[過(guò)去，通過(guò)傳統(tǒng)工藝研制渦輪葉片的樣件需要3年的時(shí)間，而如果采用了3D打印技術(shù)則僅需短短9周，與過(guò)去相比，為整個(gè)供應(yīng)鏈節(jié)約了70%的時(shí)間。]


    美國(guó)亞利桑那州鳳凰城，霍尼韋爾總部增材制造技術(shù)中心，《第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)》記者在一間干凈而不大的生產(chǎn)車間，拿到了一包長(zhǎng)寬高都不到十厘米的小樣件，包括一個(gè)等比例縮小后的發(fā)動(dòng)機(jī)模型、一個(gè)網(wǎng)格狀的立方體、一個(gè)橫切面和一個(gè)鑰匙鏈。


    這些都是霍尼韋爾通過(guò)3D打印出來(lái)的零部件，最近幾年，如何將3D打印技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)飛機(jī)零部件，是DonaldGodfrey一直在從事的工作。


    DonaldGodfrey是霍尼韋爾航空航天集團(tuán)研究員級(jí)工程師，就在去年，他見(jiàn)證了霍尼韋爾首次使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)部件，這一發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)廣泛應(yīng)用于一系列中遠(yuǎn)程公務(wù)機(jī)，包括在國(guó)內(nèi)較為常見(jiàn)的達(dá)索獵鷹、龐巴迪挑戰(zhàn)者、灣流等機(jī)型。今年，公司還計(jì)劃將6~7個(gè)3D打印部件裝入TPE331發(fā)動(dòng)機(jī)。


    盡管技術(shù)門(mén)檻非常高，但如今3D打印在航空制造業(yè)的研究已經(jīng)開(kāi)始由最初的實(shí)驗(yàn)室階段逐步向?qū)嶋H使用階段過(guò)渡。


    降低時(shí)間成本


    霍尼韋爾航空航天集團(tuán)是從2010年進(jìn)入3D打印領(lǐng)域的。2010年6月，霍尼韋爾首次采用718鎳合金3D打印了一個(gè)切向注入噴嘴（TOBI），并將其安裝在了霍尼韋爾飛行試驗(yàn)臺(tái)上。2012年1月，霍尼韋爾使用同種材料打印了旋流發(fā)生器，并在客戶的飛行試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。


    2015年1月，霍尼韋爾運(yùn)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了HTF7000發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)部件。2016年內(nèi)，公司計(jì)劃將6~7個(gè)3D打印部件裝入TPE331發(fā)動(dòng)機(jī)。


    看起來(lái)，3D打印飛機(jī)配件的進(jìn)度并不快，對(duì)此，DonaldGodfrey對(duì)記者介紹，這是由于建立生產(chǎn)粉末、存儲(chǔ)粉末、熔化粉末及后處理工藝的“固定流程”需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，因此日程安排成為了主要挑戰(zhàn)之一，而且這一日程安排還需要獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）、客戶，以及霍尼韋爾首席工程部門(mén)與霍尼韋爾營(yíng)銷部門(mén)的批準(zhǔn)。“一旦獲得了這些批準(zhǔn)，只要使用同樣的機(jī)器和粉末，打印其他部件將非常迅速，事半功倍。”


    DonaldGodfrey介紹，無(wú)論使用何種機(jī)器，3D打印的工作原理都是通過(guò)軟件建模，將要打印的部件切割成無(wú)數(shù)層切片，在此過(guò)程中，每一層實(shí)體切片需要不斷與電腦建模的數(shù)字切片對(duì)比，發(fā)現(xiàn)偏差后進(jìn)行修正。


    霍尼韋爾是第一家使用電子束熔煉（EBM）技術(shù)（3D打印技術(shù)的一種），利用鉻鎳鐵合金718這種鎳基超合金生產(chǎn)航空航天零部件的企業(yè)。電子束熔煉技術(shù)使用的是電子束，而非被稱為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）的多次金屬燒結(jié)/熔化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的激光束。


    “電子束熔煉技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有四個(gè)方面，不需要模具，可以減少時(shí)間成本，任何金屬材質(zhì)都可以加工，并且能夠支持各種復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上更為靈活。”DonaldGodfrey告訴記者，在霍尼韋爾看來(lái)，從嚴(yán)格意義上講，電子束熔煉技術(shù)才是真正的3D打印技術(shù)。


    之所以要花費(fèi)精力研究多年，是因?yàn)?D打印飛機(jī)配件，不僅可以降低制造成本，還可以縮短生產(chǎn)和交付時(shí)間。


    比如霍尼韋爾首次使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)HTF7000鎳基超合金發(fā)動(dòng)機(jī)的管腔，就有望降低50%的制造成本。過(guò)去，通過(guò)傳統(tǒng)工藝研制渦輪葉片的樣件需要3年的時(shí)間，而如果采用了3D打印技術(shù)則僅需短短9周，與過(guò)去相比，為整個(gè)供應(yīng)鏈節(jié)約了70%的時(shí)間。


    “成本的節(jié)約來(lái)自于幾個(gè)方面：一是在設(shè)計(jì)上可以將8個(gè)不同部件編號(hào)組合成只有1個(gè)部件編號(hào)；二是3D打印技術(shù)可以幫助航空制造商減少工裝模具的使用，在生產(chǎn)少量樣件時(shí)，設(shè)計(jì)也可以更加靈活，這使得生產(chǎn)零部件的固定投入成本大幅下降。”DonaldGodfrey對(duì)記者介紹，比如，用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的燃燒室保護(hù)罩就可以降低40%的成本。此外，通過(guò)該技術(shù)還可以減輕零件的重量，這直接關(guān)系到飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。過(guò)去，對(duì)于大型復(fù)雜構(gòu)件，制造商用傳統(tǒng)工藝無(wú)法完成，就拆為幾個(gè)部件，然后再進(jìn)行組合，如今3D打印可以實(shí)現(xiàn)零部件一次成型，這不僅增加了零部件的強(qiáng)度，同時(shí)也減輕了零部件的重量。此外，3D打印技術(shù)還有助于提升零部件質(zhì)量，提高流通合格率，減少庫(kù)存。


    大批量生產(chǎn)尚需時(shí)日


    不過(guò)，包括DonaldGodfrey在內(nèi)的多位霍尼韋爾人士都對(duì)記者坦陳，目前3D打印技術(shù)還主要用于產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)和樣品測(cè)試，并沒(méi)有用于大批量生產(chǎn)。


    DonaldGodfrey指出，目前采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)部件可以節(jié)省時(shí)間，但成本更高，需要技術(shù)更廣泛地推開(kāi)才能降低成本。此外，航空器的組裝過(guò)程也較為復(fù)雜，3D打印技術(shù)還不足以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組裝程序，一些3D打印技術(shù)能夠支持的部件大小有限。


    “目前，增材制造在經(jīng)濟(jì)效率上還不能與更具經(jīng)濟(jì)型的簡(jiǎn)易鑄造技術(shù)相匹敵。”DonaldGodfrey告訴記者，不過(guò)，在未來(lái)幾年，霍尼韋爾等公司將開(kāi)始打印而非鑄造小批量但高價(jià)值的部件。“當(dāng)客戶所需的生產(chǎn)數(shù)量較低時(shí)，零部件制造的成本會(huì)迅速上漲，疊加制造則是解決這一問(wèn)題的好辦法，使用打印技術(shù)生產(chǎn)小批量鑄件，可以節(jié)省客戶的成本和時(shí)間。”


    如今，霍尼韋爾正在四個(gè)增材制造技術(shù)中心開(kāi)展3D打印飛機(jī)配件的研究，這四個(gè)技術(shù)中心分別位于美國(guó)鳳凰城、印度班加羅爾、捷克布爾諾和中國(guó)上海。其中，上海的實(shí)驗(yàn)室可以打印出長(zhǎng)寬高最大為25cm、25cm、32.5cm的部件。公司計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)40%的部件都具備采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的能力。


    正在研究3D打印技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)上的不只是霍尼韋爾。在去年交付的A350采用了部分3D打印部件后，空客計(jì)劃今年將把3D打印的客艙隔板裝入客艙，并計(jì)劃2018年為飛機(jī)機(jī)翼裝上3D打印的擾流罩。


    與高校合作也成為制造商們進(jìn)行3D打印技術(shù)研究的共同模式?；裟犴f爾航空航天集團(tuán)就與美國(guó)的4所大學(xué)簽署了合作協(xié)議，波音、空客等民機(jī)整機(jī)制造商也都選擇與大學(xué)進(jìn)行合作，進(jìn)行3D打印技術(shù)的研究。


    值得一提的是，中國(guó)也已參與到該技術(shù)的研究中來(lái)。比如西北工業(yè)大學(xué)就與空客簽署了合作協(xié)議，共同探索3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，項(xiàng)目重點(diǎn)研究激光3D打印技術(shù)在飛機(jī)部件制造中一次打印成型、減少加工余量以及材料在成型過(guò)程中變形等難題。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)樣件制造，空客承擔(dān)樣件的測(cè)量和評(píng)估工作。

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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