航空航天开始采用增材制造

空客A380飞行试验台将于今年晚些时候升空，这将标志着航空制造业的一个重要里程碑。

这是因为为飞机提供动力的罗尔斯·罗伊斯Trent XWB-97发动机将配备有史以来最大的使用3d打印技术制造的民用航空发动机部件。

该部件是一个直径1.5米的前轴承座，包含48个机翼形状的叶片部件，每个部件都是通过3D打印或增材制造生产的。

增材制造是一个总括性术语，涵盖了一系列从粉末材料逐层构建部件的过程。该技术最初被业界用于快速生产原型部件，但越来越多地应用于制造飞机的飞行生产部件。

例如，今年晚些时候，通用电气将开始为其与斯奈克玛合作开发的LEAP发动机打印燃料喷嘴。

3d打印的喷嘴将比现有喷嘴轻25%，比现有喷嘴耐用5倍，现有喷嘴有20个不同的部件。他们将在阿拉巴马州的一个价值5000万美元的工厂生产，该公司声称这将是世界上第一个大规模生产3d打印航空发动机部件的工厂。

与此同时，波音公司的飞机上有数百种类型和数万种3d打印部件。波音研究与技术、材料和制造技术首席工程师利奥•克里斯托杜卢(Leo Christodoulou)表示，其中包括10个不同军用和商用飞机生产项目的3d打印部件。

波音公司的供应商一直在使用选择性激光烧结制造小型聚合物部件，用于F/A-18超级大黄蜂和EA-18G咆哮者等军用飞机以及该公司的商用飞机的环境控制系统管道(ECS)。

“3D打印为降低飞机结构的成本和重量提供了巨大的潜力，并提高了工程师设计部件的能力，这些部件纯粹是为了它们在车辆系统中的最终功能，”Christodoulou说。“它使整体结构的设计和生产成为可能，这意味着将一个组件和几个结构转换为一个整体。”

该公司的金属研究专注于应对供应链中的挑战，例如难以铸造或加工的零件，这些零件需要的数量有限。

Christodoulou说:“我们评估了所有类型的添加剂金属，包括大型线馈系统、直接金属沉积系统和粉末床系统。”

罗尔斯·罗伊斯增材层制造能力中心负责人尼尔·曼特尔(Neil Mantle)表示，尽管罗尔斯·罗伊斯打破纪录的前轴承是一个原型，而不是一个生产部件，但该项目帮助该公司了解了将增材制造技术工业化的挑战。他说:“我们测试了来自新粉末和回收粉末、操作实践和设置、多台机器之间的变化和不同部件几何形状的影响，并获得了宝贵的知识。”

通过前轴承的增材层制造，团队可以花更多的时间来设计和开发该部件，而不必过早地固定其设计，以考虑长时间的加工周期，Mantle表示。通过避免这种情况，我们将第一批部件的整体制造周期缩短了约30%，而较小部件的开发则使用基于激光的系统并行进行。”

吉凯恩航空公司增材制造全球负责人Rob Sharman博士表示，吉凯恩航空公司也在积极投资于增材制造，并且已经采用或即将开始采用各种生产技术。

例如，该公司使用电子束熔化技术——一种利用电子束熔化的金属粉末逐层组装金属组件的工艺——来生产配件和支架等中小型钛组件。

相比之下，线沉积技术更适合于为发动机外壳添加功能等任务，而吹粉沉积可用于修复和修改高价值部件。沙曼说:“增材制造是一个通用术语，就像铸造一样，下面有多个工艺，就像铸造一样，你根据组件、材料和生产速度使用不同的工艺。”

“所以，一般来说，对于有内部通道的复杂小部件，我可能会使用激光粉末床(机器)，但如果我要制造支架或其他小型结构部件，我想使用电子束熔化，因为它生成更快，粉末更便宜，而且残余应力更小，”他补充道。

沙曼表示，在使用增材制造制造飞机结构件时，迄今为止的大部分焦点都集中在制造钛部件上，作为传统生产的钛部件的直接替代品。

他说:“特别是对于航空结构部件，许多增材制造是为了从接近净的形状制造这些部件，以节省成本，因为浪费更少，所以你不会把所有的材料都扔掉。”

然而，随着技术的发展，制造商将越来越多地开始调整组件的设计，以利用新的生产工艺提供的特定机会，Sharman补充道。

事实上，这已经在航空发动机制造业中发生了，公司正在将多个部件集成到一个复杂的部件中，例如通用电气的LEAP发动机燃料喷嘴。

材料也将专门为这一过程设计。现有的3d打印部件通常由钛6Al-4V粉末制成，这是一种最初用于锻件的广泛使用的合金，沙曼说。他补充说:“我们相信下一阶段是将这些合金用于其他生产工艺，例如，使它们更容易接受电子束熔化或金属丝沉积。”“然后你就能从这个过程中得到全部好处，因为你是在为这个过程设计材料。”

为此，该公司正在领导一项价值310万英镑的研究项目，由航空航天技术研究所(Aerospace Technology Institute)和Innovate UK支持，开发专门用于增材制造的钛粉。TiPOW(用于净形状部件制造的钛粉)旨在开发配方和混合粉末，以满足增材制造的需求。

沙曼说，由于材料是在制造部件时生成的，航空航天制造商将开始在部件的不同区域定制材料的性能。这种“功能加载”可用于调整部件在不同位置的微结构和纹理，以满足整个部件的变化载荷。沙曼补充说，最后一步是改变整个零件的合金成分，以满足不同的载荷或要求。沙曼说:“我们目前制造的所有东西看起来都是这样，因为我们制造的方式，但大自然不会像我们这样制造任何东西。”“现在我们终于有了一个过程，可以帮助我们更接近大自然设计和建造事物的方式，但我们才刚刚开始，要模仿这种效率，我们还有很长的路要走。”