通过波音787 3D打印钛结构部件看3D打印结构件的发展与挑战

增材制造（AM）的零部件用于安装在飞机上，已经有多年的历史了，但其作用主要局限于非关键部件，如管道系统和内饰部件。即使是用于发动机部件（如著名的GE Leap发动机燃料喷嘴），其对零部件的性能要求主要是热传导而不是机械性能。那么3D打印，尤其是DED以及PBF金属3D打印技术在飞机结构件方面有着怎样的发展前景，并且面临着怎样的挑战呢？

图片：Spirit AeroSystems公司开始安装第一个为波音787飞机通过增材制造的钛结构部件

房屋里的大象

为波音商用飞机制造机身的Spirit AeroSystems公司，最近开始安装第一个为波音787飞机通过增材制造的钛结构部件，该部件是一个用于通道门锁的配件。

这个配件支架似乎不是会导致飞机故障的那种关键部件，不属于那种会导致飞机失败时无法飞回家的部件，但这个部件非常重要，如果这个部件出故障了，飞机还能够安全无碍的飞回家。

通过3D打印那些具仿生学特征的复杂零件具备天然的优势，3D打印的一些特殊优势，包括减轻重量，或者通过仿生学、拓扑优化将原先多个零件进行了大幅度的重新设计，从而实现结构一体化。

不过对于飞机来说，“房屋里的大象是如何获得认证”。因为飞机行业倾向于认证零件设计并坚持使用该设计贯穿整个飞机的生产寿命周期。增材制造的这些更大胆的设计，至少对于结构件来说，必须等待机会，为这种的零件认证是一个充满挑战的过程。

但所有这一切都将到来。

痛点即机会的3D打印

增材制造在飞机生产中正在发挥越来越大的作用，不过对于想通过3D打印来在航空航天领域站住脚的供应商来说，一级供应商的优势带来的不仅仅是地位优势，还包括对技术的理解和创新能力。

由于增材制造的特性，这种技术开辟了一种精神，需要从增材制造的设计过程中，就将不同的加工工艺结合起来，以增材思维为导向来进行3D打印零件的设计。据了解，Spirit AeroSystems公司制造的门锁配件是由Norsk Titanium专有的快速等离子沉积（RPD）工艺进行3D打印的。Norsk Titanium公司的快速等离子沉积™技术用于飞机结构件研发，通过技术研究与改进以及一系列严格的测试，最终于2017年2月获得了首个3D打印钛合金结构件的FAA适航认证。

3D打印还打开了钛合金的制造空间，之前，钛价格昂贵且制造受限，根据3D科学谷的市场观察，之前通过一个整块的钛合金金属加工出结构件的过程中，有两个原因带来昂贵的制造成本，首先是必须购买的钛合金毛坯件，其次是CNC设备以及加工挑战，尤其是切削刀具属于耗材，在加工过程中是另外一项昂贵的成本。而3D打印使得钛合金的应用正在扩大。

由于所需的刚度，碳纤维复合材料零部件必须直接连接到钛部件上，这意味着许多曾经由易于加工的铝制成的部件将被替换成钛合金材料。这听起来可能违反直觉：扩大复合材料的使用范围将为钛合金的3D打印带来更多机会。

而谈论加工成本和浪费的飞机行业术语是“买飞比”，也就是说，需要计算购买的金属毛坯的重量与最终安装在飞机上的成品部件上剩余的金属重量的倍数。由固体毛坯加工而成的飞机零部件很容易具有20-1的“买飞比”，这意味着95％的金属被加工掉。

通过Norsk Titanium的快速等离子沉积（RPD）工艺RPD可以使“买飞比”低于3-1。该工艺相对于粉末床选区金属熔化工艺（SLM）工艺而言是快速的，不过需要CNC机加工来完成多余材料的去除工作，以达到想要的几何精度和表面光洁度。然而，“买飞比”并非3D打印在飞机制造领域的决定性制胜原因。单纯的就这款门闩配件来说，通过增材制造结构设计将四个部件嵌在一起，以最大限度地提高构建周期的效率，并最大限度地减少加工设置，不过这种嵌套设计其实增加了一些金属材料。

所以，即便是通过3D打印，减重的目标也是“有所顾虑”的。

考虑到后期需要的CNC机加工过程，3D打印还面临这更多的挑战，拿这个门闩配件来说，零件的设计带有平行的鳍片，其中一个鳍片在一个边缘处弯曲以“流入”另一个边缘。事实证明，这种复杂的悬臂形式CNC机加工的过程中是具有挑战的，不平衡的设计带来加工颤振的可能性，有时候加工成本的升级抵消了材料的节省。

不过增材制造设计（DFAM）也在不断发展中。增材制造的真正胜利不仅仅涉及到材料减少，通过拓扑优化或者创成式设计实现零件重量最小化，通过将多个零件整合为单一零件来减少装配需求，通过减少制造步骤来缩短产品上市时间。这些优势综合起来，使得增材制造具备非常大的发展前景。另外，虽然我们经常将增材制造与3D打印混为一谈，然而需要认识的是增材制造更是一种制造手段，从这个角度来看，增材制造远远超出了3D打印所面临的挑战。增材制造所涉及到的钛零部件制造步骤就十分不简单，根据3D科学谷的市场研究，完成了设计与打印仅仅是其中的一个步骤，还包括CNC机加工和热处理，以及某些形式的非破坏性检查如CT断层扫描。而在整个制造过程中还需要考虑如何使认证变得简化，因为过程的衔接之间都设计到数据的衔接，如果过程很难预测或控制，那么认证将变得尤其艰难。

在这方面，国内铂力特除了金属增材制造设备，打造了全套解决方案，包括：产品加工、设备制造、工艺研发、原材料研发及供应、软件开发等，为用户提供包括设计优化、热处理、精加工、抛光等后处理服务。如果将这些不同工艺中的数据实现有效的衔接并获得对数据的解读能力形成算法，这将进一步奠定我国在航空航天领域的增材制造实力。

而另外一个挑战是对金属的微观组织的控制能力，PBF和DED金属3D打印工艺在实现零件的几何形状的同时，还影响了金属的微观结构，当然后期的热处理等过程还会进一步影响微观结构，这些过程都给加工和认证带来了不可思议的复杂挑战。

这与传统制造工艺非常不同，在传统制造中，各种工艺步骤的性能更为人所知，因为每个步骤的约束更具限制性。通过铸造，锻造或机加工，熟悉这些工艺的设计工程师可以创建一个高可信度的零件模型，而通过铸造，锻造或CNC机加工车间准确地实现加工要求。

增材制造不是这样的，设计工程师设计的零件，在通过3D打印及其下游加工过程中，可能会发现流程效率低下或结果不足，需要重新更改加工参数或更改设计。因此，增材制造设计的挑战不仅仅是3D打印过程。

FAA这些监管机构已经看到增材制造的优势，虽然他们知道3D打印可以实现更好的性能甚至带来更安全的飞机。关键是要找到一种方法，而了解3D打印过程所产生的所有重要特性，以及这些特征带来的结果，是充满挑战的。

解决方案或许另开赛道

不过，未来，困扰我们的这些质量一致性和认证问题，或许将通过更高层次的技术手段得以解决。至少在理论上大数据和人工智能有望解决这些问题。人类可以挖掘在增材制造构建过程中捕获的大量数据，以获得其对下游工艺和零部件最终性能的影响判断，通过算法来获得仿真预测能力。未来，量子计算可以用来实时分析数据，而实时分析带来的直观好处是实时控制。

而所有的这一切，将使得未来制造的竞争，升级为数据与算法的竞争。