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B.在航天领域的需求与产业化

时间:2019-04-02 来源:未知 点击:
3D打印要如何迎接挑战以适合航空航天领域生产的需求?
3D打印与材料科学
 
增材制造的早期采用者一直是航天工业,通过3D打印技术来处理非常复杂(通常是定制)的组件。增材制造使设计师能够优化组件的设计,并生产非常复杂的产品,而不会产生高成本,并且避免了开模过程,从而缩短了交付周期。
 
2018年,航空航天行业面临着前所未有的绩效压力,一方面是越来越多的乘客对全球旅行需求的不断增加,另一方面是飞机制造面临着更高的性能要求,更低的制造、运行、维护成本需求,可持续性和效率是航空航天行业所关心的话题。
 
2016年,增材制造市场总规模估计为60.63亿美元,其中航空航天占整个市场的18.2%。到2022年,整个市场预计将增加到262亿美元。
 
典型的航空航天部件的材料浪费在90-99%之间,从长远和地球资源的可持续性发展角度看,如此高的浪费在商业上是不可行的,而增材制造不仅仅提升了零件的性能,还从节约材料方面为航空航天制造业打开了另一扇门。
 
十多年来,航空航天工业一直在探索增材制造工艺的应用。在理解3D打印技术及其局限性方面已经取得了很大进展。只有当人们开始探索通过工艺链(粉末合金,增材制造加工和热处理)过程中所发生的材料科学时,工业化的技术路线图才会变得更加清晰。当增材制造被认为是制造材料而不仅仅是形状的工艺,思维就会发生变化。
 
 
那么3D打印要如何迎接挑战以适合航空航天领域生产的需求?
 
1. 首先,必须确信可以开发出可在单台或多台机器上实现高重复性质的强大流程。
 
随着3D打印技术被纳入更大的制造供应链中,根据3D科学谷的市场研究,人工智能在3D打印车间的运用将发挥两大作用,一是提升工艺的自动化提升水平,这种自动化与车间的机器人自动化是不一样的,拿美国硅谷高科技公司 Authentise的3Diax软件来说,通过人工智能,Authentise尽大程度地确保增材制造过程本身具有可重复性和可追溯性。当然人工智能的运用还带来了第二个优势,数据的价值在于积淀,如果说数据像石油一样是一种资源,那么人工智能就像炼化厂一样将数据的价值提炼出逻辑思维的能力,而这种能力带来了一个直观的结果,那就是加速所生产的产品商业化进程。
 
2. 其次,制造过程必须能够实现商业上可行的商业案例。
 
这方面,我们已经看到了一些早期的成功案例,除了GE的喷油嘴,一个典型的案例是,2017年空客首次安装3D打印钛金属零件在批量化生产的A350 XWB系列飞机上。这款3D打印的零部件是由钛制成的支架,可以装配到飞机吊架中,该平面的部分有效地连接机翼和发动机。这款3D打印零件是由美国铝业分拆出来的Arconic生产的。通过使用粉末床激光熔融金属3D打印系统,可以很快地生产多个零件。
 
当然,单纯依靠3D打印是很难进入到产业化领域的,拿Arconic来说,Arconic在传统金属制造技术和3D打印领域都有根基,并拥有航空航天工业中最大的HIP(热等静压)设备之一,该设备用于加强由钛和镍基超合金制成的3D打印和非打印部件的金属结构。而根据3D科学谷的市场研究,国内企业中铂力特也配备了完善的HIP(热等静压)设备以及质量检测设备。
 
不过当前航空航天领域漫长的认证时间也带来了产业化壁垒的进一步推高,此外由于测试和验证方法(工业CT断层扫描和X射线等)的驾驭能力并不成熟,通常3D打印在航空航天领域的应用涉及到相当高的废品率,这些部件在验证过程中被拒绝,这进一步提高了3D打印进入到产业化领域所面临的挑战。根据3D科学谷的市场判断,当前基于经验的3D打印模式将逐步被以前馈控制,过程监测,人工智能为主导解决方案所进化。
 
除了认证的壁垒,当前3D打印用于航空航天制造领域关键的成本驱动因素包括构建速度、设备投资、粉末、质量验证、消耗品和公共事业费用、运营效率、工艺水平、后处理和昂贵的表面处理等。虽然其中一些因素可以在内部解决,但是3D打印行业需要通过协作来推动一些重要的成本因素(设备、消耗品、粉末等)得到有效解决。
 
最后的挑战是合作创建通用数据和标准,从这方面来说,3D打印行业要取得长远的发展,当前面临的局面更多的是合作而不是无序的竞争。