增材制造（AM）的零部件用于安裝在飛機(jī)上，已經(jīng)有多年的歷史了，但其作用主要局限于非關(guān)鍵部件，如管道系統(tǒng)和內(nèi)飾部件。即使是用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件（如著名的GE Leap發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴），其對(duì)零部件的性能要求主要是熱傳導(dǎo)而不是機(jī)械性能。那么3D打印，尤其是DED以及PBF金屬3D打印技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件方面有著怎樣的發(fā)展前景，并且面臨著怎樣的挑戰(zhàn)呢？

圖片：Spirit AeroSystems公司開始安裝第一個(gè)為波音787飛機(jī)通過增材制造的鈦結(jié)構(gòu)部件

     為波音商用飛機(jī)制造機(jī)身的Spirit AeroSystems公司，最近開始安裝第一個(gè)為波音787飛機(jī)通過增材制造的鈦結(jié)構(gòu)部件，該部件是一個(gè)用于通道門鎖的配件。

這個(gè)配件支架似乎不是會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)故障的那種關(guān)鍵部件，不屬于那種會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)失敗時(shí)無法飛回家的部件，但這個(gè)部件非常重要，如果這個(gè)部件出故障了，飛機(jī)還能夠安全無礙的飛回家。

       通過3D打印那些具仿生學(xué)特征的復(fù)雜零件具備天然的優(yōu)勢(shì)，3D打印的一些特殊優(yōu)勢(shì)，包括減輕重量，或者通過仿生學(xué)、拓?fù)鋬?yōu)化將原先多個(gè)零件進(jìn)行了大幅度的重新設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化。

    不過對(duì)于飛機(jī)來說，“房屋里的大象是如何獲得認(rèn)證”。因?yàn)轱w機(jī)行業(yè)傾向于認(rèn)證零件設(shè)計(jì)并堅(jiān)持使用該設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)飛機(jī)的生產(chǎn)壽命周期。增材制造的這些更大膽的設(shè)計(jì)，至少對(duì)于結(jié)構(gòu)件來說，必須等待機(jī)會(huì)，為這種的零件認(rèn)證是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的過程。

但所有這一切都將到來。

痛點(diǎn)即機(jī)會(huì)的3D打印

       增材制造在飛機(jī)生產(chǎn)中正在發(fā)揮越來越大的作用，不過對(duì)于想通過3D打印來在航空航天領(lǐng)域站住腳的供應(yīng)商來說，一級(jí)供應(yīng)商的優(yōu)勢(shì)帶來的不僅僅是地位優(yōu)勢(shì)，還包括對(duì)技術(shù)的理解和創(chuàng)新能力。

      由于增材制造的特性，這種技術(shù)開辟了一種精神，需要從增材制造的設(shè)計(jì)過程中，就將不同的加工工藝結(jié)合起來，以增材思維為導(dǎo)向來進(jìn)行3D打印零件的設(shè)計(jì)。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，Spirit AeroSystems公司制造的門鎖配件是由Norsk Titanium專有的快速等離子沉積（RPD）工藝進(jìn)行3D打印的。Norsk Titanium公司的快速等離子沉積?技術(shù)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件研發(fā)，通過技術(shù)研究與改進(jìn)以及一系列嚴(yán)格的測(cè)試，最終于2017年2月獲得了首個(gè)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA適航認(rèn)證。

        3D打印還打開了鈦合金的制造空間，之前，鈦價(jià)格昂貴且制造受限，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，之前通過一個(gè)整塊的鈦合金金屬加工出結(jié)構(gòu)件的過程中，有兩個(gè)原因帶來昂貴的制造成本，首先是必須購買的鈦合金毛坯件，其次是CNC設(shè)備以及加工挑戰(zhàn)，尤其是切削刀具屬于耗材，在加工過程中是另外一項(xiàng)昂貴的成本。而3D打印使得鈦合金的應(yīng)用正在擴(kuò)大。

        由于所需的剛度，碳纖維復(fù)合材料零部件必須直接連接到鈦部件上，這意味著許多曾經(jīng)由易于加工的鋁制成的部件將被替換成鈦合金材料。這聽起來可能違反直覺：擴(kuò)大復(fù)合材料的使用范圍將為鈦合金的3D打印帶來更多機(jī)會(huì)。

      而談?wù)摷庸こ杀竞屠速M(fèi)的飛機(jī)行業(yè)術(shù)語是“買飛比”，也就是說，需要計(jì)算購買的金屬毛坯的重量與最終安裝在飛機(jī)上的成品部件上剩余的金屬重量的倍數(shù)。由固體毛坯加工而成的飛機(jī)零部件很容易具有20-1的“買飛比”，這意味著95％的金屬被加工掉。

     通過Norsk Titanium的快速等離子沉積（RPD）工藝RPD可以使“買飛比”低于3-1。該工藝相對(duì)于粉末床選區(qū)金屬熔化工藝（SLM）工藝而言是快速的，不過需要CNC機(jī)加工來完成多余材料的去除工作，以達(dá)到想要的幾何精度和表面光潔度。然而，“買飛比”并非3D打印在飛機(jī)制造領(lǐng)域的決定性制勝原因。單純的就這款門閂配件來說，通過增材制造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將四個(gè)部件嵌在一起，以最大限度地提高構(gòu)建周期的效率，并最大限度地減少加工設(shè)置，不過這種嵌套設(shè)計(jì)其實(shí)增加了一些金屬材料。

所以，即便是通過3D打印，減重的目標(biāo)也是“有所顧慮”的。

      考慮到后期需要的CNC機(jī)加工過程，3D打印還面臨這更多的挑戰(zhàn)，拿這個(gè)門閂配件來說，零件的設(shè)計(jì)帶有平行的鰭片，其中一個(gè)鰭片在一個(gè)邊緣處彎曲以“流入”另一個(gè)邊緣。事實(shí)證明，這種復(fù)雜的懸臂形式CNC機(jī)加工的過程中是具有挑戰(zhàn)的，不平衡的設(shè)計(jì)帶來加工顫振的可能性，有時(shí)候加工成本的升級(jí)抵消了材料的節(jié)省。

     不過增材制造設(shè)計(jì)（DFAM）也在不斷發(fā)展中。增材制造的真正勝利不僅僅涉及到材料減少，通過拓?fù)鋬?yōu)化或者創(chuàng)成式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)零件重量最小化，通過將多個(gè)零件整合為單一零件來減少裝配需求，通過減少制造步驟來縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。這些優(yōu)勢(shì)綜合起來，使得增材制造具備非常大的發(fā)展前景。另外，雖然我們經(jīng)常將增材制造與3D打印混為一談，然而需要認(rèn)識(shí)的是增材制造更是一種制造手段，從這個(gè)角度來看，增材制造遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了3D打印所面臨的挑戰(zhàn)。增材制造所涉及到的鈦零部件制造步驟就十分不簡(jiǎn)單，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，完成了設(shè)計(jì)與打印僅僅是其中的一個(gè)步驟，還包括CNC機(jī)加工和熱處理，以及某些形式的非破壞性檢查如CT斷層掃描。而在整個(gè)制造過程中還需要考慮如何使認(rèn)證變得簡(jiǎn)化，因?yàn)檫^程的銜接之間都設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)的銜接，如果過程很難預(yù)測(cè)或控制，那么認(rèn)證將變得尤其艱難。

      在這方面，國內(nèi)鉑力特除了金屬增材制造設(shè)備，打造了全套解決方案，包括：產(chǎn)品加工、設(shè)備制造、工藝研發(fā)、原材料研發(fā)及供應(yīng)、軟件開發(fā)等，為用戶提供包括設(shè)計(jì)優(yōu)化、熱處理、精加工、拋光等后處理服務(wù)。如果將這些不同工藝中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)有效的銜接并獲得對(duì)數(shù)據(jù)的解讀能力形成算法，這將進(jìn)一步奠定我國在航空航天領(lǐng)域的增材制造實(shí)力。

      而另外一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)金屬的微觀組織的控制能力，PBF和DED金屬3D打印工藝在實(shí)現(xiàn)零件的幾何形狀的同時(shí)，還影響了金屬的微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)然后期的熱處理等過程還會(huì)進(jìn)一步影響微觀結(jié)構(gòu)，這些過程都給加工和認(rèn)證帶來了不可思議的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

     這與傳統(tǒng)制造工藝非常不同，在傳統(tǒng)制造中，各種工藝步驟的性能更為人所知，因?yàn)槊總€(gè)步驟的約束更具限制性。通過鑄造，鍛造或機(jī)加工，熟悉這些工藝的設(shè)計(jì)工程師可以創(chuàng)建一個(gè)高可信度的零件模型，而通過鑄造，鍛造或CNC機(jī)加工車間準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)加工要求。

增材制造不是這樣的，設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)的零件，在通過3D打印及其下游加工過程中，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)流程效率低下或結(jié)果不足，需要重新更改加工參數(shù)或更改設(shè)計(jì)。因此，增材制造設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)不僅僅是3D打印過程。

FAA這些監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)看到增材制造的優(yōu)勢(shì)，雖然他們知道3D打印可以實(shí)現(xiàn)更好的性能甚至帶來更安全的飛機(jī)。關(guān)鍵是要找到一種方法，而了解3D打印過程所產(chǎn)生的所有重要特性，以及這些特征帶來的結(jié)果，是充滿挑戰(zhàn)的。

解決方案或許另開賽道

    不過，未來，困擾我們的這些質(zhì)量一致性和認(rèn)證問題，或許將通過更高層次的技術(shù)手段得以解決。至少在理論上大數(shù)據(jù)和人工智能有望解決這些問題。人類可以挖掘在增材制造構(gòu)建過程中捕獲的大量數(shù)據(jù)，以獲得其對(duì)下游工藝和零部件最終性能的影響判斷，通過算法來獲得仿真預(yù)測(cè)能力。未來，量子計(jì)算可以用來實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，而實(shí)時(shí)分析帶來的直觀好處是實(shí)時(shí)控制。

    而所有的這一切，將使得未來制造的競(jìng)爭(zhēng)，升級(jí)為數(shù)據(jù)與算法的競(jìng)爭(zhēng)。