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批量金屬3D打印零件能否在航空航天廣泛應用?

魔猴君  行業(yè)資訊   708天前

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金屬3D打印正在發(fā)生飛速發(fā)展——最典型的代表就是GE航空已經(jīng)實現(xiàn)了超10萬個噴嘴頭的制造,并應用在當前最先進的發(fā)動機上:

波音777X搭載的GE9X

空客A320 NEO搭載的LEAP-1A

波音737MAX搭載的LEAP-1B

中國C919搭載的LEAP-1C

那么,批量金屬3D打印零件能否在航空航天廣泛應用?


2022珠海航展上的LEAP發(fā)動機

它將原來由20個通過焊接制造的部件組合為一個精密整體,使產(chǎn)品重量比上一代減輕了25%,耐用度提高了5倍,成本效益上升了30%,它的復雜特征結構要求其只能采用3D打印工藝制造。這一案例的成功,表明金屬3D打印實現(xiàn)批量化制造是可行的。

國內(nèi)關于航空航天領域金屬3D打印批量化制造的案例雖沒有公布,但仍可以捕捉到蛛絲馬跡。在航天六院最新的應用案例中有這樣的表述,在85噸級開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機的研發(fā)和制造過程中,“3D打印的關鍵零組件在長期試驗中進行了數(shù)十次可靠性考核”。這從側面證明金屬3D打印技術制造的零件質量是可靠的,能夠被航空航天領域所接受。接下來,3D打印技術參考將從生產(chǎn)的角度講述哪些因素會影響面向航空航天領域的批量生產(chǎn)。

1. 產(chǎn)品一致性,可重復制造的關鍵因素

實現(xiàn)批量化制造,代表著金屬3D打印單批次和多批次制造的每一個零件從零件質量、性能到尺寸精度都是完全一致的,即該技術達到了可重復的制造質量。這對打印設備和工藝標準提出了嚴格的要求,知名金屬3D打印品牌Velo3D聲稱,其在全球范圍內(nèi)布置的任何一臺機器都能打印出具有相同質量的零件,這是對金屬3D打印批量制造產(chǎn)品一致性的良好詮釋。


鉑力特在珠海航展展示的批量生產(chǎn)的安裝支架

對設備的調教必須達到嚴格的標準,能夠實現(xiàn)可重復的制造質量,才具備實現(xiàn)批量制造的基本條件。但這僅是一句系統(tǒng)的描述,卻涉及極廣,如打印過程中成形空間煙霧的排除與氣流調控、激光功率的穩(wěn)定性控制與將平臺每一處的能量調控在可接受的范圍內(nèi)、打印室中的氧氣含量控制以及構建完成后所需的后處理等,所需要布置的傳感器可以達到上千個。GE對所收購的Concept Laser打印機也進行了細致的研究、分析和改造,以使其滿足批量制造的能力。

2. 訓練有素的工程師至關重要

對于金屬3D打印技術來說,必然需要大量的專業(yè)知識,但并非要求一人多能。這項技術涉及的技術細節(jié)非常之多,如面向增材制造的設計、熟練的操作和維護、打印工藝研發(fā)與材料質量控制以及后處理等等。

這些所涉及到的過程幾乎均會直接影響到產(chǎn)品的制造質量是否統(tǒng)一。對于致力于面向航空航天領域提供服務的供應商,從事這些環(huán)節(jié)的人才都不可或缺,尤其是那些訓練有素的工程師。而培養(yǎng)具備這些專業(yè)技能的工程師既昂貴且耗時,但不可或缺。

3. 制造成本須持續(xù)降低

需要指出的是,除非投資回報率超過其他可用的生產(chǎn)方法,否則3D打印技術將不會被廣泛采用并進行大規(guī)模生產(chǎn)。對于航空航天領域來說,成本似乎并不是最重要的,但成本仍然會影響能否實現(xiàn)批量制造。

鑫精合金屬3D打印車間

機器本身的高成本是一個主要問題。但經(jīng)歷十年技術積累、研發(fā)迭代,3D打印機的裝備成本相比早期已經(jīng)出現(xiàn)相當幅度的降低。同樣的,材料成本也有一致的趨勢。

目前,國內(nèi)已經(jīng)有多個滿足航空航天領域制造的增材制造加工服務中心,如鉑力特、鑫精合、飛而康以及鋼研極光等。根據(jù)部署,到2025年國內(nèi)面向金屬3D打印服務的裝備數(shù)量保守估計將遠超600臺(點擊)。

無論從技術發(fā)展成熟還是從競爭的角度,制造成本持續(xù)降低都將是必然。

4. 自動化的調節(jié)與生產(chǎn),將越來越多

盡量減少人為錯誤對金屬增材制造來說至關重要,例如在調節(jié)光斑尺寸、多激光搭接時的參數(shù)時,工程師人的判斷可能不盡相同,因此有些設備商如華曙高科自主研發(fā)了“多激光智能校準系統(tǒng)”,最大程度解決多激光搭接一致性的挑戰(zhàn),使得打印質量及性能更加均勻。

其他因為人導致的誤差還包括構建基板的調平、零件內(nèi)部管道的粉末清理以及支撐去除與后處理等,目前的軟件和硬件均在使這些過程變得更為智能。雖然當前的自動化程度還有限,但可以看出,這將會是一種趨勢。

總結;

金屬增材制造技術在航空航天領域的應用優(yōu)勢涵蓋解放設計、高材料利用率、低制造成本、快速制造等多方面,在經(jīng)歷了早期的質疑后,開始飛速發(fā)展。本文主要從生產(chǎn)過程的角度講述了影響金屬3D打印批量生產(chǎn)的因素。

正如3D打印技術參考的一位合作方所指出的,金屬3D打印不是“能打出來”就行,性能要滿足裝機要求,批量生產(chǎn)要穩(wěn)定高效還要一致性強,成本還要持續(xù)降低,對設計對工藝改良升級的革新能力也要持續(xù)提升。這樣才能成為制造業(yè)供應鏈中不可或缺的一環(huán),這個曾經(jīng)“非主流”的工藝才有可能在寒冬中生存下去。


來源:3D打印技術參考

   
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