航空航天工業(yè)一直尋求增材制造以提高效率、減少浪費，成為增材制造早期且熱情的采用者。增材制造技術已用于飛行器內部制造支架；已用于打印發(fā)動機零件，從而大大減少了組件數量；甚至被用于生產21千克的無人機，以試驗新技術。
粘合劑噴射增材制造技術公司ExOne認為，由3D打印技術制成的零件通常用于航空航天產品。西科斯基CH-53重型直升機就是一個例子，它使用由ExOne 3D打印工具制成的復合材料空氣導管。這種好處是雙向的，航空航天企業(yè)的興趣也鼓勵了3D打印的進步。航空航天工業(yè)對增材制造的功能有強烈的需求，全世界的大型航空航天制造商都在講述他們的3D打印故事，它得到了驗證，這使人們能夠更認真地對待要求更高的應用。
GE航空：提高增材制造創(chuàng)新能力
出于各種原因，航空航天被增材制造所吸引。首先，航空工業(yè)廣泛使用昂貴的金屬，例如鈦。在傳統(tǒng)的減法制造中，超過90％的材料被去除，從而導致嚴峻的買飛比（BFT：buy to fly ratio）。3D打印能夠實現新形狀，這意味著需要制造的零件數量將減少。通過3D打印，材料的浪費也更少。橡樹嶺國家實驗室（ORNL）認為，航空航天產品必須使用大量的鈦，會得到很多廢料。在切削工具方面鈦是殘酷的，鈦很難加工，增加了停機時間和刀具成本，但鈦容易3D打印。
3D打印也被視為使用較輕材料的一種方式。除鈦外，此類材料還包括鋁、碳纖維和復合材料。對于某些零件，重量可以減少約一半。輕量化至關重要——東西越重，將其保持在空中所需的能量就越大。航空航天工業(yè)愿意為增材制造零件支付溢價，所有的航空航天企業(yè)都做過計算，并宣稱增材制造是如何提高其競爭力的。
通用電氣公司一直是最主要的增材制造采用者之一。CFM是GE航空與法國賽峰集團之間的平股合資企業(yè)，擁有四個經過美國聯邦航空管理局認證的3D打印零件。它們是用于GE90-94B的T25傳感器和CFM LEAP燃油噴嘴頭，以及GEnx-2B電動門開啟系統(tǒng)（PDOS）支架和GE Passport氣—油分離器。
CFM LEAP發(fā)動機的燃油噴嘴系統(tǒng)于2015年在阿拉巴馬州一家工廠首次投入生產，這是首批因3D打印而廣為人知的航空航天系統(tǒng)之一。去年，該工廠生產了第30000個燃油噴嘴頭，該工藝也用于GEnx PDOS支架。GE還開發(fā)了GE Catalyst，這是一種渦輪螺旋槳發(fā)動機，可將855個常規(guī)零件組合成12個組件，而GE9X則將300多個常規(guī)零件組合成僅7個3D打印組件。GE航空表示已經確認了80多個要使用3D打印的零件。
GE航空的增材制造從大量新產品的引入開始，但是已經將重點轉移到了降低現有產品成本的基礎上。增材制造為GE工程師提供了全新的創(chuàng)造自由度，從根本上改變了他們進行設計的方式。制造成本和設計復雜性之間的范式已經顛覆，使用增材制造，可以優(yōu)化設計以提高性能。3D打印可以加速零件生產和試驗，由于零件產出更快，公司提前6個月完成了Catalyst燃燒室的臺架試驗。
GE還通過收購德國概念激光公司和瑞典Arcam AB的多數股權，投資了這項技術。隨著GE增材制造部門的發(fā)展，其業(yè)務可以在數小時而不是數月內給出反饋并進行調整。隨著公司繼續(xù)發(fā)展增材制造工程和制造能力，這些投資使GE航空成為更好的增材制造設備供應商。ORNL認為GE為推動3D打印在航空航天領域的發(fā)展做出了巨大貢獻。
空客公司：快速制造備件滿足需求
空中客車集團是另一家采用3D打印的飛行器制造商。自2015年以來，空客對其“在現實中試驗高科技目標”小型無人機進行了試飛，它的大約90％的結構組件是由塑性聚酰胺粉末3D打印的。空客公司將THOR描述為“一個在實際飛行條件下實現不同技術的低風險和快速開發(fā)的平臺。”空客利用增材制造技術提高了THOR的開發(fā)速度，花了七個星期的時間打印了60個結構部分，又花了一個星期組裝該飛機。
空客以其他方式擴大了對增材制造的使用。5年前，公司開始使用3D打印或所謂的“添加層制造”（ALM）制造支架。空客表示這是逐步引入ALM技術的長期戰(zhàn)略的第一步。在過去5年中，空客逐漸增加了ALM在批量生產和在役飛機中的應用數量。公司已經生產并在空客飛機上安裝了7萬多個3D打印零件，大多數零件都是用聚合物打印的，但用鈦和鎳基合金的越來越多。
由聚合物制成的3D打印備件已經用在了A350 XWB系列飛機上。一些A320neo和A350 XWB試驗飛機配備了金屬打印的座艙支架和燃油管路。公司表示，更多的金屬零件正在認證過程中。空客使用的特殊增材制造技術，包括細絲沉積和粉末床聚合物技術、金屬粉末床和金屬線定向能沉積。目前，空客對可用于3D打印的材料數量感到滿意。在航空工業(yè)中使用ALM的合格鑒定工作在成本和時間上都非常苛刻。因此，空客公司的重點是在確認了價值創(chuàng)造機遇的幾種常用金屬合金上引入該技術。
空客正在與Autodesk的生成設計合作，使用人工智能重新設計面向其他制造技術設計而現在要用3D打印的零件。2015年，空客推出了所謂的“仿生隔板”，這是一種金屬3D打印墻和后座支撐結構，將客艙和飛機廚房分隔開。該隔板比常規(guī)制造的隔板輕約45％，空客打算為A320飛機生產該隔板。不過，空客預計金屬3D打印的成本將下降得更快。Autodesk正在稍微修改設計，使其具有許多相同的優(yōu)點。這第二種設計要求3D打印隔板的塑料模具，該模具將用已經鑒定可以飛行的合金鑄造。模具仍然允許設計為更復雜的形狀，該隔板的第二個版本正在認證過程中。
航空航天市場迎來新金屬
增材制造公司正在努力滿足航空航天市場的需求。例如，EOS是使用直接金屬激光燒結的工業(yè)3D打印機制造商，已開始引入更多金屬進行打印。過去5年，公司又開發(fā)出10種金屬，這個數量不是很多。人們想確保可以制造出高質量的零件，并且總是存在挑戰(zhàn)，開發(fā)它們確實需要時間。
對于EOS，關鍵的航空航天市場是火箭發(fā)動機，客戶之一是2017年成立的Launcher，致力于研發(fā)用于發(fā)射衛(wèi)星的火箭。去年，Launcher成功地測試了在EOS機床上打印的3D打印銅合金發(fā)動機的點火性能。EOS已經與Launcher一起研究了發(fā)動機開發(fā)的進度，期望在將來制造有效載荷非常大的發(fā)動機。越來越多的私人公司涉足火箭，3D打印加速了這一發(fā)展——人們可以在今天或一兩個星期內完成設計，實際上可以還在辦公桌上擺放零件，并且可以對其進行一些測試。火箭行業(yè)現在看起來非常令人興奮。
另一位EOS客戶能夠通過3D打印減輕重量。他們把裝在衛(wèi)星內部一塊面包大小的鋁制小盒子，通過增材制造，使其重量減少了20％左右。ExOne在航空航天領域也很活躍。自2002年以來，ExOne的Sand 3D打印機已進入包括航空航天在內的工業(yè)市場，它們制造用于金屬鑄造的型芯。現在設計一個模具、獲得一個好零件的時間已經能夠從數周和數月大幅減少到數天或數小時。除了增加復雜性而不增加成本和模具存儲之外，3D打印還允許快速的設計迭代。鑄造廠正在走向3D打印，3D打印砂型鑄造已被積極采用。
ExOne發(fā)明了一種沖蝕工裝用于層壓復合材料（包括碳纖維和玻璃纖維復合材料）的犧牲工裝。ExOne開發(fā)了一種用水沖洗3D打印工裝的工藝，材料在高達180攝氏度時仍保持水溶性。該工藝正用于為洛克希德·馬丁公司的子公司西科斯基以及和皇家工程復合材料公司制造復合材料。ExOne還提供了完整的金屬3D打印機系列，可以直接打印諸如Inconel 718之類的金屬，它還可以打印諸如碳化硅之類的陶瓷。3D打印已經能夠滲透到航空航天領域，人們傾向于擁有更復雜的鑄件，ExOne與西科斯基做了很多工作。
預計3D打印在未來五年中將取得更多進展，它會被測試、測試并重新測試，增材供應鏈實際上也將在未來5年內增長。空客表示將遵循其計劃，并逐步擴大應用領域和相關的價值創(chuàng)造機遇。與傳統(tǒng)技術相比，競爭力和市場份額將隨著新應用的興起而逐步增長。ORNL認為3D打印在航空航天領域會越做越大，大型結構組件是一些公司已經開始研究的領域。人們對航空航天工業(yè)的信心與日俱增，增材制造未來將會帶來更大的改變。
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