3D打印如何改變航空業(yè)？

導讀：目前航空業(yè)持續(xù)面臨兩個問題，成本上升和長期環(huán)境可持續(xù)性，增材制造技術(shù)可以解決這兩個問題。飛機零件的3D打印已經(jīng)成為現(xiàn)實，它不僅有助于減少排放，還提供了一種比傳統(tǒng)制造更經(jīng)濟的替代方案。波音表示，當使用 3D 打印部件時，每架飛機可節(jié)省300萬美元。目前，3D打印通常僅限于原型制作和制造不太重要的部件，但隨著技術(shù)的快速發(fā)展，這種情況可能會改變。那么，3D打印會對安全關(guān)鍵部件和系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響呢？在裝配線上使用3D打印如何改變整個航空業(yè)？



3D 打印飛機零件的優(yōu)勢
在飛機上使用 3D 打印部件的優(yōu)勢不僅限于節(jié)省成本，還可以增強原型設(shè)計的能力、進行更快和更精確的制造以及減小碳足跡。

使用 3D 打印部件創(chuàng)建原型可以節(jié)省數(shù)千小時的工作時間，因為新的原型或模型可以在幾分鐘內(nèi)打印出來。與傳統(tǒng)制造相比，使用 3D 打印進行更改也很容易，因為用戶可以使用更便宜的材料快速創(chuàng)建和查看低成本原型。換句話說，研發(fā)人員可以實時看到飛機部件，并使用比最終產(chǎn)品更輕、成本更低的材料進行空氣動力學測試和分析，在進行金屬部件的制造之前能夠進行大量調(diào)整。


△CFM LEAP 發(fā)動機的 3D 打印燃料噴嘴將多個部件整合為一個組件。圖片由 CFM 提供。

3D 打印還使制造速度更快、更精確，特別是在有助于制造過程的固定裝置領(lǐng)域。為了減少從一個零件到另一個零件的變化和錯誤余量，傳統(tǒng)制造制造的零件需要在加工過程中使用固定裝置（如金屬銷）固定到位。但制造數(shù)千個夾具所需的時間或購買成本，對傳統(tǒng)制造商來說是一個很大的挑戰(zhàn)。相比之下，3D 打印使制造商能夠以傳統(tǒng)制造所需成本和工作量的 40%來制造數(shù)千個固定裝置。

最后，在原型制作和制造中節(jié)省所有時間和精力意味著可以用更少的能源和浪費制造更多的零件。由于制造業(yè)和生產(chǎn)占世界總碳排放量的五分之一以上，因此應該優(yōu)先考慮更可持續(xù)的制造業(yè)。3D 打印可以減少高達 90% 的材料消耗，這使得碳足跡大大減少。

航空領(lǐng)域的3D打印安全嗎？
雖然3D打印有很多優(yōu)勢，但由于流程的工作方式，3D 打印仍存在一些安全問題。3D 打印依靠分層輕質(zhì)材料來形成零件，而不是從厚重、堅固的材料塊上切割零件。分層過程通常會導致最終產(chǎn)品更脆弱、多孔或易碎（力學性能不好）。由于零件的特性往往要求嚴格，美國聯(lián)邦航空局最初對 3D 打印部件的認證速度較慢，這些部件比傳統(tǒng)制造的部件更容易損壞或受損。現(xiàn)在，隨著新技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了鈦3D 打印，材料和最終產(chǎn)品比以往任何時候都更堅固，認證可能會更快地向前推進。

圍繞3D打印飛機及其部件的安全協(xié)議和法規(guī)足夠全面，可以確保最終出現(xiàn)在飛機上的任何 3D 打印材料不會對安全產(chǎn)生負面影響。DO-254 和航空硬件的相關(guān)標準已經(jīng)要求進行深層次的測試和質(zhì)量保證，這有助于確保 3D 打印要么僅適用于非安全關(guān)鍵部件，要么需要足夠的檢查和測試以保持人員和飛機安全。

3D打印在航空業(yè)的趨勢
3D 打印只是航空電子設(shè)備變革的一小部分。但3D打印技術(shù)可能有助于實現(xiàn)全新的航空旅行系統(tǒng)，并改變飛機制造商考慮合規(guī)性和認證的方式。3D打印還可以幫助克服當前飛機制造的一些供應鏈挑戰(zhàn)。因此，它可以幫助為城市空中交通 (UAM) 提供動力。UAM 的概念是，有一天我們可能都會使用空中出租車來代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車，或者在傳統(tǒng)汽車之外使用。但要讓 UAM 發(fā)揮作用，我們需要更多的小型飛機，3D 打印可以促進這一過程。

例如，垂直起降飛機 (VTOL) 是 UAM 的一項重要技術(shù)，因為它們不需要大跑道并且可以輕松地在低空飛行。開發(fā)人員目前正在為這些飛機開發(fā) 3D 打印部件。2023年2月，Horizo​​n Aircraft 的一架新型 VTOL 飛機原型飛上了天空，其中包含近800 個 3D 打印部件。


△Horizo​​n Aircraft 原型。圖片由地平線飛機提供。

3D打印在未來可以促進飛機制造像'搭積木'一樣，具體來說，3D打印在航空電子設(shè)備的軟件和硬件合規(guī)性和認證方面采用了一種“裝配線”思維方式。例如，模板是合規(guī)性和認證的重要組成部分，因為它們允許制造商和飛機開發(fā)商以高效和可重復的方式認證新設(shè)計。因此，3D打印提供了一種基于構(gòu)建塊的方法來制作原型和制造零件，有多種類型的模板可以作為公司設(shè)計、制造和開發(fā)新飛機的構(gòu)建塊，并確保符合DO- 178C用于軟件，DO-254 用于硬件。

3D打印將繼續(xù)在航空和其他領(lǐng)域的發(fā)展中做出貢獻，也許有一天你會乘坐一架100% 3D打印的飛機！