3D打印如何革新航空航天与国防
它们可能尚非关键飞行硬件，但用于商用和军用飞机及航天器的3D打印零件正让减重和降低材料成本变得更容易。译文：针对极具体用例存在ROI——并从节省投入的良性用途中获得功能收益。
增材制造前景光明。但对航空航天国防行业有多亮？我们探索3D打印零件当下的影响——及一些局限。
我们采访了3D Systems和3DDirections的工程专家，了解增材制造和3D打印在航空航天国防的走向。但先看看这个充满活力垂直领域的行业演变。
航空航天国防3D打印与增材零件的历史
航空航天国防行业，尤其是美军，是3D打印零件早期采用者，但主要用于测试仿真，因为塑料的防火毒性等级未达金属飞行标准——无论太空还是云端。
3D Systems应用工程师Bryan Newbrite解释，这些测试件多用于无人机和卫星。2008至2013年，Bluestone等增材塑料用于风洞测试和管道零件，陶瓷树脂也用于仿真。
这些用例利于模拟风流。这些零件从未用于载人。在此前，1990年代中期，一些3D零件用于快速铸造。
2007至2013年前后开始变化。
Newbrite说：“航空航天领域最大变化实为阻燃选择性激光烧结开发。这是你开始在商业航空中找到的少数应用之一……基本上在尼龙12或尼龙11中添加阻燃剂，使其通过火焰测试。”
这意义重大，因为意味着材料能耐受一定热量不着火——能快速自熄且不释放有毒烟雾。
首用于卫星。主要原因？投资回报。
Newbrite说：“将卫星送入地球同步轨道每公斤成本4万至5万美元。所以若你能设计卫星结构支架或内部构件并减掉几公斤，额外增材制造成本足以覆盖。”
航空航天3D打印史关键时刻：GE LEAP发动机燃油喷嘴
商用航空最著名增材零件之一是GE为LEAP发动机3D打印的燃油喷嘴。这是研发努力结出硕果并获大量创新关注的典范。
3DDirections总裁兼创始人Chris Barrett解释：“GE在该项目成功的方式是用蛮力实现，意味着制造数千个喷嘴以使其合格为可打印可行零件。”Barrett任Universal Technology Corporation研究科学家，是俄亥俄州扬斯顿州立大学博士候选人。
Barrett说：“之前制造方式基本是将不同类型箔材层层挤压。那是获得所需复杂性的唯一方式。3D版本用相同分层法，但想象手工操作。”
据GE，3D打印喷嘴“比前代耐用五倍”，增材方法“让工程师用更简单设计将钎焊和焊缝从25个减至仅5个。”
3D打印增材制造共同主题：减少零件、步骤或重量
Barrett和Newbrite指出，当今航空航天国防大多数3D打印零件非飞行关键。尽管GE涉足燃油喷嘴，大批量生产仍是问题。
Newbrite说：“随着时间的推移，增材技术和方法肯定会赶上。但成本上，目前生产中真没看到太多。大型商用飞机已非常高效。目前用例高度集中在军用、无人机、无人飞行器和卫星，重量至关重要的领域。”
先进精密CNC机床的传统制造方法将继续主导行业，因仍是最具成本效益。
Barrett说：“通常成本是传统的10到100倍。所以作为零件，最终需展现10到100倍的改进。”
但目前有一些应用在用，许多在评估。波音、空客、霍尼韦尔、GE、洛克希德·马丁等大型商用国防OEM在增材制造研究上投入巨资。
Barrett指出GE另一研发项目，尝试打印飞机发动机大部分零件——先进涡桨（ATP）——用钛超合金成功。
Barrett说：“GE将一个由855个零件组成的发动机减至约12个。发动机重量减轻100磅，燃油效率提升20%。”
重量减轻还使功率比前代提升10%。该发动机计划投入Textron Aviation Cessna Denali飞机量产。
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航空航天国防3D打印：MRO与备件
3D打印更有趣的用例之一是为老旧飞机制造备件，如C-130和B-52上使用的。Barrett解释，这些飞机虽老但仍用于运输货物和部队——其零件越来越难替换。
问题？飞机可能因缺备件长期停飞——有时数年。一些飞机有50年历史，公司不再生产零件——或已倒闭。愿意制备件的公司可能需数年完成。
Barrett说：“研究开始时我们发现，一些零件因在飞机上坐了几十年被颠簸，随飞机拉伸变形而拉伸变形。所以每个零件都略有不同，因为现在的90度转角不再是90度，可能是85度。我无法用一个铸模覆盖所有差异。这为3D打印提供完美案例。”
3D Systems等公司可通过将3D扫描仪带上飞机、创建数字文件、打印每个零件，为每架飞机定制适配其当前状态形状几何的零件。
该老旧备件项目通过成熟先进制造低成本维持（MAMLS）计划涉及多个公私组织，由空军研究实验室资助。
一家在C-130飞机上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登上Better MRO。Metro Aerospace一直向军方交付微叶片零件。微叶片由含玻璃和尼龙珠的轻量、耐腐蚀、耐用聚合物复合材料制成。
阅读“如何将3D打印零件推向航空航天市场”一文，了解Metro Aerospace的挑战与生产成功。
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