3D打印又稱為增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式構(gòu)造物體的技術(shù)。相比傳統(tǒng)的減材制造工藝，3D打印無(wú)論從成本可控和降低損耗，還是從制造速度和構(gòu)件精度，無(wú)疑都具有顯著優(yōu)勢(shì)和無(wú)限的發(fā)展?jié)摿?，代表的是工業(yè)制造的未來(lái)。

圖 1：達(dá)索獵鷹 20G 海上巡邏機(jī)（圖片版權(quán)：達(dá)索公司）

近年來(lái)，一些公司紛紛加大了對(duì)3D打印技術(shù)的研發(fā)投入，尤其在航空業(yè)和汽車制造業(yè)，這一現(xiàn)象已十分明顯。在本篇報(bào)道里，讀者朋友將看到霍尼韋爾和布加迪在3D打印方面取得的最新成果。其中，霍尼韋爾運(yùn)用3D打印技術(shù)成功制成飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，布加迪更是在其新款賽車的不同部件加入了3D打印的元素。

深耕航空業(yè)，生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件

2021年1月，霍尼韋爾公布了2020年度10大創(chuàng)新科技，與往年相比今年的創(chuàng)新科技也不乏亮點(diǎn)。入選2020年度創(chuàng)新科技的3D打印飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，是霍尼韋爾在增材制造領(lǐng)域取得的又一個(gè)里程碑式技術(shù)成果。

圖 2：布加迪新型賽車 Bolide

2020年8月，霍尼韋爾通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)零件的生產(chǎn)制造，并獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的認(rèn)證。獲得認(rèn)證的零件是#4/5軸承座，是達(dá)索獵鷹20G海上巡邏機(jī)上ATF3-6渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。該飛機(jī)是達(dá)索公司在1950年代末與法國(guó)南方飛機(jī)公司聯(lián)合研制的機(jī)型，當(dāng)前法國(guó)海軍仍使用該飛機(jī)進(jìn)行海上巡邏和搜救任務(wù)。目前有12臺(tái)ATF3-6發(fā)動(dòng)機(jī)處于裝備中。

像#4/5軸承座之類的零件，被監(jiān)管機(jī)構(gòu)視為發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。這些零件一旦發(fā)生故障將會(huì)對(duì)乘客和機(jī)組人員造成重大安全隱患，還可能嚴(yán)重?fù)p壞飛機(jī)。因此，如#4/5軸承座之類的關(guān)鍵安全零件也面臨著愈加嚴(yán)格的審查，必須先獲得FAA等監(jiān)管組織的批準(zhǔn)才能在飛機(jī)上使用。

#4/5軸承座的制造工藝復(fù)雜，再加上市場(chǎng)訂單需求小，導(dǎo)致更換零件的成本非常高。如果按照傳統(tǒng)鑄造方法生產(chǎn)該零件，需要將熔融金屬倒入模具并使其硬化，在此過(guò)程中需要投入昂貴的工具成本。

然而，通過(guò)3D打印制造#4/5軸承座可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)少批量生產(chǎn)，并且無(wú)需昂貴的工具成本投入。工程技術(shù)人員借助3D打印技術(shù)，通過(guò)激光將金屬粉末層層熔合在一起，由下至上構(gòu)建組件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)零件的制造。

“盡管服務(wù)的廠商很少，但霍尼韋爾負(fù)責(zé)支持和維護(hù)這些發(fā)動(dòng)機(jī)。我們必須找到解決這些供應(yīng)鏈問(wèn)題并保持這些飛機(jī)飛行的方法，”霍尼韋爾航空航天制造工程副總裁JonHobgood說(shuō)，“我們能夠利用我們?cè)谠霾闹圃祛I(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，更快地生產(chǎn)合格零件，將交貨時(shí)間從大約兩年縮短至兩周。”

圖 3：Bolide 賽車尾翼的安裝支架空心、輕巧，但足夠堅(jiān)固結(jié)實(shí)

無(wú)論使用哪種設(shè)備，3D打印的工作原理都是通過(guò)軟件建模，將要打印的部件切割成無(wú)數(shù)層切片，在此過(guò)程中每一層實(shí)體切片需要不斷與電腦建模的數(shù)字切片進(jìn)行對(duì)比，如果有偏差產(chǎn)生就需要修正。

近年來(lái)，3D打印逐漸深入航空業(yè)制造領(lǐng)域。霍尼韋爾預(yù)計(jì)從2018年至2023年，全球航空航天業(yè)的3D打印市場(chǎng)將以20.24%的復(fù)合年增長(zhǎng)率上升。雖然航空業(yè)最初是將3D打印技術(shù)用于原型制作，但如今的用途已擴(kuò)展到幾乎每個(gè)方面，包括維護(hù)、修理和大修（MRO）操作。

使用3D打印技術(shù)，客戶可以按需制造零件也意味著更少的材料浪費(fèi)，同時(shí)還可以減少工具成本支出。更重要的是，3D打印可以制造出具有空心或蜂巢狀結(jié)構(gòu)的輕型零件，而這些零件在傳統(tǒng)加工中很難實(shí)現(xiàn)。此外，3D打印的飛機(jī)零件通過(guò)了強(qiáng)度和耐用性的綜合測(cè)試，同時(shí)也能減輕飛機(jī)的重量，降低燃油消耗。

目前，霍尼韋爾在全球范圍內(nèi)已經(jīng)建立了4個(gè)增材制造技術(shù)中心（美國(guó)鳳凰城、印度班加羅爾、捷克布爾諾和中國(guó)上海），用于開(kāi)展3D打印飛機(jī)配件的研究工作。霍尼韋爾認(rèn)為，3D打印技術(shù)的好處不僅僅是制造和設(shè)計(jì)，還包括總體運(yùn)營(yíng)效率。

采用SLM技術(shù)，生產(chǎn)0.1mm精度級(jí)零部件

據(jù)布加迪發(fā)布公告，公司預(yù)計(jì)將在2021年10月下旬發(fā)布最新超級(jí)跑車——Bolide，屆時(shí)在這輛新車上將會(huì)搭載公司全新的3D打印技術(shù)。Bolide賽車上由3D打印的零件主要包括有車輛前后翼的鈦合金安裝支架。

據(jù)悉，Bolide賽車的前翼支架內(nèi)部呈空心結(jié)構(gòu)，壁厚僅為0.7mm，可承受高達(dá)800kg的空氣下壓力。在320km/h的高速狀態(tài)下，Bolide賽車尾翼承受的空氣下壓力達(dá)1.8t。公司研制的最新3D打印技術(shù)，確保其鈦合金部件具備了足夠的剛度，重量只有幾百克。

對(duì)于車輛前軸上的彈簧減振器元件，垂直接觸力通過(guò)推桿和搖桿傳遞。布加迪通過(guò)3D打印的推桿可以成功將3.5t的推力傳遞到搖桿，推桿和搖桿都呈空心狀結(jié)構(gòu)，擁有不同壁厚。這是布加迪首次采用3D打印技術(shù)，使空心狀結(jié)構(gòu)件達(dá)到局部應(yīng)力的要求。布加迪應(yīng)用3D打印技術(shù)，還對(duì)Bolide賽車的車輪結(jié)構(gòu)件和排氣管部件進(jìn)行了再設(shè)計(jì)制造，使其整車的重量減至1240kg。

作為金屬粉末快速成型技術(shù)，SLM可以直接成型出接近完全致密度的金屬零件，無(wú)需黏結(jié)劑，加工后的部件在精度和力學(xué)性能上都能達(dá)到行業(yè)要求。SLM是使用高功率激光束將一層金屬粉末加工熔合成型，完成熔合后，操作平臺(tái)下調(diào)一個(gè)層厚的距離，繼續(xù)加工下一層粉末，重復(fù)上述步驟，直到選定需要加工的區(qū)域全部熔鑄完成，就得到一件立體的化合物。產(chǎn)品（零件）通過(guò)逐層加工累積而成。

因?yàn)镾LM的綜合性功能強(qiáng)，裝配時(shí)間較少，材料利用率高，廠商采用該技術(shù)可節(jié)約直接成本，縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。另外，SLM的生產(chǎn)過(guò)程靈活，適用于產(chǎn)品生命周期較短的產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品形狀幾乎沒(méi)有限制，空腔、三維網(wǎng)格等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件都可以制作。更為重要的是，由SLM加工的產(chǎn)品質(zhì)量可靠，機(jī)械負(fù)荷性能可與傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)（如鍛造等）相媲美。

事實(shí)上，布加迪早在2018年就成功使用3D打印技術(shù)在賽道級(jí)超級(jí)跑車Divo上制造了車輛的鰭尾燈，新款尾燈采用輕質(zhì)3D打印鰭片制成，燈亮后形成獨(dú)特的光視覺(jué)效果。運(yùn)用3D打印技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的輕量化生產(chǎn)，并只有布加迪一家公司正在做。其他車企也在幾年前，甚至十幾年前就開(kāi)始涉足3D打印領(lǐng)域。2020年，寶馬公司投資1500萬(wàn)歐元在德國(guó)慕尼黑建立3D打印工廠，配合汽車的研發(fā)生產(chǎn)。

在2016年10月舉辦的日本CEATEC展覽上，本田公司展示了一輛造型可愛(ài)的小型面包車，車輛的車身面板和后備箱結(jié)構(gòu)件，都是由3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而大眾汽車則“劍走偏鋒”，沒(méi)有像其他車企那樣將3D打印技術(shù)直接應(yīng)用于車輛制造上，而是應(yīng)用于生產(chǎn)汽車的工具，如車輪保護(hù)夾具、標(biāo)志粘貼輔助器等。