3D 打印在航空航天和国防领域的惊人发展

它们可能还不是飞行硬件的关键，但用于商用和军用飞机和航天器的 3D 打印部件使减轻重量和材料成本变得更加容易。翻译：对于非常具体的用例，这里有投资回报率，并且通过充分利用节省的成本获得功能收益。

增材制造前景广阔。但对于航空航天和国防工业来说，它会有多光明呢？我们探索 3D 打印部件如何在今天产生影响，并了解其中的一些限制。

我们与 3D Systems 和 3DDirections 的工程专家进行了交谈，以了解增材制造和 3D 打印在航空航天和国防领域的发展方向。但首先，让我们来看看这个充满活力的垂直行业的演变。

用于航空航天和国防的 3D 打印和增材部件的历史

航空航天和国防工业，尤其是美国军方，是 3D 打印零件的早期采用者，但主要用于测试和模拟，因为塑料的防火和毒性等级不及用于飞行的金属——无论是在太空还是在太空中云。

3D Systems 的应用工程师 Bryan Newbrite 解释说，这些测试部件主要用于无人机和卫星。从 2008 年到 2013 年，像 Bluestone 这样的增材制造塑料被用于风洞和管道部件等测试，但陶瓷树脂也被用于模拟。

这些用例非常适合模拟风的流动。这些部件从未用于人类。在这个时代之前，在 1990 年代中期，一些 3D 零件用于快速铸造。

事情在 2007 年到 2013 年左右开始发生变化。

“航空航天领域最大的变化实际上是阻燃选择性激光烧结的发展，”Newbrite 说。 “这是您开始在商业航空中使用的少数几样东西之一……基本上它采用尼龙 12 或尼龙 11 并添加了阻燃剂，以便通过阻燃测试。”

这很重要，因为这意味着这种材料可以在不着火的情况下保持一定的热量，并且可以在不释放有毒烟雾的情况下迅速自行熄灭。

它首先用于卫星。主要原因？投资回报率。

“将一颗卫星置于地球静止轨道的成本为每公斤 40,000 至 50,000 美元，”Newbrite 说。 “因此，如果您可以设计一个结构支架或卫星的内部构件并减少几公斤，那么必须用添加剂制造它的实际增加成本就远远超出了考虑范围。”

航空航天 3D 打印历史上的关键时刻：GE 的 LEAP 发动机燃油喷嘴

为商业航空制造的最著名的附加部件之一是通用电气为 LEAP 发动机制造的 3D 打印燃料喷嘴。这是研究和开发工作如何取得成果的光辉典范，并为创新赢得了广泛关注。

“通用电气在这个项目中取得成功的方式是，他们只需要使用蛮力来实现它，这意味着他们制造了成千上万个这样的喷嘴，以便能够使它们成为可以打印的可行部件， ” 3DDirections 总裁兼创始人、增材制造顾问和机械工程专家 Chris Barrett 解释道。

Barrett 在 Universal Technology Corporation 工作，是一名研究科学家，并且是一名博士。俄亥俄州扬斯敦州立大学的候选人。

“他们之前的制造方式基本上是将大量不同类型的箔片挤压在一起，”巴雷特说。 “这是他们获得所需复杂性的唯一方法。对于 3D 版本，它使用了相同的分层方法，但图片是手动完成的。”

根据 GE 的说法，3D 打印的喷嘴“比以前的型号耐用五倍”，而添加剂方法“允许工程师使用更简单的设计，将铜焊和焊接的数量从 25 个减少到只有 5 个。”

常见的 3D 打印和增材制造主题：减少零件、步骤或重量

Barrett 和 Newbrite 都指出，如今大多数用于航空航天和国防的 3D 打印部件都不是飞行关键部件。尽管 GE 尝试使用燃料喷嘴，但大批量生产仍是一个问题。

“随着时间的推移，我确信添加剂技术和方法会迎头赶上，”Newbrite 说。 “但在成本方面，你现在真的看不到大量的生产。大型商用飞机变得非常高效。确实，目前大多数用例都主要集中在军事、无人机、无人驾驶飞机和卫星上，这些领域重量真的很重要。”

采用先进和精密数控机床的传统制造方法将继续主导行业，因为它们仍然是最具成本效益的。

“这通常是传统成本的 10 到 100 倍，”巴雷特说。 “所以它需要在一天结束时显示出 10 到 100 倍的改进。”

然而，今天有一些应用程序正在使用，还有许多其他应用程序正在评估中。包括波音、空中客车、霍尼韦尔、通用电气和洛克希德马丁在内的大型商业和国防 OEM 正在大力投资增材制造研究。

Barrett 指出了 GE 的另一个研发项目，该项目试图打印飞机发动机的大部分部件——一种先进的涡轮螺旋桨发动机或 ATP——并成功地使用了钛合金。

“通用电气采用了一个由 855 个零件制成的发动机，并将其减少到大约 12 个，”巴雷特说。 “他们能够将发动机重量减轻 100 磅，并将燃油效率提高 20%。”

查看 GE ATP 引擎的所有 3D 打印组件。资料来源：通用电气

重量的减轻还使功率比其前身提高了 10%。该发动机计划为德事隆航空的 Cessna Denali 飞机投入生产。

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用于航空航天和国防的 3D 打印：MRO 和备件

3D 打印更有趣的用例之一是为传统飞机制造备件，例如在 C-130 和 B-52 上发现的那些。 Barrett 解释说，这架飞机较旧，但仍在用于运输货物和部队——而且它们的零件越来越难以更换。

问题？由于缺乏备件，飞机可能会停飞很长时间——有时会停飞数年。其中一些飞机的历史可以追溯到 50 年前，公司不再为它们制造零件——或者它们已经停业。愿意制造备件的公司可能需要数年时间才能完成。

“当我们开始对此进行研究时，我们发现其中一些部件，因为它们已经坐在飞机上并且已经被殴打了几十年，随着飞机的拉伸和翘曲，它们已经拉伸和翘曲，”巴雷特说。 “所以每个部分都有点不同，因为现在的 90 度转弯不再是 90 度，可能是 85 度。好吧，我不能制造一个能解释所有这些差异的铸模。所以它是 3D 打印的完美案例。”

像 3D Systems 和其他公司这样的公司可以通过将 3D 扫描仪带到飞机上，创建数字文件并打印定制的每个零件以适应该零件在其当前状态下的形状和几何形状，从而为每个飞机制造定制零件。

查看为传统军用飞机制造的 MRO 和备件。来源：3D系统

这个遗留备件项目涉及许多公共和私人组织，通过一项名为“低成本维持先进制造成熟度”或 MAMLS 的计划，该计划由空军研究实验室资助。

一家使用 C-130 飞机取得进展的制造商是 Metro Aerospace，该公司在 2018 年国际制​​造技术展上出现在 Better MRO 上。 Metro Aerospace 一直在向军方提供微叶片部件。微叶片由轻质、无腐蚀、耐用的聚合物复合材料制成，包括玻璃和尼龙珠。

在文章“ 中阅读有关 Metro Aerospace 的挑战和生产成功的所有信息 如何将 3D 打印部件推向航空航天市场 。”

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