3D 打印对航空航天业有何贡献？

航空航天业是一个要求很高的环境 .它需要无可挑剔的元件，能够承受持续磨损、高压和高温条件。有不断创新 并正在进行研究以确保组件坚固、耐用且重量轻 ，以提高飞机性能，使维护工作更轻松，员工更有效率。这种不可或缺的质量和可靠性必须与商业航班的时间表和预订，以及军用飞机的紧迫性和所需的 24/7 准备就绪相平衡。如果生产和物流链出现问题 、可用性、质量甚至安全 商业和军事飞行可能会受到影响 .

增材制造在航空航天业的发展

这就是增材制造发挥作用的地方。 3D打印发展的初始阶段 ，这是一种极具创新性但相当有限的制造方法。 3D 打印机是一项昂贵的投资，它们速度慢且体积太小，无法用于大规模工业应用。此外，材料市场非常有限，尤其是技术工程材料，3D 打印机制造商通常只允许他们自己的材料用于他们的打印机（供应商锁定）。 3D 打印的时代早已一去不复返了。

如今，增材制造是一个完全发达的行业，具有出色的设计灵活性和材料-打印机兼容性、专业软件 允许进行精确的设计和逆向工程，高度先进的材料可供选择 对于最专业的用途，具有大构建区域的大型 3D 打印机，以及生产与 CNC 同类产品相比没有任何劣势的轻型部件的能力。

视频 1. 空客在其生产线中采用增材制造解决方案。资料来源：空客。

航空航天业力求性能与传统制造的铝制部件同样出色的轻质部件 .减轻重量（轻量化）可以让飞机飞得更快、更远并且消耗更少的燃料。重量每减轻 500 公斤，油耗大约减少 1%，这也意味着二氧化碳排放量减少。

增材制造在航空航天领域的贡献

航空航天业的任何创新想法都必须经过非常细致的评估过程，以检查新材料或技术是否符合FAA 针对飞行和飞机安全制定的众多且严格的规定 ，无论飞机是商用飞机还是军用飞机。许多过时的飞机的部件使用后来证明有毒且需要更换的材料制造，或者使用不再制造且需要重新制造的材料。

增材制造 公司提供各种通过美国联邦航空局认证的灯丝 由于它们具有出色的抗拉强度、耐化学性和耐热性，而且没有有害的副作用 .此类材料的示例是来自 PAEK 系列的灯丝，例如 Essentium PEI 9085 ULTEM 灯丝，Essentium PEEK 或 Essentium PEKK .这些灯丝可用于飞行应用。 ULTEM PEI 灯丝用于 3D 打印照明系统、电气开关、外壳和灯泡插座的部件。

图片 1. 用于太空运载火箭的环境控制管道。使用 Essentium ULTEM 9085 灯丝印刷。来源：Essentium。

PEEK 长丝已在航空航天工业中用于替代铝制发动机部件、轴承、阀门以及光导管，以绝缘和保护飞机内部的光缆和电气系统。

灵活且即时的内部维护

3D 打印在航空航天中的作用已经超越了仅制作原型的阶段，尽管增材制造仍在用于该目的。考虑到航空航天工业的制造规模和成本，通过注塑成型和 CNC 机加工进行原型制作的传统方法既耗时又耗资源 . 3D 打印飞机或其零件的原型可显着降低原型生产和调整的成本、材料浪费和延迟，并允许生产比 CNC 更复杂的结构。

图片 2. 飞机的 3D 打印原型。来源：Essentium。

除了制造卫星部件（航天器天线）、无人机和无人驾驶飞机（转子叶片和发动机部件）外，航空航天工业中最常见的 AM 应用是地面部件和非关键非部件的生产-承重飞行部件 .

由于飞机是一项相当昂贵的投资，旧飞机的服役时间通常比应有的长得多。增材制造是小型维护任务的完美技术 .这些涉及 3D 打印丢失或损坏的飞机内部的非必要组件 ，例如杯架、托盘、马桶盖、风管、仪表板等。借助 AM，即使蓝图丢失，也可以通过逆向工程重新创建一个元素 - 扫描零件，在设计软件中对其进行处理，然后进行 3D 打印。

图 3. 3D 打印的涡轮机。来源：Essentium。

这同样适用于各种工具、夹具和夹具 .在这方面，3D 打印的创新更容易实施，因为地面支持设备不受此类审查 被美国联邦航空局列为适航部件。即使不再制造原始工具，它也可以根据计划进行 3D 打印，或者根据应该适合的螺钉或元件调整工具设计。使用传统的减材制造，这个过程会耗费更多的时间和材料。制造工具、夹具和夹具轻而高效 , 材料用碳纤维、玻璃纤维或金属增强 可以使用。它将使零件比铝轻 50%，但具有出色的强度和耐温性。 Essentium HTN CF25 是用于此目的的一些很棒的灯丝 灯丝，PA CF 灯丝，或 ABS MG94 灯丝。除了强度、阻力和轻便外，面向航空航天工业的灯丝还应该具备的一些其他特性是阻燃性和 ESD 安全性 .生产车间和维护区是温度升高的空间，可能存在爆炸性材料和静电——这对设备和员工来说都是非常危险的组合。 Essentium TPU 90A 阻燃 长丝具有阻燃特性，可显着降低火灾及其蔓延的风险。它非常适合机库或飞机周围使用的工具、夹具和固定装置。

图 4. 使用 Essentium TPU 58D-AS 制成的安全部件。来源：Essentium。

Essentium TPU 58D-AS 另一方面，是专为航空航天业设计的长丝，用于制造应该在飞行前移除的部件 （因此红色引起注意 ). TPU 58D-AS 降低了静电放电的风险，静电放电对人体和电子元件构成危险，而电子元件对于飞机导航系统的正常运行以及其他功能至关重要。

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR 阻燃剂 Essentium TPU 58D-AS

克服物流限制

将飞机保持在安全、飞行就绪和任务就绪的状态 在商业和军事航空航天工业中都极为重要，甚至比不断创新更为重要。增材制造在这些行业中有如此多的应用，正是因为它可以让客运公司、快递公司和军队在飞机维护方面具有更大的独立性和灵活性。

Covid-19 大流行 在很多方面改变了世界。航空航天业也不例外，因为许多供应链在不可预见的时间段内突然暂停 .由于传统制造模式对承包商和送货公司的依赖，这导致生产、维护和送货业务停滞不前。许多商业航空公司因航班取消而蒙受巨大经济损失 ，这意味着必须寻找新方法来降低成本 .增材制造可以解决这个问题。

与传统制造 ，例如 CNC，ESD 安全组件、耐腐蚀组件和高温组件的生产很可能需要使用 昂贵的服务 三个不同的承包商 ，变化多端且漫长的等待时间 （也取决于承包商的供应商），以及驻扎在国外的军用飞机的复杂或不可能的交付。

图 5. 迭代制造示例。来源：Essentium。

另一个问题是一次性工具或有限运行的替换零件 在航空航天工业中无处不在。诉诸注塑成型或 CNC 加工来制作一次性使用的独特工具将意味着不必要的成本和不必要的长时间等待。所有这些都可以通过 3D 打印来解决，因为可以在现场使用一台 3D 打印机使用不同的先进技术丝材生产所有这些零件 以更低的成本和更低的延误风险。这种制造方式还消除了仓储需求 备件遍布世界各地以执行维护任务，因为任何需要的零件都可以随时随地按需进行 3D 打印。所有这些小改进都会导致整体简化和缩短供应和生产链 在航空航天领域，从而降低成本，并平衡飞机留下的碳足迹 .

现实生活中的例子

Axle Box 是 AM 技术在现实航空航天环境中应用的一个很好的例子 公司。他们为 SkyFire 开发了一个无人机平台 , 用于他们的林业和防火 客户。这些元件必须能够承受大规模空中灭火行动的条件——火、水和风。零件以最低成本生产 并以最快的交货时间 与竞争相比。使用 Essentium HTN CF25 3D 打印无人机中体 使用 PA CF 的灯丝和侧盖 灯丝。两种材料的表现都在飞行测试中超出了预期 , 表现出良好的机械性能和高速度。

视频 2.Axle Box 的无人机着陆平台 3D 打印部件。来源：Essentium。

飞机上一个非常常见的故障是液压故障 ，主要是由于飞机的重量及其在飞行过程中承受的压力。过去，维修液压故障的过程在时间和人力方面要求很高，因为它需要几名技术人员找到故障源，然后在安装时将更换件固定到位。这些液压故障发生得如此频繁，而且维修成本如此之高，以至于一家大型航空航天制造商决定3D 打印一个可以将更换部件固定到位的支架，而无需额外的人力来协助该过程 .

将增材制造引入航空航天业是增材制造和航空航天业的突破性发展 .由于航空航天业需要大量具有先进性能的特殊材料，这对 3D 打印世界来说是一个激动人心的变革性挑战。对于航空航天业而言，由于 3D 打印提供了令人印象深刻的速度、规模和迭代可能性，它已朝着更大的设计灵活性、成本降低和物流独立性迈出了重要一步。