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軍工航天新聞

空客 A350 XWB 上首個采用增材制造技術制造的鈦部件

星之球科技 來源:世媒公關2015-12-14 我要評論(0 )   

空客 A350 XWB 的連接件入圍2014 年德國經(jīng)濟創(chuàng)新獎終選 包括Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生在內的三位項目合伙人在“2015德國未來獎”中,...


•    空客 A350 XWB 的連接件入圍“2014 年德國經(jīng)濟創(chuàng)新獎”終選
•    包括Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生在內的三位項目合伙人在“2015德國未來獎”中,被共同授予“最佳團隊”的榮譽
•    增材制造技術正在飛機制造業(yè)中普及
•    未來 3D 金屬打印可實現(xiàn)“仿生”飛機構造和輕量化結構

金屬激光熔融技術在飛機制造業(yè)中的地位日益重要。更短的交付周期、更合適的部件和前所未有的成型自由度,這些都是選擇這一技術的重要依據(jù)。如今,該技術在飛機“輕量化結構”和“仿生學”方面的突出表現(xiàn),讓這一趨勢更加顯而易見:金屬激光增材制造技術正在改變我們的設計思維。在未來的飛機設計中,部件將能夠有針對性地吸收力線,同時又符合輕量化要求。耐久、節(jié)約資源、改善成本結構,從而魚和熊掌可以兼得。

Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生、漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授(工程博士)共同參與了空客 A350 XWB 采用的連接件,即所謂的托架3D金屬打印項目的研發(fā)和生產。以前,該部件由鋁(Al)材銑削加工而成。現(xiàn)在,它則可以用鈦(Ti)材料打印而成,減重幅度大于 30%。

空客 A350 XWB 的連接件采用3D打印的生產方式,在2014年入圍了“2014 年德國經(jīng)濟創(chuàng)新獎”的最終評選。評審團的評定意見:這種跨行業(yè)的開發(fā)形式,徹底改變了飛機構件的制造方式和民用飛機的“輕量化”途徑;2015年12月2日,參與該項目的三位成員在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎”中,又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號,并接受了由德國總統(tǒng)親自頒發(fā)的榮譽證書。
   圖1:空客 A350 XWB 采用的連接件,即所謂的托架,入圍了“2014 年德國經(jīng)濟創(chuàng)新獎”的終選。該部件采用鈦(Ti)材料,運用金屬激光熔融技術(LaserCUSING)打印而成。[圖片來源:空客公司]
圖1:空客 A350 XWB 采用的連接件,即所謂的托架,入圍了“2014 年德國經(jīng)濟創(chuàng)新獎”的終選。該部件采用鈦(Ti)材料,運用金屬激光熔融技術(LaserCUSING)打印而成。[圖片來源:空客公司]
圖2:Co<em></em>ncept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生(右一)、漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生(左一)和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授(左二)于2015年12月2日,在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎”中,又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號,并接受了由德國總統(tǒng)Joachim Gauck(右二)親自頒發(fā)的榮譽證書。[圖片來源:Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]

圖2:Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生(右一)、漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生(左一)和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授(左二)于2015年12月2日,在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎”中,又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號,并接受了由德國總統(tǒng)Joachim Gauck(右二)親自頒發(fā)的榮譽證書。[圖片來源:Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]
新的飛機構件設計方法

支持在飛機制造業(yè)中采用金屬激光熔融技術的論點是,自由成型和減重。其中“輕量化”特點可有效幫助航空公司在飛機運營中取得更為經(jīng)濟的效果。固定元件(托架)所能取得的減重效果,將有助于實現(xiàn)更低的燃料消耗,或者提升飛機的裝載能力。設計新的飛機時,需要用到成千上萬個小量制造的 FTI(飛行測試安裝)托架。金屬增材制造(Layer Manufacturing)方法不僅可以幫助設計人員快速生產出新的設計結構,而且生產出的部件重量要比常規(guī)的鑄造件或者銑削件輕 30% 以上。此外,金屬激光增材制造工藝直接以 CAD 數(shù)據(jù)作為基礎,省略了模具,降低了成本,讓部件可以更快的速度投入使用,最多可節(jié)省 75% 的時間。同時,利用該工藝無模具的特點,在早期即可制造出具有接近量產部件特性的原型件,極大節(jié)省模具成本?;诖?,采用金屬激光增材制造技術在設計早期就可發(fā)現(xiàn)錯誤原因并優(yōu)化項目流程。漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生介紹說:“以前,進行部件開發(fā)時,我們需要安排大約六個月的時間,現(xiàn)在只需要一個月。”

“綠色技術”節(jié)約資源
飛機零件在銑削過程中會產生高達 95% 的可回收廢料。而采用激光熔融技術,操作者不僅可得到“接近最終輪廓的部件”,且廢料只有約 5%。“在飛機制造業(yè)中,我們將其稱為‘成品原料比’(buy to fly ratio),90% 在這里是一個了不起的數(shù)值。在對能量效率進行衡量時,這一數(shù)值當然也體現(xiàn)出積極的一面。”漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授(工程博士)說。尤其是應用在像鈦這樣的高級且昂貴的飛機制造材料上時,這種方法更具吸引力。無模具的制造方法節(jié)約了時間,改善了成本結構,有針對性的能源投入和節(jié)約資源是激光熔融技術的一大特點。位于德國利希滕費爾斯地區(qū)的Concept Laser 有限公司首席執(zhí)行官 Frank Herzog先生認為:“LaserCUSING 是一項‘綠色技術’,可改善制造過程中的生態(tài)足跡。”

飛機制造是變革的動力
一般來說,在小量乃至中等數(shù)量的生產中,激光熔融技術總能帶來有利的制造成本效應。Peter Sander先生介紹:“在飛機制造過程中,若要實現(xiàn)規(guī)模效應,每一批次產品生產規(guī)模的大小比大批量生產更為重要。”而采用激光熔融技術無需高額的鑄模投資成本和模具成本。此外,激光增材制造方法還可提供比常規(guī)制造方法更高的造型自由度。像制作凹槽和內部的通道,例如冷卻通道。在航空工業(yè)中,飛機制造商已經(jīng)在考慮用該工藝生產電子設備的冷卻元件和智能的液壓部件。

Emmelmann 教授(工程博士)說:“我覺得這種技術尤其對一米以下的構件,以及推進裝置區(qū)域的部件來說具有巨大潛力。”雖然在未來,人們可能窮盡物理的邊界,創(chuàng)造出更加能夠提升部件尺寸的接合方法。但激光熔融技術首次將前所未有的幾何形狀與功能性聯(lián)系在一起,依然成為目前最吸人眼球的技術。該技術可以讓部件內的能量通量在 CAD 設計階段就能夠非常精確地確定??偟膩碚f,利用激光熔融技術能夠開發(fā)出的安全性部件,比今天的部件更好、更輕且壽命更長。此外,材料特性稍有不同,Emmelmann 教授(工程博士)表示:“激光增材制造的材料具有更高的強度,雖然延展性較低,但經(jīng)過正確的熱處理之后,還是可將其重新提升。”

備件供應 2.0:及時、分散且“按需供應”
“創(chuàng)成式航空”的另一個關聯(lián)應用是在備件領域:未來將可分散地、“根據(jù)需求”貼近應用地制造備件,而且還無需模具。在部件出現(xiàn)故障的情況下,可以直接現(xiàn)場制造備件。因此,分散式的制造網(wǎng)絡將可能興起,使得全球性戰(zhàn)略和地區(qū)性戰(zhàn)略能夠成為現(xiàn)實。這樣可以最大化地縮小運輸距離,更重要的是可以縮短供應時間。 其結果是,維護造成的飛機停運時間和檢查時間將縮短。對于現(xiàn)在因為飛機壽命周期長,而不可避免地建設大型備件倉庫儲備那些極少使用的零件的現(xiàn)狀,在未來將可以緩解,這些倉庫的規(guī)??擅黠@縮小。不僅減少了資金占用,提高了操作靈活性,更重要的是讓安全性部件更快地投入使用。在航空業(yè)都面臨成本壓力的情況下,這具有極大的吸引力。

部件設計或者產品設計中的仿生學
采用金屬激光熔融技術可制造出極為精細的結構,甚至是骨狀的,也就是多孔的結構。“因此,未來的飛機部件將是‘仿生’的。”Emmelmann 教授(工程博士)估計。自然界在數(shù)百萬年間優(yōu)化發(fā)展了各種功能原理和輕量化原理,巧妙地將資源投入最小化,這些都是值得效仿的??湛凸灸壳罢谟薪M織地對這些自然解決方案的適用性進行分析。通過“智能曝光策略”,可以有針對性地往部件投射激光,讓其結構、強度和表面質量達到要求。Peter Sander先生介紹說:在考慮了所有相關安全要求的情況下,首批原型體現(xiàn)出了仿生法的巨大潛力。這種方法可能會帶來設計和制造方面的某種思想轉變。”

疲勞強度作為特性參數(shù)
“目前的技術極限是因表面質量的妥協(xié)而產生的,但該質量仍然與鑄造部件的表面質量具有可比性。”Emmelmann 教授(工程博士)說。這會導致材料的疲勞強度嚴重下降,例如鈦。而它恰恰是飛機結構中高負荷構件的關鍵特性參數(shù)。在這里,人們必須考慮飛機在極長的壽命周期中(>30 年)要承受的高負荷。但是,通過下游的表面處理,例如微噴砂,以及經(jīng)過正確的熱處理之后,疲勞強度將顯著提高。Emmelmann 教授(工程博士)說:“最終結果是,達到了軋制材料的疲勞強度值。”

質量是重要的參數(shù)
對于飛機制造商來說,部件制造階段的質量控制是最重要的工業(yè)化模塊之一。Peter Sander先生介紹:“帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內嵌過程監(jiān)控(Inline Process Monitoring)系統(tǒng),可以在一個 1x1 mm² 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進行監(jiān)控,并將這個過程記錄下來。”在部件制造過程中,諸如 QMmeltpool、QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser 這樣的質量管理模塊是主要的主動質保工具。它們對激光功率、熔池、金屬粉末的層結構進行測量,并且不間斷監(jiān)控以及記錄整個制作過程。質量管理模塊的另一個特征是,在封閉系統(tǒng)中工作,以保證監(jiān)控過程無塵、無污染。這樣可消除對過程可能產生負面影響的所有干擾因素。Frank Herzog先生對此說道:“今天,我們可以說這是一種受控、具有重復精度和過程穩(wěn)定的制造方法。”Emmelmann 教授(工程博士)強調:“質量管理模塊讓我們能夠監(jiān)控并記錄重要的數(shù)據(jù),例如激光參數(shù)、熔池特性以及保護氣體的成分。污染導致的干擾變量可以減弱。在最新的一個研究項目中,我們正在開發(fā)自己的質保方案,光學相干斷層掃描是其基礎之一。”
圖3:帶有Co<em></em>ncept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內嵌過程監(jiān)控(Inline Process Monitoring)系統(tǒng),可以在一個 1x1 mm² 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進行監(jiān)控,并將這個過程記錄下來。[圖片來源:Co<em></em>ncept Laser] 
 

圖3:帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內嵌過程監(jiān)控(Inline Process Monitoring)系統(tǒng),可以在一個 1x1 mm² 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進行監(jiān)控,并將這個過程記錄下來。[圖片來源:Concept Laser]
 

 

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