空客官宣：利用鈦合金3D打印技術(shù)引領(lǐng)飛機制造行業(yè)

3D打印技術(shù)參考注意到，空客公司于近日官宣將采用鈦合金3D打印技術(shù)引領(lǐng)飛機制造行業(yè)。其指出，未來客運飛機上的承力和易疲勞部件，將采用增材技術(shù)層層制造出來，而不是像以前那樣采用減材技術(shù)切割下來。多年以來，空客公司為實現(xiàn)這一目的已經(jīng)進行了積極準(zhǔn)備，這一目標(biāo)正逐漸成為現(xiàn)實。

空客特別提及了基于金屬絲材的定向能量沉積3D打印技術(shù)（w-DED）。該技術(shù)使用多軸機械臂、鈦絲，以高精度移動。能量源以激光、等離子或電子束為主。3D打印過程中，能量源聚焦到鈦絲上，瞬間將其熔化，并逐層熔合到表面上。

從技術(shù)形式上，它類似于焊接，但以3D模型為指導(dǎo)，從“無到有”地打印出物體，形成所謂的“毛坯”。這個毛坯看起來非常接近最終所需的形狀，即“近凈成形”，隨后進行減材加工，使其符合零件設(shè)計的精確尺寸。這種鈦合金增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)的減材制造方法（例如板材加工或鍛造）相比，能夠以更少的材料浪費制造飛機結(jié)構(gòu)件。

采用能量沉積工藝

3D打印大型客機零件

空客指出，雖然金屬3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了大約十年，但采用的主要的工藝類型是激光粉末床熔融（LPBF）3D打印技術(shù)，而且所制造得了零件尺寸多為500mm左右的小尺寸零件。

但空客在十年前就暢想要使用3D打印技術(shù)制造整個機身，使用LPBF技術(shù)就是再盼20年幾乎也不可能實現(xiàn)。而能量沉積技術(shù)則不然，它能夠制造大型復(fù)雜零件，已經(jīng)有大量的公開展覽和宣傳公布了激光DED技術(shù)在飛機主承力結(jié)構(gòu)中的使用。

空客早期使用LPFB金屬3D打印制造的拼接功能組件

王華明院士送粉DED技術(shù)3D打印的大型框梁結(jié)構(gòu)已在飛機上獲得應(yīng)用

空客指出，基于絲材的DED技術(shù)使其能夠從打印小型零部件擴展到制造長達7米的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件。這項新工藝比粉末床3D打印更快，將產(chǎn)量從每小時數(shù)百克提升至每小時幾公斤。這一飛躍有望使3D打印技術(shù)在商用飛機大型結(jié)構(gòu)件的工業(yè)化、大批量生產(chǎn)成為可能。

有助于減少鈦原材料浪費

為什么要關(guān)注鈦？鈦金屬因強度高、重量輕以及與現(xiàn)代碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的兼容性（例如耐腐蝕性、相對膨脹系數(shù)和其他性能）成為飛機制造的關(guān)鍵材料。但是，鈦合金也是一種高價值原材料，因此節(jié)約鈦資源至關(guān)重要。

傳統(tǒng)基于鍛造工藝制造鈦合金材料，須進行減材加工才能獲得最終零件，該過程會產(chǎn)生大量“廢料”。在飛機制造行業(yè)，通常會通過“買飛比”來衡量，即采購的原材料數(shù)量與飛機上實際使用的原材料數(shù)量之比。在傳統(tǒng)工藝中，鈦合金的浪費量達到80%-95%。

空客DED制造的近凈成型大型零件

挪威鈦等離子沉積3D打印鈦合金

采用3D打印技術(shù)，此類浪費大多從源頭上得到避免。這是因為零件“生長”成的形狀已經(jīng)非常接近最終設(shè)計（“近凈成形”），因需要加工去除的材料極大減少。

為飛機研發(fā)帶來靈活性

傳統(tǒng)的模鍛工藝需要制造大型復(fù)雜的模具，耗時長達兩年，且前期需要大量資金投入。相比之下，3D打印零件的形狀由計算機程序決定，將交付周期縮短至短短幾周。3D打印技術(shù)的靈活性將直接助力首架研發(fā)飛機的成功和及時建造，尤其是在最終詳細部件設(shè)計還需要調(diào)整和優(yōu)化的階段。

在此方面，我國C919大飛機的研制提供了一個典型案例。王華明院士曾在2022年的《院士開講》等欄目中透露，C919機頭主風(fēng)擋窗框也是3D打印的。這個部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸很大。但是當(dāng)時國內(nèi)的飛機制造廠用傳統(tǒng)方法無法做出，只有歐洲一家公司能做出來，但要花2年、200萬美元才能制造，這個代價可以說是相當(dāng)昂貴的。如果依賴這家歐洲公司，就會導(dǎo)致C919成本急劇上升，性價比和競爭力無法與空客和波音相比。而且，國產(chǎn)大飛機的研發(fā)進度緊迫，無法耗費兩年時間等待一個窗框。

2009年，王華明院士和他的科研團隊在接到任務(wù)后，僅耗時55天就完成了窗框的設(shè)計，完全符合原始圖紙，順利保障了我國大飛機的研發(fā)進程；同時，其總費用甚至不到200萬元人民幣，極大節(jié)約了研制成本！

空客A350生產(chǎn)的首次驗證

空客近期已開始將大尺寸的DED 3D打印部件批量集成到A350的貨艙門周圍區(qū)域。這些用于探索階段的專用部件采用等離子金屬絲材DED技術(shù)進行3D打印，經(jīng)超聲波檢測，最終在空客工廠完成加工和安裝。

DED首批下框架交付

這些部件在功能和幾何形狀上與它們所替代的傳統(tǒng)鍛造部件完全相同，但卻能立即帶來實實在在的成本節(jié)約。

空客的下一個目標(biāo)是從A350 DED 3D打印部件入手，逐步將其推廣到其他項目和其他飛機（包括長遠來看的機翼和起落架）更關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。

起飛過程起落架工作情況

重要的是，這項技術(shù)實現(xiàn)了“面向分布式能源設(shè)計 (DED)”的概念。工程師們不再需要將復(fù)雜的組件設(shè)計成多個獨立部件，然后再將它們組裝在一起，而是可以將其設(shè)計成一個單一、精細且優(yōu)化的組件，并一次性打印完成。這種將多個組件合并為一個的優(yōu)勢將簡化供應(yīng)鏈，減少組裝人工，縮短生產(chǎn)周期，并充分釋放下一代3D打印客機的潛力。

空客未來飛機概念設(shè)計

如今，空客及其合作伙伴正積極推進關(guān)鍵部件的定向能量沉積技術(shù)經(jīng)驗積累，并取得了令人矚目的成果。工程師們正在測試各種能源，包括等離子體、電弧焊、電子束和激光束，同時評估“外購”（外包打印）和“自制”（內(nèi)部完成）兩種策略。此外，由于這項技術(shù)以空客集團層面的統(tǒng)籌方式進行管理，最終成果將成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在整個公司范圍內(nèi)得到應(yīng)用。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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