增材制造如何改善航空航天业

从增材制造的早期开始，3D 打印硬件和材料的供应商就将航空航天业确定为其产品的重要目标。飞机作为具有多种零件的高度复杂的系统，将受益于生产工具和材料的尖端发展，尤其是那些可以减轻重量或增加部件强度的工具和材料。一些 3D 打印工艺声称两者兼而有之。

不幸的是，这并不意味着航空航天业比其他行业更快地采用了增材制造。事实上，由于飞机及其无数部件必须（出于显而易见的原因）经过最严格的认证和测试程序，3D 打印航空部件从概念到实施实际上可能需要数年或数十年的时间。技术是存在的，但来自多年测试和观察的知识却不存在。因此，在生命危险较少的低风险行业中实施增材制造要容易得多。

但是，虽然 3D 打印航空产品的实施速度可能会很慢，但已经达到标准的零件已经对该行业产生了重大影响。从 3D 打印的机舱内壁等简单的东西，到增材制造的金属发动机部件等绝对关键的部件，增材制造无疑开始在世界上最赚钱和快节奏的行业之一起飞。

本文仅概述了增材制造在航空航天工业中的一些应用方式。

轻量化和强度优化

增材制造和减材制造在很多方面存在差异，3D 打印和传统替代品之间的选择往往会出现两难选择。然而，这两种方法之间的主要区别之一是它们各自塑造零件内部几何形状的能力。

3D 打印在航空航天等行业非常有用，因为它允许工程师制造具有部分中空内部的组件，这些组件利用复杂的几何图案在不增加重量的情况下最大化其内部强度。由于 3D 打印机是从“自下而上”构建零件的，因此它们可用于在金属发动机组件或塑料机舱隔板等零件内创建格子状结构。使用传统工艺，如成型（因为液体材料充满整个型腔）或机械加工（因为切削工具无法到达内部而不穿透外部）是不可能做到这一点的。

很难夸大这些晶格结构的重要性。在制造飞机时，每克重量都是最大效率的障碍，但 3D 打印可以通过使用部分中空的格子结构内部构建部件来显着降低部件的质量。格子的编织、结实的线可以以数学优化的方式排列，以最大限度地提高强度并减少压力，确保轻质部件与完全坚固的替代品一样坚固——如果不是更坚固的话。更重要的是，这些螺纹之间的空间是失重的，这意味着零件的整体质量会降低。

有很多航空航天公司使用 3D 打印来制造轻质零件的例子。 2011 年，波音旗下 HRL 实验室的研究人员宣布开发出一种他们认为是“世界上最轻的材料”的金属，其密度仅为 0.9 mg/cc，比聚苯乙烯泡沫塑料轻约 100 倍。研究人员之一 Tobias Schaedler 解释说：“诀窍是制造一个由相互连接的空心管组成的晶格，其壁厚为 100 纳米，比人类的头发细 1000 倍。”

随着研究人员不断探索轻质 3D 打印晶格结构的可能性，航空航天公司将越来越多地参与增材制造，以实现轻量化和强度优化。

原型和备件

在任何行业中，增材制造的最大优势之一是它能够按需和内部制造零件。 3D 打印机可以设置在任何地方，并且可以在很大程度上自主运行，这意味着 3D 打印部件的交货时间非常短。正因为如此，航空航天公司能够快速制造零件的新迭代以进行即时测试，最终缩短研发流程并让零件更快完成。

因此，更快的原型制作是增材制造在航空航天领域的主要用途之一，其结果已得到证明：根据增材制造巨头 Stratasys 的说法，对航空航天原型使用内部 3D 打印可节省约 43% 的时间与注塑和 CNC 模具相比，与 2D 激光切割相比约为 75%。

航空航天将从增材制造中受益的另一个领域是库存维护。平均商用飞机由大约 400 万个部件组成，并非所有部件都由同一制造商制造。这意味着飞机供应商必须保留大量备件库存，以防飞机需要维修。购买这些备件需要付出巨大的代价，购买不动产来存储它们也是如此。

3D 打印机可以在该领域提供非常有用的解决方案。通过在现场保留一台 3D 打印机，航空航天公司可以——而不是用数百万个昂贵的备件填满巨大的仓库——只需以 STL 等可打印格式保存备件的数字图书馆。通过这种方式，公司可以仅在需要时 3D 打印零件。这种使用数字备件库的策略正在逐渐被许多行业采用，并且需要数十年才能大规模实施，但航空航天可能是最大的受益者之一。

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