biāo)是充分利用通過增材制造免費(fèi)的多功能、高度一體的“清潔薄片設(shè)計(jì)”。 這可以是具有三部分組件的液壓單元或支架，其以前由126個(gè)部件和鉚釘制成。 這意味著大約有120個(gè)零件成本的零件，使組裝減少了95％（而沒有模具維護(hù)，庫存和物流）。

 增材制造允許我們真正重新考慮一種產(chǎn)品，例如將巨型睡蓮結(jié)構(gòu)復(fù)制到擾流板中，或?qū)⒊∧＞叩某砷L轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)中，如3D設(shè)計(jì)軟件公司Autodesk和其他合作伙伴的Bionic-Partition項(xiàng)目所示。 該項(xiàng)目展示了與未來增材制造生產(chǎn)相關(guān)的通用設(shè)計(jì)方法的功能，從而減少了45％的飛機(jī)重量，因此將可以為每架A320飛機(jī)每年節(jié)省約3噸燃料（圖6）。
圖6. Bionic-Partition項(xiàng)目展示了與未來增材制造生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)的通用設(shè)計(jì)方法的功能，為A320飛機(jī)每年節(jié)省約3噸燃料。

展望2025

2016年，我們?cè)?0所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的幫助下開始制定2025年的景愿，著眼于產(chǎn)品快速開發(fā)、無需模具、按需生產(chǎn)、減少原材料需求、減少重量變化， 更多的使用增材制造。

為使增材制造市場繼續(xù)發(fā)展，必須組織和開發(fā)完整的工業(yè)化體系。 最大的挑戰(zhàn)是了解“清潔薄片設(shè)計(jì)”未來的產(chǎn)品機(jī)會(huì)，并開發(fā)所有必要的設(shè)計(jì)原則和工業(yè)軟件解決方案。 那么所有這一切都必須得到驗(yàn)證，包括新的要求和政府的認(rèn)可。

 

翻譯/Nick
Source: Industrial Laser Solution