空客批量化生產(chǎn)3D打印鈦金屬零件的背后

鈦是昂貴的材料，3D打印技術(shù)對(duì)減少鈦金屬的浪費(fèi)起到重要的作用。兩大飛機(jī)制造商空客和波音都已嘗試通過(guò)金屬3D打印技術(shù)直接制造鈦合金飛機(jī)零部件，從而有效的控制鈦合金零部件的制造成本。

2017年9月，空客宣布首次安裝3D打印鈦金屬零件在批量化生產(chǎn)的A350 XWB系列飛機(jī)上。根據(jù)空客，3D打印零件已經(jīng)在其一些系列生產(chǎn)的空客飛機(jī)包括A320neo和A350 XWB測(cè)試飛機(jī)上使用，這款3D打印的零部件是由鈦制成的支架，可以裝配到飛機(jī)吊架中，該平面的部分有效地連接機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然這款3D打印的零件尺寸不大，但它在吊架結(jié)構(gòu)中起著重要的作用。
據(jù)悉，這款3D打印零件是由美國(guó)鋁業(yè)分拆出來(lái)的Arconic生產(chǎn)的。最重要的是，通過(guò)使用粉末床激光熔化系統(tǒng)，可以很快地生產(chǎn)多個(gè)零件。這允許Arconic為A350 XWB生產(chǎn)批量的支架。根據(jù)另外的協(xié)議，Arconic還將為A320生產(chǎn)其他鈦和鎳材質(zhì)的3D打印零件。其中一個(gè)協(xié)議的內(nèi)容是Arconic將為空客的A320系列飛機(jī)提供由高溫鎳超合金制成的3D打印管道部件。先進(jìn)的鎳超級(jí)合金讓這些部件有卓越的耐熱性，使熱空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)散到機(jī)身的其他部分。

根據(jù)Arconic,支架的制造過(guò)程來(lái)之不易，不僅僅考驗(yàn)對(duì)3D打印技術(shù)的了解，還考驗(yàn)相關(guān)的材料處理技術(shù)。此外，3D打印鈦零件比鈷和鎳零件要硬一些。這種材料對(duì)3D打印過(guò)程中的氣氛和打印參數(shù)更為敏感。不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)3D打印機(jī)就可以開(kāi)始生產(chǎn)零件了。相反，對(duì)于機(jī)器及其參數(shù)（如激光功率和激光掃描路徑）需要進(jìn)行不斷的調(diào)整，以確保所制造的零件質(zhì)量和可重復(fù)性。

即便是將設(shè)計(jì)師所認(rèn)為的完美的模型數(shù)據(jù)輸入到3D打印機(jī)中，當(dāng)完成3D打印的時(shí)候，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)從打印機(jī)里面出來(lái)的產(chǎn)品并不具備完美的尺寸要求。當(dāng)打印這些零部件的時(shí)候，任何輕微的改變都可能會(huì)導(dǎo)致尺寸問(wèn)題。據(jù)了解到Arconic在開(kāi)始生產(chǎn)之前，對(duì)原型零件進(jìn)行了大量的建模和測(cè)試，以便在實(shí)際3D打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足客戶(hù)所要求的零件規(guī)格。

Arconic的母公司是全球輕金屬技術(shù)、工程與制造的領(lǐng)導(dǎo)者美鋁公司。美鋁開(kāi)創(chuàng)了推動(dòng)世界發(fā)展的多種材料解決方案，提供由鈦、鎳和鋁制成的增值產(chǎn)品，并生產(chǎn)世界一流的鋁土礦、氧化鋁和原鋁產(chǎn)品。為滿(mǎn)足包括航空航天制造在內(nèi)的各行業(yè)對(duì)增材制造的需求，美鋁將其下游服務(wù)業(yè)務(wù)以Arconic公司的名義拆分出來(lái)。

Arconic已經(jīng)參與3D打印近20年，第一臺(tái)3D打印機(jī)是樹(shù)脂光固化技術(shù)3D打印設(shè)備，這臺(tái)設(shè)備安裝在密歇根州懷特霍爾市的研究中心。通過(guò)這臺(tái)設(shè)備來(lái)3D打印精密鑄造模具，讓Arconic體會(huì)到了3D打印技術(shù)與制造的緊密度。此后，Arconic在德克薩斯州、加利福尼亞州、佐治亞州、密歇根州和賓夕法尼亞州，配備了金屬以及塑料3D打印設(shè)備。

Arconic公司可以為航空航天業(yè)的用戶(hù)提供從航空技術(shù)到金屬粉末生產(chǎn)乃至產(chǎn)品認(rèn)證的專(zhuān)業(yè)服務(wù)。依靠美鋁公司的技術(shù)實(shí)力，Arconic在傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)和3D打印領(lǐng)域都有根基，并擁有航空航天工業(yè)中最大的HIP（熱等靜壓）設(shè)備之一，該設(shè)備用于加強(qiáng)由鈦和鎳基超合金制成的3D打印和非打印部件的金屬結(jié)構(gòu)。此外，在2015年7月收購(gòu)RTI國(guó)際金屬公司后，Arconic加強(qiáng)了在鈦和其他特種金屬在航空航天等領(lǐng)域的制造能力。

隨著2015年收購(gòu)RTI，Arconic獲得了顯著的增材制造領(lǐng)域的專(zhuān)長(zhǎng)，RTI在通過(guò)3D打印金屬和塑料材料來(lái)生產(chǎn)零件方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)RTI的收購(gòu)，Arconic擁有了系統(tǒng)化3D打印鈦金屬的制造能力。隨后，在2016年，Arconic技術(shù)中心內(nèi)專(zhuān)門(mén)開(kāi)設(shè)了3D打印金屬粉末生產(chǎn)設(shè)備。在那里，Arconic生產(chǎn)針對(duì)航空領(lǐng)域所需要的為了3D打印工藝而優(yōu)化的鈦、鎳和鋁粉末。

值得注意的是，Arconic擁有世界上最大的熱等靜壓（HIP）設(shè)備。而在3D打印零件的后期處理過(guò)程中，通常需要HIP來(lái)加強(qiáng)3D打印的金屬部件。

不僅僅是粉末床激光熔化技術(shù)，Arconic還通過(guò)自己的增材制造技術(shù)為金屬3D打印的未來(lái)做出貢獻(xiàn)。 據(jù)了解到Arconic的Ampliforge™技術(shù)是將Sciaky的大型電子束增材制造技術(shù)（EBAM）與鍛造相結(jié)合的過(guò)程。 該方法使用EBAM快速生成近凈形狀，然后應(yīng)用鍛造技術(shù)以獲得適當(dāng)?shù)牧慵?qiáng)度。

傳統(tǒng)的鍛造過(guò)程，從坯料到實(shí)際零件可能需要六到八個(gè)步驟。通過(guò)Ampliforge™工藝，先3D打印預(yù)制件，然后將其鍛造一次，以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)鍛造部件相同的微觀結(jié)構(gòu)。這將節(jié)省大量的時(shí)間和資源，使得零部件的生產(chǎn)成本更高效且更便宜。

Arconic的經(jīng)驗(yàn)可以很好的告訴我們，3D打印不是一個(gè)獨(dú)立的制造過(guò)程，完成符合制造商要求的零件需要對(duì)相關(guān)的后處理技術(shù)進(jìn)行一系列的投資與應(yīng)用方面的整合。而針對(duì)于3D打印技術(shù)本身，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是投資一臺(tái)設(shè)備那么容易。

來(lái)源：3D科學(xué)谷
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