從波音公司應(yīng)用案例看3D打印發(fā)展趨勢(shì)

來(lái)源：結(jié)構(gòu)優(yōu)化論壇

波音公司是世界上最大的民用與軍用飛機(jī)制造商，是全球航空航天業(yè)的翹楚。波音公司下設(shè)兩個(gè)業(yè)務(wù)部門：波音民用飛機(jī)集團(tuán)和波音綜合防御系統(tǒng)集團(tuán)，設(shè)計(jì)并制造旋翼飛機(jī)、民用和軍用飛機(jī)、電子和防御系統(tǒng)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、發(fā)射裝置、以及先進(jìn)的信息和通訊系統(tǒng)。波音公司是美國(guó)國(guó)家航空航天局的主要服務(wù)提供商，運(yùn)營(yíng)著航天飛機(jī)和國(guó)際空間站。

波音現(xiàn)有的主要民機(jī)產(chǎn)品包括707、717、737、747、767、777、787系列飛機(jī)和波音公務(wù)機(jī)。作為制造業(yè)的巨頭，波音公司對(duì)3D打印的青睞毋庸置疑。波音公司從1997年起就開始使用3D打印技術(shù)了，在10個(gè)不同的飛機(jī)制造平臺(tái)上已經(jīng)3D打印了超過(guò)50000個(gè)金屬零部件，在最新的波音787“夢(mèng)幻飛機(jī)”上有30個(gè)打印的零件。

金屬結(jié)構(gòu)件
鈦是昂貴的材料，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金結(jié)構(gòu)件的近凈成形制造，更為有效的控制鈦合金零部件制造成本。
波音787飛機(jī)部分鈦合金結(jié)構(gòu)件由Norsk Titanium公司快速等離子沉積技術(shù)3D打印制造，替代鍛造等傳統(tǒng)制造工藝。

NorskTitanium公司表示，通過(guò)快速等離子沉積技術(shù)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件，將最終為每架787飛機(jī)節(jié)省200萬(wàn)美元-300萬(wàn)美元的成本。
該3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的測(cè)試，最終在2017年2月獲得了首個(gè)FAA材料和生產(chǎn)工藝認(rèn)證。標(biāo)志著波音公司3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。

工裝夾具
波音公司和美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）2016年利用3D打印技術(shù)制作了一個(gè)工具：“trim-and-drill”，用于制造下一代波音 777X 客機(jī)的機(jī)翼。

這個(gè)工具創(chuàng)造了一個(gè)3D打印最大物件的世界紀(jì)錄：長(zhǎng)達(dá)5.3米，重約759公斤。3D打印的“trim-and-drill”由碳纖維和ABS樹脂構(gòu)成，制造時(shí)間為30個(gè)小時(shí)。

傳統(tǒng)的“trim-and-drill”工具一般為金屬制造，由第三方供應(yīng)商提供，需耗時(shí)3個(gè)多月。在功能不變的前提下，3D打印的“trim-and-drill”節(jié)省了大量成本、人力和物力。未來(lái)波音公司將會(huì)在更多關(guān)鍵領(lǐng)域中應(yīng)用 3D 打印技術(shù)。

間接3D打印
波音公司HRL實(shí)驗(yàn)室利用3D打印技術(shù)研發(fā)了一種世界上最輕的金屬。
該金屬結(jié)構(gòu)的99.99%都是空氣，固體結(jié)構(gòu)只占0.01%，密度僅為0.9 g/L?？招墓鼙诤穸葍H100納米，比頭發(fā)細(xì)1000倍。

其制造方法為：通過(guò)UV光固化聚合物3D打印模板，然后使用化學(xué)電鍍的方法為模板鍍上一層超薄的鎳，再除掉聚合物模板材料，只留下空心的金屬結(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)是一種由相互連接的空心管金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是重量輕、高強(qiáng)度比和高特定剛性，并且?guī)?lái)各種熱力學(xué)特征。

該材料的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得它可以從壓縮超過(guò)50%的比例中恢復(fù)過(guò)來(lái)，并且具有非常高的能量吸收能力。適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當(dāng)散熱介質(zhì)、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

波音公司將使用這種超輕的3D打印材料用于飛機(jī)墻面和地板等非機(jī)械部件。這將使得飛機(jī)重量大大減輕，提高飛機(jī)的燃油效率。波音聲稱該結(jié)構(gòu)可用于安全地吸收雞蛋從25層樓上落下來(lái)的沖擊力。

從波音公司的應(yīng)用案例可以看到，3D打印的其中一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是高效率、低成本的制造技術(shù)。

比如Norsk Titanium公司快速等離子沉積技術(shù)，是一種絲材3D打印技術(shù)，生產(chǎn)效率比SLM制造系統(tǒng)快50-100倍。與現(xiàn)有的鍛造和機(jī)械加工相比，所需的鈦原料減少25％-75％。

從波音公司的應(yīng)用案例還可以看到另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是：3D打印用于制造生產(chǎn)工具或者間接利用3D打印技術(shù)。

3D打印不僅可以直接生產(chǎn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，也可以作為一種制造生產(chǎn)工具，解決飛機(jī)制造過(guò)程的難點(diǎn)痛點(diǎn)。這不失為一種擴(kuò)大3D打印應(yīng)用范圍的好思路。