增材制造（AM）的零部件用于安裝在飛機上，已經(jīng)有多年的歷史了，但其作用主要局限于非關(guān)鍵部件，如管道系統(tǒng)和內(nèi)飾部件。即使是用于發(fā)動機部件（如著名的GE Leap發(fā)動機燃料噴嘴），其對零部件的性能要求主要是熱傳導(dǎo)而不是機械性能。那么3D打印，尤其是DED以及PBF金屬3D打印技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)件方面有著怎樣的發(fā)展前景，并且面臨著怎樣的挑戰(zhàn)呢？

圖片：Spirit AeroSystems公司開始安裝第一個為波音787飛機通過增材制造的鈦結(jié)構(gòu)部件

     為波音商用飛機制造機身的Spirit AeroSystems公司，最近開始安裝第一個為波音787飛機通過增材制造的鈦結(jié)構(gòu)部件，該部件是一個用于通道門鎖的配件。

這個配件支架似乎不是會導(dǎo)致飛機故障的那種關(guān)鍵部件，不屬于那種會導(dǎo)致飛機失敗時無法飛回家的部件，但這個部件非常重要，如果這個部件出故障了，飛機還能夠安全無礙的飛回家。

       通過3D打印那些具仿生學(xué)特征的復(fù)雜零件具備天然的優(yōu)勢，3D打印的一些特殊優(yōu)勢，包括減輕重量，或者通過仿生學(xué)、拓?fù)鋬?yōu)化將原先多個零件進行了大幅度的重新設(shè)計，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化。

    不過對于飛機來說，“房屋里的大象是如何獲得認(rèn)證”。因為飛機行業(yè)傾向于認(rèn)證零件設(shè)計并堅持使用該設(shè)計貫穿整個飛機的生產(chǎn)壽命周期。增材制造的這些更大膽的設(shè)計，至少對于結(jié)構(gòu)件來說，必須等待機會，為這種的零件認(rèn)證是一個充滿挑戰(zhàn)的過程。

但所有這一切都將到來。

痛點即機會的3D打印

       增材制造在飛機生產(chǎn)中正在發(fā)揮越來越大的作用，不過對于想通過3D打印來在航空航天領(lǐng)域站住腳的供應(yīng)商來說，一級供應(yīng)商的優(yōu)勢帶來的不僅僅是地位優(yōu)勢，還包括對技術(shù)的理解和創(chuàng)新能力。

      由于增材制造的特性，這種技術(shù)開辟了一種精神，需要從增材制造的設(shè)計過程中，就將不同的加工工藝結(jié)合起來，以增材思維為導(dǎo)向來進行3D打印零件的設(shè)計。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，Spirit AeroSystems公司制造的門鎖配件是由Norsk Titanium專有的快速等離子沉積（RPD）工藝進行3D打印的。Norsk Titanium公司的快速等離子沉積?技術(shù)用于飛機結(jié)構(gòu)件研發(fā)，通過技術(shù)研究與改進以及一系列嚴(yán)格的測試，最終于2017年2月獲得了首個3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA適航認(rèn)證。

        3D打印還打開了鈦合金的制造空間，之前，鈦價格昂貴且制造受限，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，之前通過一個整塊的鈦合金金屬加工出結(jié)構(gòu)件的過程中，有兩個原因帶來昂貴的制造成本，首先是必須購買的鈦合金毛坯件，其次是CNC設(shè)備以及加工挑戰(zhàn)，尤其是切削刀具屬于耗材，在加工過程中是另外一項昂貴的成本。而3D打印使得鈦合金的應(yīng)用正在擴大。

        由于所需的剛度，碳纖維復(fù)合材料零部件必須直接連接到鈦部件上，這意味著許多曾經(jīng)由易于加工的鋁制成的部件將被替換成鈦合金材料。這聽起來可能違反直覺：擴大復(fù)合材料的使用范圍將為鈦合金的3D打印帶來更多機會。

      而談?wù)摷庸こ杀竞屠速M的飛機行業(yè)術(shù)語是“買飛比”，也就是說，需要計算購買的金屬毛坯的重量與最終安裝在飛機上的成品部件上剩余的金屬重量的倍數(shù)。由固體毛坯加工而成的飛機零部件很容易具有20-1的“買飛比”，這意味著95％的金屬被加工掉。

     通過Norsk Titanium的快速等離子沉積（RPD）工藝RPD可以使“買飛比”低于3-1。該工藝相對于粉末床選區(qū)金屬熔化工藝（SLM）工藝而言是快速的，不過需要CNC機加工來完成多余材料的去除工作，以達到想要的幾何精度和表面光潔度。然而，“買飛比”并非3D打印在飛機制造領(lǐng)域的決定性制勝原因。單純的就這款門閂配件來說，通過增材制造結(jié)構(gòu)設(shè)計將四個部件嵌在一起，以最大限度地提高構(gòu)建周期的效率，并最大限度地減少加工設(shè)置，不過這種嵌套設(shè)計其實增加了一些金屬材料。

所以，即便是通過3D打印，減重的目標(biāo)也是“有所顧慮”的。

      考慮到后期需要的CNC機加工過程，3D打印還面臨這更多的挑戰(zhàn)，拿這個門閂配件來說，零件的設(shè)計帶有平行的鰭片，其中一個鰭片在一個邊緣處彎曲以“流入”另一個邊緣。事實證明，這種復(fù)雜的懸臂形式CNC機加工的過程中是具有挑戰(zhàn)的，不平衡的設(shè)計帶來加工顫振的可能性，有時候加工成本的升級抵消了材料的節(jié)省。

     不過增材制造設(shè)計（DFAM）也在不斷發(fā)展中。增材制造的真正勝利不僅僅涉及到材料減少，通過拓?fù)鋬?yōu)化或者創(chuàng)成式設(shè)計實現(xiàn)零件重量最小化，通過將多個零件整合為單一零件來減少裝配需求，通過減少制造步驟來縮短產(chǎn)品上市時間。這些優(yōu)勢綜合起來，使得增材制造具備非常大的發(fā)展前景。另外，雖然我們經(jīng)常將增材制造與3D打印混為一談，然而需要認(rèn)識的是增材制造更是一種制造手段，從這個角度來看，增材制造遠遠超出了3D打印所面臨的挑戰(zhàn)。增材制造所涉及到的鈦零部件制造步驟就十分不簡單，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，完成了設(shè)計與打印僅僅是其中的一個步驟，還包括CNC機加工和熱處理，以及某些形式的非破壞性檢查如CT斷層掃描。而在整個制造過程中還需要考慮如何使認(rèn)證變得簡化，因為過程的銜接之間都設(shè)計到數(shù)據(jù)的銜接，如果過程很難預(yù)測或控制，那么認(rèn)證將變得尤其艱難。

      在這方面，國內(nèi)鉑力特除了金屬增材制造設(shè)備，打造了全套解決方案，包括：產(chǎn)品加工、設(shè)備制造、工藝研發(fā)、原材料研發(fā)及供應(yīng)、軟件開發(fā)等，為用戶提供包括設(shè)計優(yōu)化、熱處理、精加工、拋光等后處理服務(wù)。如果將這些不同工藝中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)有效的銜接并獲得對數(shù)據(jù)的解讀能力形成算法，這將進一步奠定我國在航空航天領(lǐng)域的增材制造實力。

      而另外一個挑戰(zhàn)是對金屬的微觀組織的控制能力，PBF和DED金屬3D打印工藝在實現(xiàn)零件的幾何形狀的同時，還影響了金屬的微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)然后期的熱處理等過程還會進一步影響微觀結(jié)構(gòu)，這些過程都給加工和認(rèn)證帶來了不可思議的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

     這與傳統(tǒng)制造工藝非常不同，在傳統(tǒng)制造中，各種工藝步驟的性能更為人所知，因為每個步驟的約束更具限制性。通過鑄造，鍛造或機加工，熟悉這些工藝的設(shè)計工程師可以創(chuàng)建一個高可信度的零件模型，而通過鑄造，鍛造或CNC機加工車間準(zhǔn)確地實現(xiàn)加工要求。

增材制造不是這樣的，設(shè)計工程師設(shè)計的零件，在通過3D打印及其下游加工過程中，可能會發(fā)現(xiàn)流程效率低下或結(jié)果不足，需要重新更改加工參數(shù)或更改設(shè)計。因此，增材制造設(shè)計的挑戰(zhàn)不僅僅是3D打印過程。

FAA這些監(jiān)管機構(gòu)已經(jīng)看到增材制造的優(yōu)勢，雖然他們知道3D打印可以實現(xiàn)更好的性能甚至帶來更安全的飛機。關(guān)鍵是要找到一種方法，而了解3D打印過程所產(chǎn)生的所有重要特性，以及這些特征帶來的結(jié)果，是充滿挑戰(zhàn)的。

解決方案或許另開賽道

    不過，未來，困擾我們的這些質(zhì)量一致性和認(rèn)證問題，或許將通過更高層次的技術(shù)手段得以解決。至少在理論上大數(shù)據(jù)和人工智能有望解決這些問題。人類可以挖掘在增材制造構(gòu)建過程中捕獲的大量數(shù)據(jù)，以獲得其對下游工藝和零部件最終性能的影響判斷，通過算法來獲得仿真預(yù)測能力。未來，量子計算可以用來實時分析數(shù)據(jù)，而實時分析帶來的直觀好處是實時控制。

    而所有的這一切，將使得未來制造的競爭，升級為數(shù)據(jù)與算法的競爭。