批量金屬3D打印零件能否在航空航天廣泛應用？

魔猴君  行業資訊   731天前

金屬3D打印正在發生飛速發展——最典型的代表就是GE航空已經實現了超10萬個噴嘴頭的制造，并應用在當前最先進的發動機上：

波音777X搭載的GE9X

空客A320 NEO搭載的LEAP-1A

波音737MAX搭載的LEAP-1B

中國C919搭載的LEAP-1C

那么，批量金屬3D打印零件能否在航空航天廣泛應用？

2022珠海航展上的LEAP發動機

它將原來由20個通過焊接制造的部件組合為一個精密整體，使產品重量比上一代減輕了25%，耐用度提高了5倍，成本效益上升了30%，它的復雜特征結構要求其只能采用3D打印工藝制造。這一案例的成功，表明金屬3D打印實現批量化制造是可行的。

國內關于航空航天領域金屬3D打印批量化制造的案例雖沒有公布，但仍可以捕捉到蛛絲馬跡。在航天六院最新的應用案例中有這樣的表述，在85噸級開式循環液氧煤油發動機的研發和制造過程中，“3D打印的關鍵零組件在長期試驗中進行了數十次可靠性考核”。這從側面證明金屬3D打印技術制造的零件質量是可靠的，能夠被航空航天領域所接受。接下來，3D打印技術參考將從生產的角度講述哪些因素會影響面向航空航天領域的批量生產。

1. 產品一致性，可重復制造的關鍵因素

實現批量化制造，代表著金屬3D打印單批次和多批次制造的每一個零件從零件質量、性能到尺寸精度都是完全一致的，即該技術達到了可重復的制造質量。這對打印設備和工藝標準提出了嚴格的要求，知名金屬3D打印品牌Velo3D聲稱，其在全球范圍內布置的任何一臺機器都能打印出具有相同質量的零件，這是對金屬3D打印批量制造產品一致性的良好詮釋。

鉑力特在珠海航展展示的批量生產的安裝支架

對設備的調教必須達到嚴格的標準，能夠實現可重復的制造質量，才具備實現批量制造的基本條件。但這僅是一句系統的描述，卻涉及極廣，如打印過程中成形空間煙霧的排除與氣流調控、激光功率的穩定性控制與將平臺每一處的能量調控在可接受的范圍內、打印室中的氧氣含量控制以及構建完成后所需的后處理等，所需要布置的傳感器可以達到上千個。GE對所收購的Concept Laser打印機也進行了細致的研究、分析和改造，以使其滿足批量制造的能力。

2. 訓練有素的工程師至關重要

對于金屬3D打印技術來說，必然需要大量的專業知識，但并非要求一人多能。這項技術涉及的技術細節非常之多，如面向增材制造的設計、熟練的操作和維護、打印工藝研發與材料質量控制以及后處理等等。

這些所涉及到的過程幾乎均會直接影響到產品的制造質量是否統一。對于致力于面向航空航天領域提供服務的供應商，從事這些環節的人才都不可或缺，尤其是那些訓練有素的工程師。而培養具備這些專業技能的工程師既昂貴且耗時，但不可或缺。

3. 制造成本須持續降低

需要指出的是，除非投資回報率超過其他可用的生產方法，否則3D打印技術將不會被廣泛采用并進行大規模生產。對于航空航天領域來說，成本似乎并不是最重要的，但成本仍然會影響能否實現批量制造。

鑫精合金屬3D打印車間

機器本身的高成本是一個主要問題。但經歷十年技術積累、研發迭代，3D打印機的裝備成本相比早期已經出現相當幅度的降低。同樣的，材料成本也有一致的趨勢。

目前，國內已經有多個滿足航空航天領域制造的增材制造加工服務中心，如鉑力特、鑫精合、飛而康以及鋼研極光等。根據部署，到2025年國內面向金屬3D打印服務的裝備數量保守估計將遠超600臺（點擊）。

無論從技術發展成熟還是從競爭的角度，制造成本持續降低都將是必然。

4. 自動化的調節與生產，將越來越多

盡量減少人為錯誤對金屬增材制造來說至關重要，例如在調節光斑尺寸、多激光搭接時的參數時，工程師人的判斷可能不盡相同，因此有些設備商如華曙高科自主研發了“多激光智能校準系統”，最大程度解決多激光搭接一致性的挑戰，使得打印質量及性能更加均勻。

其他因為人導致的誤差還包括構建基板的調平、零件內部管道的粉末清理以及支撐去除與后處理等，目前的軟件和硬件均在使這些過程變得更為智能。雖然當前的自動化程度還有限，但可以看出，這將會是一種趨勢。

金屬增材制造技術在航空航天領域的應用優勢涵蓋解放設計、高材料利用率、低制造成本、快速制造等多方面，在經歷了早期的質疑后，開始飛速發展。本文主要從生產過程的角度講述了影響金屬3D打印批量生產的因素。

正如3D打印技術參考的一位合作方所指出的，金屬3D打印不是“能打出來”就行，性能要滿足裝機要求，批量生產要穩定高效還要一致性強，成本還要持續降低，對設計對工藝改良升級的革新能力也要持續提升。這樣才能成為制造業供應鏈中不可或缺的一環，這個曾經“非主流”的工藝才有可能在寒冬中生存下去。

來源：3D打印技術參考