为什么要将金属3D打印用于航空航天

南极熊导读：航空航天业无疑是最早应用增材制造（AM）技能的一个行业，它们将增材技能作为轻量化制造零件（在包管强度的条件下优化重量）的一种方式。如今，航空航天业对于增材制造技能的使用只增不减，Strategic Market Research 的一份陈诉体现，到 2023 年，举世航空航天 3D 打印市场预计将到达 92.3亿美元，复合年增长率为 20.23%。

只管在航空航天业聚合物 3D 打印同样发挥着紧张作用（尤其是在涉及PEEK 和 PEKK等高性能聚合物时），但金属增材制造在该范畴也得到了快速发展。但是，怎样可以大概将金属 3D 打印技能应用到航空航天范畴呢？它又能带来什么利益？金属 3D 打印零件怎样得到认证？为了答复上面这些题目，南极熊在本期文章中总结了增材制造范畴的三位专家对此给出的发起，他们分别是：

第一位专家是 Martin White 博士，他是国际标准构造ASTM International举世先辈制造筹划部的技能运营总监。White 博士负责监督 ASTM 的全部 3D 打印技能项目，重点关注从资格和认证寻衅到质料允许生产的组件，以及加快标准化和提供专家培训。

第二位专家是VELO3D的技能贩卖工程师 Brian Hawkes，Velo3D是航空航天范畴领先的金属 3D 打印公司之一。他在航空航天业工作了约莫 10 年，在他统共 20 年的工程师生存中，他专注于筹划热交换器和复杂的制造。

第三位专家是伊顿航空航天公司增材制造总监 Michael York。他是一个项目标负责人，该项目拥有 23 个获奖的金属增材制造组件，涵盖贸易航空航天、军事、太空和售后市场应用。

△马丁·怀特（Martin White）

△布赖恩霍克斯（Brian Hawkes）

△迈克尔·约克（Michael York）

金属 3D 打印在航空航天中的应用途径

如前所述，金属 3D 打印因其浩繁上风早早受到在航空航天范畴的青睐，这种技能模式历经多年的发展已经很成熟。预计未来几年这个应用率只会增长，特殊是在整个航空航天业都在探求进步行业可连续性发展方案的情况下。White 博士特殊指出，随着筹划新组件的必要，未来几年将更多地使用到金属 3D 打印。随着航空航天朝着电气化和氢能源等替换能源的方向发展，这一期间将很快到来。值得留意的是，很大概必要对整个飞机的飞机布局筹划举行更改，而增材制造大概是此中的一个关键上风。这些技能以可以大概创建传统方法无法实现的多少形状而闻名，使用户可以大概最大限度地进步布局筹划、性能和安全性。

别的，还可以使用多种差异的 3D 打印技能。在批评该行业所使用的差异金属增材技能时，White 博士说：“简而言之，全部金属技能都在思量之中。目标始终是通过有筹划地低落本钱或进步绩效来实现可连续的业务案例。该行业必要思量逾越组件认证以实现工业化的希望，我们渴望在工业化中制造更多的零件。我们看到发动机使用到了粉末床熔融技能的高精度复原功能（即复杂部件），而航空布局通常会应用到定向能量沉积 (DED) 方法的高沉积率和大尺寸本事。“

粘合剂喷射也是一项常用的金属3D打印技能。Mike York 进一步证实了这一点：“在伊顿航空航天公司，我们使用的技能包罗激光粉末床熔合（铝、钛、铬镍铁合金和不锈钢）、电子束粉末床熔合（钛）和金属粘合剂喷射（不锈钢）。”

别的，质料也是增材制造过程的关键。Brian Hawkes 表明说：“所使用的质料也因应用场景和使用要求而异。钛具有高强度重量比，这对于航空航天至关紧张，由于重量更轻的车辆斲丧更少的燃料。镍基高温合金，如铬镍铁合金，由于可以大概在靠近熔点的温度下工作，因此可用于高温情况。铝具有精良的导热性，实用于热交换器等应用。一样平常来说，通过传统制造方法在航空航天中广泛使用的质料也是增材制造的绝佳候选者。”

但是，一旦选择了工艺并决定了质料，金属 3D 打印在整个航空航天范畴就有了许多创新用途。Hawkes 证实了这一点，并批评说：“在高温情况下运行、涉及传热或包罗流体通道的组件多为复杂布局件，而增材制作育非常恰当制造这种与关键航空发动机部件干系的组件，比方热交换器，叶轮、蜗壳等。”

White博士进一步指出了客岁在ICAM 2022 上看到的一些令人印象深刻的应用。这包罗终端应用部件。比方，空客如今正在使用增材制造在A350 WXB 的机翼挂架上制造一个支架作为布局部件，而航空航天巨头波音公司则转向使用 Norsk 的 DED 送丝技能来制造波音 787 后舱室支架。后者尤其值得留意，由于它表明由于质料本钱和加工时间的淘汰，购买飞行率低落了 85%。

△空中客车公司使用金属 3D 打印技能制造的 A350 WXB 上的支架（图片泉源：空中客车公司）

航空航天使用金属增材制造的利益和缺点

如前所述，增材制造对航空航天业有许多利益。这些包罗但不限于优化筹划的本事、轻量化、更快和更自制的开发应用、消除工具、低落本钱，固然尚有可连续性。固然，这些利益不光在航空航天范畴可见，而且对该行业至关紧张。这也是为什么航空航天仍然是 3D 打印的最大接纳者之一的缘故原由。

轻量化带来的利益，可以大概在减轻零件重量的同时优化强度，这一点体现的尤为紧张。来自Velo3D 的 Brian Hawkes 指出：“增材制造可以大概资助工程师生产出满足零件筹划要求的轻质布局，从而减轻飞机的总重量，同时还具有淘汰废料的次要利益。” 究竟上，Mike York 指出，对于增材制造的零件，重量通常会减轻 20-40%。当思量到增材制造淘汰发动机等复杂布局中须要零件数量标本事时，这个数字只会增长。

正如我们已往所见，增材制造作为办理供应链题目的一种方式对整个行业都有利益。Hawkes进一步批评说：“随着供应链的成熟和增材制造的可扩展性得到证实，备件可以很容易地按需生产，淘汰库存需求，并使零件制造更靠近终极用户。维护零件的供应链也可以接纳分布式架构，由于可以从差异的供应商处采购类似的零件，而无需泯灭大量时间来开发新工具。”

△使用 DED 制造的波音 787 船尾厨房支架。增材制造可用于制造像如许的复杂零件（图片泉源：波音）

然而，这并不意味着接纳金属 3D 打印并非没有寻衅。尤其是安全性仍然是用户在摆设新技能时持审慎态度的一个因素，这是可以明白的。而且，就测试数据而言，与来自铸造或锻造质料的测试和操纵履历的巨大存储库相比，增材制造可用的数据要少得多，这使得情况更加恶化。根据 White 博士的说法，这意味着用户必须在风险采取和创新需求之间倘佯。

值得光荣的是，这是可以降服的。一个例子是 ASTM 正在通过 AM CoE 的质料数据和标准化同盟缩小数据网络方面的差距。其目标是使用增材制造代价链中 27 个成员的输入创建高质量的数据集。建模和仿真还可以淘汰所需的测试量，使增材制造在行业中的使用总体上更有把握。

航空航天应用金属 3D 打印部件认证

固然，对于任何渴望在航空航天范畴接纳金属 3D 打印的制造商来说，关键题目之一是零件是否可以通过认证。只管有大概，但也大概很困难。Brian Hawkes 指出，“如今对航空航天应用的部件举行认证是一项寻衅，由于增材制造在航空航天工业中被视为一项相对较新的技能，一些用于认证增材制造部件的标准和指南尚未完全订定。在航空航天工业中，必要一种全面的认证方法。资格认证必须具体阐明打印部件的全部方面，包罗质料选择、生产验证和测试。但这并不意味着没有渴望。只管面对寻衅，但随着政府致力于订定全面的标准和指南，增材制造仍有大概彻底改变航空航天业。“

Martin White 还特殊夸大，不光航空零部件必要通过 FAA 或 EASA 等羁系机构的认证，而且公司还必要拥有本身的质量保障体系。他表明说，“鉴于必要控制增材制造产物的可变性，必须有一个可以提供资格和认证的底子，即质量管理体系(QMS)。增材制造的质量包管本身就是增材制造的一个谎话题，但在最高级别，发起始终是订定筹划并对峙筹划。基于ASTM/ISO 共识的标准也可以构成航空航天 QMS 以及基于标准的认证的底子。”

△只管有限定，公司仍可以大概使用金属增材制造创建许多颠末认证的零件，比方 Velo3D 中的这些示例（图片泉源：Velo3D）

Michael York 指出了另一个范围性，特殊提到了资格认证的本钱：“如今的资格认证本钱高于传统本钱，但预计它会随着时间的推移而降落，从而更容易得到。”

无论怎样，如前所述，纵然过程尚不简单，现实上也有大概拥有颠末认证的零件。York 表明了他们在伊顿的履历，并指出：“伊顿航空航天公司已经对生产中的商用飞机金属增材制造部件举行了认证。通常，认证过程必要大量的质料和过程统计数据，以证实您已经在特定过程以致呆板的特定序列号上完全表征了特定质料。”

很显着，要标准化和推进金属 3D 打印部件的认证，尚有许多工作要做。然而，这固然是可以做到的。像 ASTM International 如许的标准构造在这方面尤其紧张。比方，ASTM 有增材制造质量包管高级培训课程。别的，这些构造通常拥有有助于造就个人本事的认证，比方基于 ASTM/ISO 52942 的 ASTM 呆板操纵员认证，它可以支持在 QMS 中展示操纵员本事。别的，它肯定有助于与大概在航空航天范畴使用金属 3D 打印履历的公司互助，无论是像 Velo3D 如许的 3D 技能制造商，照旧像 Eaton Aerospace 如许履历丰富的航空航天公司。

然而，总的来说，可以肯定地说金属 3D 打印非常恰当航空航天范畴的各种应用。它有许多显着高出缺点的利益，用户可以在许多差异的过程之间举行选择以得到他们想要的效果。话虽这么说，仍然必要做一些工作来使接纳变得更加容易，特殊是在认证和资格方面。

专家看法

“你不必一个人做。协作是关键——增材制造同盟非常善于分享知识和最佳实践。成为标准社区的一部门将提供对开始辈技能的一个很好的概述，接下来将办理哪些差距，并直接与偕行互动” ——马丁怀特（Martin White）

“增材制造在用于精确的应用时会体现出色，增材制造技能的选择必要符合零件的需求。这应该在项目筹划阶段的早期阶段思量，偶尔在动笔之前。您越早思量增材制造的利益，您的终极零件就会越好。假如在筹划阶段开始时担当工程师的全部限定，您大概会看到一个风趣的部门，但它的筹划是自由的，不会对制造技能做出妥协。” – 布赖恩霍克斯（Brian Hawkes）

“重量和增强性能的紧张性使 AM 成为理想的办理方案。再加上航空航天部件的本钱相对较高，以及增材制造相对于铸件质量的进步，你就有了实验增材制造的可靠贸易案例。” – 迈克·伊顿（Mike Eaton）