第四屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)5月31日在上海拉開，當(dāng)與會(huì)者集中討論3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景時(shí)，航空業(yè)今年已經(jīng)迎來應(yīng)用突破。
此前一天，空客在創(chuàng)新日活動(dòng)上透露，其采用3D打印技術(shù)制造的客艙隔板和擾流板裝上飛機(jī)已經(jīng)提上日程。前不久空客更是提起一項(xiàng)新專利：運(yùn)用的3D打印技術(shù)可以打印出一整架飛機(jī)。
21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者5月參觀霍尼韋爾航空航天集團(tuán)（下稱“霍尼韋爾”）在美國(guó)鳳凰城的實(shí)驗(yàn)室了解到，2015年年初其首次運(yùn)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)部件，公司計(jì)劃今年再進(jìn)一步，將多個(gè)3D打印部件裝入TPE331發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩個(gè)型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)在全球支線客機(jī)和通航飛機(jī)上運(yùn)用廣泛。
3D打印在國(guó)內(nèi)方興未艾。但在參觀期間記者了解到，3D打印技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展多年，早期稱為增材制造（Additive Manufacturing）?；裟犴f爾增材制造專家Donald Godfrey向記者介紹，目前市面上主要增材制造技術(shù)包括直接金屬激光燒結(jié)、電子光束熔煉和硅砂成型等幾大類型，技術(shù)指標(biāo)各有不同。
“3D打印技術(shù)的好處是提升零部件質(zhì)量，大幅縮短生產(chǎn)和交付時(shí)間，從而節(jié)約投入成本，此外也可以減輕零部件重量。”Donald Godfrey向記者說。但他也表示，由于成本等原因，目前3D打印技術(shù)更多地用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)或者測(cè)試，還無法用于大規(guī)模量產(chǎn)。
不過霍尼韋爾已經(jīng)為3D打印技術(shù)畫出藍(lán)圖——到2020年，40%的飛機(jī)零部件將采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)。包括鳳凰城和上海在內(nèi)，霍尼韋爾已經(jīng)在全球設(shè)立了四個(gè)3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，試圖提升現(xiàn)有3D打印技術(shù)的成熟度。
更輕更快的3D打印
霍尼韋爾總部位于美國(guó)亞利桑那州鳳凰城，其增材制造中心也設(shè)立在此。此前，這一業(yè)務(wù)很少對(duì)媒體開放。
Donald Godfrey是霍尼韋爾事業(yè)部的研究員級(jí)工程師，在先進(jìn)制造工程部負(fù)責(zé)新產(chǎn)品研發(fā)。記者在他的講解下見到了使用3D打印零部件的過程，以及打印出來的樣件。
樣件看上去并不起眼。記者拿到的樣件包括一個(gè)網(wǎng)格狀的立方體、一個(gè)等比例縮小后的發(fā)動(dòng)機(jī)模型、一個(gè)橫切面和一個(gè)鑰匙鏈，長(zhǎng)寬高都在十厘米之內(nèi)。但和傳統(tǒng)方式生產(chǎn)出的同一產(chǎn)品比較便可發(fā)現(xiàn)，3D打印產(chǎn)品重量要輕上一半左右，并且能用更少的材料和體積，達(dá)到同樣的使用需求。
Donald Godfrey介紹，目前霍尼韋爾正在研究的增材制造技術(shù)分為硅砂成型（或稱砂型3D打印技術(shù)）、激光燒結(jié)（DMLS）以及電子束熔煉（EBM）三類。無論采用哪種機(jī)器，其工作原理都是通過軟件建模，將要打印的部件切割成無數(shù)層數(shù)字切片，在此過程中，每一層實(shí)體切片需要不斷與電腦建模的數(shù)字切片對(duì)比，從而發(fā)覺偏差，進(jìn)行修正。
三種技術(shù)中硅砂成型較為普遍，另外兩種則對(duì)材質(zhì)的耐溫性要求更高：激光燒結(jié)的溫度在200度以上，電子束熔煉超過1900度。
霍尼韋爾是航空航天業(yè)中第一家采用電子束熔煉技術(shù)、以718鎳基超合金生產(chǎn)零部件的企業(yè)。718鎳基超合金是目前應(yīng)用最為廣泛的高溫超合金之一。
“電子束熔煉技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有四個(gè)方面，不需要模具，可以減少時(shí)間成本，任何金屬材質(zhì)都可以加工，并且能夠支持各種復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上更為靈活。”Donald Godfrey總結(jié)道。在霍尼韋爾看來，從嚴(yán)格意義上講，電子束熔煉技術(shù)才是真正的3D打印技術(shù)。
去年1月，霍尼韋爾首次采用電子束熔煉技術(shù)“打印”出了HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)的管腔。這一發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)廣泛應(yīng)用于一系列中遠(yuǎn)程公務(wù)機(jī)，包括在國(guó)內(nèi)較為常見的達(dá)索獵鷹、龐巴迪挑戰(zhàn)者、灣流等機(jī)型。
霍尼韋爾副總裁Bob Smith對(duì)記者介紹，未來新技術(shù)運(yùn)用后，有望降低50%的制造成本。成本節(jié)約是因?yàn)楹?jiǎn)化了設(shè)計(jì)程序——在新技術(shù)的幫助下，8個(gè)部件可以組合成1個(gè)部件，交付周期可以從幾個(gè)月大幅縮短到幾周。比如以往用傳統(tǒng)工藝研制渦輪葉片的樣件需要三年，結(jié)合3D打印技術(shù)僅需要9周。
Donald Godfrey表示，今年霍尼韋爾還會(huì)更進(jìn)一步，年內(nèi)將打印6個(gè)TPE331發(fā)動(dòng)機(jī)部件?；裟犴f爾生產(chǎn)的這一發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)已經(jīng)生產(chǎn)了上萬臺(tái)。
大規(guī)模量產(chǎn)尚需時(shí)日
不過Bob Smith和Donald Godfrey等諸多霍尼韋爾人士都坦率地表示，目前3D打印技術(shù)還是用于產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)和測(cè)試產(chǎn)品，并沒有用于大批量生產(chǎn)。
霍尼韋爾在實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，目前3D打印技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效率還不足以和傳統(tǒng)鑄造技術(shù)匹敵，大多數(shù)公司3D打印的部件是按照鑄造或加工的目的而設(shè)計(jì)的，使用增材制造理念設(shè)計(jì)部件的還不普及。
從Donald Godfrey的經(jīng)驗(yàn)來看，目前采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)部件可以節(jié)省時(shí)間，但成本更高，技術(shù)更廣泛地推開才能降低成本。
此外，航空器的組裝過程也較為復(fù)雜。3D打印技術(shù)還不足以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組裝程序。一些3D打印技術(shù)能夠支持的部件大小有限。
目前霍尼韋爾在鳳凰城、上海、印度班加羅爾和捷克布爾諾設(shè)立了3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步測(cè)試現(xiàn)有技術(shù)的成熟度。以上海實(shí)驗(yàn)室為例，其3D打印技術(shù)能夠打印出長(zhǎng)寬高最大為25cm、25cm、32.5cm的部件。
按照霍尼韋爾提供的資料，公司計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)40%的部件采用增材制造的理念設(shè)計(jì)，也就是40%的部件都具備采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的能力。
除了霍尼韋爾，航空界還有很多機(jī)構(gòu)在嘗試運(yùn)用3D打印技術(shù)。在去年交付的A350采用了部分3D打印部件后，空客計(jì)劃今年將把3D打印的客艙隔板裝入客艙，并計(jì)劃2018年為飛機(jī)機(jī)翼裝上3D打印的擾流罩。
空客前不久還更進(jìn)一步地提出了一項(xiàng)全新的技術(shù)專利。除了飛機(jī)更輕更節(jié)省燃油外，整個(gè)機(jī)身都可以采用3D打印技術(shù)。不過，與霍尼韋爾等機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入研發(fā)程序的技術(shù)相比，這一全新的技術(shù)還遠(yuǎn)未到進(jìn)入實(shí)際研制階段，距離大規(guī)模量產(chǎn)更為遙遠(yuǎn)。
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