從波音量產的鈦合金部件看3D打印+后處理對商業(yè)化的重要性

波音公司于2017年就組建了新的波音增材制造（BAM）業(yè)務單元，以簡化和加速增材制造在整個波音企業(yè)內的應用。波音為787 Dreamliner飛機啟動了3D打印鈦合金結構件的生產。這個3D打印鈦合金結構件是由波音公司設計的，使用的制造工藝為 Norsk Titanium 的快速等離子沉積™技術。而目前，這項技術正得到產業(yè)化應用，究其原因不僅僅是3D打印發(fā)揮了重要作用，后處理技術所扮演的角色也同樣重要。

波音和Norsk Titanium最初的合作是自2016年開始的，當初是試探性地合作，主要基于Norsk生產的零件是否能滿足波音的要求，然后是否符合聯邦航空管理局（FAA）的要求。Norsk Titanium先后滿足了這些嚴苛的條件。在結構件研發(fā)的過程中，雙方共同改進工藝，并進行了一系列嚴格的測試，最終在2017年2月獲得了首個3D打印鈦合金結構件的FAA認證。

Norsk Titanium的快速等離子沉積技術屬于DED工藝，雖然與粉末床選擇性金屬熔融工藝不同的是，這種工藝并不適合加工十分復雜的幾何形狀，但是通過3D打印近凈形部件，然后再通過機加工將其加工到最終所需要的精度，可以縮短加工周期，減少材料浪費并降低成本。

波音選擇使用快速等離子沉積™3D打印技術進行鈦合金結構件的近凈成形制造，該工藝了替代鍛造等傳統(tǒng)制造工藝。Norsk Titanium公司表示通過快速等離子沉積™技術3D打印鈦合金結構件，將最終為每架Dreamliner飛機節(jié)省200萬美元-300萬美元的成本。首批3D打印鈦合金結構件在挪威完成制造，不久之后會轉移到美國Plattsburgh的工廠進行生產，該工廠的規(guī)模為6220平方米，安裝9臺Norsk Titanium的快速等離子沉積™ 設備。

Norsk Titanium 通過3D打印技術制造的這些關鍵零部件標志著波音可以通過增材制造實現的輔助成本效益：縮短交貨期，降低庫存要求，確保未來備件的連續(xù)性。 拿到FAA認證，從而走向產業(yè)化的金屬3D打印，聽起來似乎順理成章。當然這一切的實現并非僅僅完全基于3D打印技術的優(yōu)勢，熱處理是另外一個關鍵的技術。

位于美國賓夕法尼亞州的熱處理專家Solar Atmospheres公司已經成功地加工出了第一批經過美國聯邦航空管理局FAA認證的結構增材制造的Ti-6Al-4V鈦合金零件。。Solar Atmospheres公司的真空熱處理爐消除應力能夠滿足AMS 2801和其他OEM嚴格的規(guī)范要求。

Solar Atmospheres公司位于美國賓夕法尼亞州，從1993年起進入粉末冶金行業(yè)，主要從事粉末冶金(P/M)制品的燒結加工及金屬注射成形的加工和研制。 Solar公司由Willion R. Jones創(chuàng)建于1983年公司擁有配套的20多種真空熱處理及加工設備，加工范圍涉及國防、航空航天、醫(yī)療、工模具、儀器、電子等行業(yè)。熱處理種類有退火、淬火、回火，還有真空中除氣，沉淀強化、固溶強化處理以及氫化處理。此外，還可進行石墨涂復，離子氮化處理和真空焊接等。所謂真空熱處理是工件在10-1~10-2Pa真空介質中進行加熱到所需要的溫度，然后在不同介質中以不同冷速進行冷卻的熱處理方法。

真空熱處理被當代熱處理界稱為高效、節(jié)能和無污染的清潔熱處理。真空熱處理的零件具有無氧化，無脫碳、脫氣、脫脂，表面質量好，變形小，綜合力學性能高，可靠性好（重復性好，壽命穩(wěn)定）等一系列優(yōu)點。因此，真空熱處理受到國內外廣泛的重視和普遍的應用。并把真空熱處理普及程度作為衡量一個國家熱處理技術水平的重要標志。真空熱處理技術是近四十年以來熱處理工藝發(fā)展的熱點，也是當今先進制造技術的重要領域。

根據美國金屬學會熱處理學會、美國金屬處理研究院、美國能源部工業(yè)技術廳對美國熱處理工業(yè)2020年發(fā)展遠景的預測，未來的熱處理工業(yè)要有一流的質量，生產具有零變化率的產品零件，在整個工藝中，零分散度是典型的，能量利用率提高到80%，工作環(huán)境良好，清潔無污染，生產中采用標準的閉環(huán)控制系統(tǒng)，智能系統(tǒng)控制決定產品的性能，綜合技術的結果使工藝時間減少50%, 成本降低75%。

所有這些設想，為真空熱處理技術的發(fā)展提供了廣闊的舞臺和機遇。美國當前產品熱處理生產中，真空熱處理占15%，這一發(fā)展趨勢今后將進一步增長。

總之，3D打印與其他工藝的結合是企業(yè)尋求與應用端深入結合的突破口。即使是GE能夠實現規(guī)模化的噴油嘴3D打印，其商業(yè)化之路上后處理技術和質量檢測也發(fā)揮了極為關鍵的作用。脫離與其他工藝的結合，片面的談3D打印技術是當前的一個普遍誤區(qū)，而走出誤區(qū)，才能擁抱產業(yè)化機會。

來源：3D科學谷

參考資料來源：航空制造網