XB-1是美國航空初創公司Boom研發的超音速客機的原型機，于2020年10月推出，讓超音速旅行的夢想離大眾又近了一步。XB-1計劃于2021年開始飛行測試，是按照Overture超音速客機的三分之一比例制造的原型機，Overture客機原定于2025年亮相。
在項目早期，Boom公司的超音速客機設計研發團隊就開始注意增材制造（AM）技術，并結合增材制造的特點完成了其中最復雜零件的設計。
“選擇增材制造的原因有很多，”Boom公司研發工程師Byron Young說道，“飛機設計中最繁瑣的部分，就在于部件之間的接口設計。以增材制造的思路進行設計，可以最大程度地減少零件和接口的數量，這就大大縮短了研發時間。并且，零件的合并還能減輕飛機的重量。”
利用1kW的雙激光準確追蹤零件的幾何形狀，并將鈦合金粉末融合，生產出XB-1客機中的可變旁通閥（VBV）。(圖片由DMP公司提供)
VBV系統中的三個零件已制備完成，等待從Sapphire制造系統中取下。
幾何結構自由
Boom超音速客機中許多3D打印的通風管道零件，都有非常復雜的葉片、風道、百葉窗結構，用以引導氣流。其中一些部件的氣流通過溫度超過500°F。
“對于有氣流快速通過的零部件，我們將從效率和性能的角度來考量其結構的合理性，”Byron說道，“因此，在設計這些零件時，要從空氣動力學角度出發，創建的流道實體必須是平滑的、有圓角過渡并且滿足壁厚要求的。最終的零件結構往往非常復雜，需要通過增材制造來生產。”
VELO3D公司的應用工程師Gene Miller與Boom公司的設計工程師，以及負責3D打印后處理供應鏈的Duncan Machine Products（DMP）公司進行了密切合作。
“Boom公司為超音客機設計的空氣導流結構是非常獨特的，其核心的設計目標在于減重，是無法通過鈑金或鑄造等傳統方式來制造的，”Gene說道，“為了達到減重的目標，復雜的結構設計不可避免，這時唯一的制造方法就是金屬增材制造。”
3D打印的百葉窗結構零件的特寫。(圖片由VELO3D公司提供)
Boom公司的超音客機研發團隊于2019年開始與VELO3D公司展開試驗性合作，是看中了他們的新一代激光粉末床融合（LPBF）技術，該技術的應用場景如下所述：
◆ 用于可變旁通閥（VBV）系統中鈦合金歧管的3D打印，該歧管可將飛機引擎壓縮機釋放的空氣引導至外部模塊線路（OML）；
◆ 用于環境控制系統（ECS）的出氣口百葉窗的3D打印，該系統用于座艙和系統艙制冷；
◆ 用于將中央進氣口的二次放氣流引導至OML的百葉窗的3D打印；
◆ NACA管道和兩個分流器法蘭部件的3D打印。NACA管道通常用在高速飛機上，以捕獲和引導外部空氣對發動機艙進行冷卻。
上述所有零件，均在VELO3D公司的Sapphire制造系統上完成3D打印。并且，Sapphire系統是直接抓取Boom公司的CAD數據來完成打印的，這就保證了設計表達的準確性和完整性。
“我們確實使用了Sapphire系統的Flow預打印軟件，對NACA管道的薄壁區域進行了修改，增加了一些加強筋結構，”Gene說道，“但是在大多數情況下，零件都是原樣打印的，不需要改變原始設計。”
Byron對Sapphire系統的極薄壁零件的制造能力印象深刻，他說：“Sapphire系統能夠打印厚度僅為750μm的極薄壁結構。在大多數情況下，不需要額外的機加工序就能完成零件制造。”
Sapphire系統中的非接觸式涂覆裝置，可分配每層粉末金屬層的厚度，并通過雙激光對其熔合，這是該系統的另一個優勢。為了減輕重量，中央入口的排氣百葉窗上的葉片之間做了鏤空設計，這樣會使零件的長寬比跨度非常大，因此只能在Sapphire系統上完成其制造。
Gene表示：“我們的3D打印技術非常適合用于制造這樣的長寬比跨度極大的零件，不需要多余的加固結構，非接觸式的涂覆機也不會干擾到制造過程。”
鈦合金
該項目面臨的一大挑戰是，Boom公司選擇了鈦合金作為3D打印的金屬材料。
DMP公司的增材制造工程師Aaron Miller說：“鈦合金的優勢之一是其適用溫度非常高。與鋁或碳纖維相比，其在高溫下的強度損失較小，并且強度/重量比更高。”
盡管鈦合金的比重輕且耐高溫性能好，但是如果其在制造過程中的冷卻速度太快，也會變得脆弱易裂。也就是說，如果找不到合適的制造方式，鈦合金的優勢就無從發揮。
Gene指出，鈦合金零件通常通過鑄造制造，這就保證了較慢的冷卻速度，可以有效防止零件開裂。但是某些飛機零件采用了極薄壁結構，這幾乎是鑄造不出來的。
Gene說：“這也是使用3D打印制造這些零件的原因之一，如果用傳統的鑄造方法生產這樣的薄壁鈦合金零件，裂紋廢品率會非常高。”
Gene認為自己在與Boom公司的合作中學到了很多。“ Boom公司幫助我們打開了全新的零件設計思路，薄壁零件的制造不再是瓶頸，將減重目標推上了新的高度。從鈦合金零件的3D打印中，我們學到了很多。比如說薄壁結構的走向是怎樣的，什么時候不需要加支撐結構，什么時候需要加等等。”
過程控制至關重要
為了讓鈦合金零件更堅固耐用，VELO3D公司對3D打印的工藝參數和流程進行了優化。
“金屬粉末沿著Z方向沉積，減少了基板的內應力，”Gene解釋道，“另外，通過減輕冷卻過程中形成的內應力，也可以有效減少裂紋。”
質量控制已經延伸到整個增材制造流程，從Flow預打印模擬開始，Sapphire系統執行打印命令，Assure系統對質量進行驗證。只需輕擊一下鼠標，即可完成設備的校準調試，包括自動檢查激光對準、自動檢驗光束的穩定性和粉末床質量。在整個制造流程中，會自動記錄關鍵參數并標記異常。最后，會將所有的流程數據進行匯總，形成報告，以供日后參考。
Boom客機的鈦合金零件經過3D打印后，會用電鋸或線切割機將其從基板上切下來。DMP公司的機械師認為3D打印的后處理過程是簡單易行的。
“將3D打印的零件從基板上切下以后，只需要去除掉少量的支撐物就可以了，后處理的工作量很小，”Aaron說道，“在零件的縫隙結構中或難以觸及的地方，是沒有冗余的支撐結構需要去除的。這多虧了SupportFree技術消除了對這些支撐的需要。從Sapphire系統中取下的工件幾乎就是成品零件了，只需要用螺絲刀或砂輪對毛刺稍加處理即可。對于尺寸較大且有安裝要求的零件，我們還需要銑出定位孔，并確保其位置尺寸正確。總之，不同零件的后處理流程略有不同，但普遍的加工時長不超過半小時，這沒有什么困難的。”
由于機身零件的形狀具有一定的特殊性，機加時用以固定零件的夾具的設計是有一定難度的。Aaron補充說：“飛機上幾乎沒有完全由規則的平面或圓形結構組成的零件，這使它們的裝夾變得異常困難。但是，我們根據零件的CAD模型，快速設計出了用3D打印方式制造的定制化塑料夾具，這種夾具在單獨的FDM（Fused Deposition Modeling，工藝熔融沉積制造） 3D打印機上制造，這些夾具的曲面結構是和飛機零件相合的，可以方便地固定住零件。
用輪廓儀測量3D打印零件的表面粗糙度，平均值約為250Ra。
“如果客戶需要將表面粗糙度控制在125Ra，則只需幾分鐘的蒸汽處理。”Aaron說道。
對成品零件進行熱處理和/或熱等靜壓（HIP）處理，可以延長其疲勞壽命。Gene指出：“超音速客機不同于普通客機，它所承受的環境影響和氣流壓力要大得多。”
“超音飛機所承受的主要負載，通常不是高速引起的壓力負載，”Byron補充道，“在很多情況下，是飛機整體結構彎曲變形而引起的每個零件的變形應力。比如說，安裝連接在一起的兩個零件的熱膨脹系數不同，熱變形也不同，就會造成兩個零件間的變形應力。3D打印零件可以設計得非常薄且輕巧，可以緩解這種應力的產生。”
Boom公司的XB-1超音速客機中，有21個硬件組件是在VELO3D公司的Sapphire 3D打印系統上制造完成的。這些零件的結構特征包括極薄壁、超大長寬比等等，無法通過傳統的焊接和鑄造，或是老式的3D打印技術來制造。
嘗試，學習和迭代
通過XB-1超音速客機原型機的增材制造項目，Boom與VELO3D合作雙方都從中學到了很多東西。 Boom公司的研發團隊發現增材制造的潛力超出了他們的想象，可以完整還原他們的設計意圖。DMP公司通過這一項目，也極大地擴展了3D打印專業知識，并決定購入第三臺Sapphire系統。“由于我們在增材制造方面能力增強了，新業務也增多了。” Aaron說道。
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