自美國(guó)于2014 年推出首臺(tái)連續(xù)纖維3D 打印機(jī)以來，該技術(shù)正在快速發(fā)展并在航空領(lǐng)域取得應(yīng)用。隨著技術(shù)的逐漸成熟和大規(guī)模推廣應(yīng)用，該技術(shù)或?qū)㈩嵏铂F(xiàn)有復(fù)合材料無人機(jī)、低成本復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)模式。

　　連續(xù)纖維3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　連續(xù)纖維3D 打印技術(shù)綜合利用工業(yè)機(jī)器人、3D 打印末端執(zhí)行器、原位檢測(cè)、智能監(jiān)測(cè)與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，快速輸送、沉積連續(xù)纖維增強(qiáng)體，以及基體樹脂并原位浸漬、固化，與傳統(tǒng)的自動(dòng)鋪絲成形以及熔融沉積成形等工藝相比，自動(dòng)化程度和柔性更高，對(duì)于典型的碳纖維／聚醚醚酮零件，研發(fā)周期可縮短至原來的1/30，生產(chǎn)速度可提高100 倍。

　　增材制造（AM）為現(xiàn)代制造商提供了一種最簡(jiǎn)單的生產(chǎn)方式，利用復(fù)合材料制造終端零件，縮短交貨周期，加快原型工具生產(chǎn)時(shí)間。使用高性能熱塑性塑料打印的零件，可滿足飛機(jī)內(nèi)飾許多部件的火焰、煙霧和毒性（FST）要求，配合3D 打印機(jī)制造商Markforged 專有的連續(xù)纖維增強(qiáng)打印技術(shù)，可生產(chǎn)高強(qiáng)度，耐熱，以及更高物理性能的零件。

　　連續(xù)纖維3D 打印機(jī)可以由多機(jī)器人組成柔性單元，機(jī)器人上還可添加多個(gè)3D 打印末端執(zhí)行器，同時(shí)打印頭可支持碳纖維、凱夫拉、玻璃纖維甚至光纖和金屬絲等材料，使該技術(shù)既可以用于大批量生產(chǎn)復(fù)合材料零件，也可以一次性打印高度復(fù)雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關(guān)鍵零件。

　　連續(xù)纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

　　在一個(gè)受到嚴(yán)格監(jiān)管的行業(yè)中競(jìng)爭(zhēng)，OEM、MRO 服務(wù)提供商、商業(yè)航空公司和其他行業(yè)玩家必須優(yōu)先考慮安全和性能，并且嚴(yán)格遵守監(jiān)管指導(dǎo)方針，不斷發(fā)現(xiàn)提高業(yè)務(wù)效率的方法。

　　隨著材料學(xué)的發(fā)展，金屬已經(jīng)不再是我們的唯一選擇，有大量的非金屬材料因?yàn)樘厥獾男阅芏粦?yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，如陶瓷材料和碳纖維。陶瓷因?yàn)槠錁O佳的耐高溫性能從而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件中得到使用；碳纖維則以優(yōu)秀的比強(qiáng)度、比模量等綜合指標(biāo)被航空航天工業(yè)青睞，它可以被用來制造火箭的燃料儲(chǔ)藏罐，也可以用來制造飛機(jī)的外殼。

　　隨著時(shí)間的推移，傳統(tǒng)上由鋁合金制成的飛機(jī)部件越來越多地被復(fù)合材料取代，尤其是現(xiàn)在先進(jìn)民用客機(jī)制造中，復(fù)合材料的使用比例已經(jīng)超過了50%。

　　在高強(qiáng)度和低重量的基礎(chǔ)上，航空航天應(yīng)用的材料必須具有耐腐蝕性，并能夠可持續(xù)地承受大范圍的工作溫度。金屬材料或者鋁合金在幾百度的高溫以后，它的力學(xué)性質(zhì)就發(fā)生了很大程度的降低，而復(fù)合材料在經(jīng)受了同樣的高溫以后，其機(jī)械性能下降相對(duì)要低很多。此外，碳纖維這種材料抗拉強(qiáng)度極高，想要拉斷高強(qiáng)度碳纖維材料需要用拉斷同樣橫截面積鋼鐵的力的兩到四倍。其他航空航天材料如Onyx FR-A、碳纖維FR-A 和ULTEM ™ 9085（可在FX20 上打印）可以承受大多數(shù)航空航天應(yīng)用中的工作溫度。

　　航空航天工業(yè)受到嚴(yán)格監(jiān)管，所有飛機(jī)部件和材料必須得到批準(zhǔn)來自相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，比如聯(lián)邦政府航空管理局（FAA）或歐洲航空局、安全局（EASA）。航空航天制造商必須證明他們的部件和材料符合聯(lián)邦航空局的一系列綜合要求測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如強(qiáng)度、耐久性、紫外線、流體靈敏度、振動(dòng)、可追溯性和火焰、煙霧以及毒性（FST）。通過選擇符合測(cè)試要求的材料，航空航天制造商才可以進(jìn)行下一步操作。否則，制造商將不得不重復(fù)漫長(zhǎng)的資格認(rèn)證，重新回到起點(diǎn)。

　　為什么航空航天使用3D打??？

　　隨著3D 打印部件作為飛機(jī)部件飛行，必須最大限度地減少部件的重量，這可以提高燃油效率，同時(shí)最大限度地減少二氧化碳排放。復(fù)合材料高強(qiáng)度、低密度、輕量化，它在高強(qiáng)度的同時(shí)又保持了非常低的重量。以碳纖維為例，碳纖維的密度一般在1400~2000kg 每立方米，經(jīng)過環(huán)氧樹脂強(qiáng)化的碳纖維密度也不過1600kg 每立方米而已，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于金屬材料。

　　然而，低重量不能以犧牲部件強(qiáng)度或材料性能為代價(jià)，每個(gè)制造部件必須滿足嚴(yán)格的安全和可靠性要求。3D打印碳纖維增強(qiáng)部件，可以生產(chǎn)出與6061-T6 鋁強(qiáng)度相同的部件，同時(shí)與具有同等強(qiáng)度的金屬部件相比，可以顯著減輕重量。

　　在高強(qiáng)度和低重量的基礎(chǔ)上，用于航空航天應(yīng)用的材料必須耐腐蝕，并能夠持續(xù)承受大范圍的工作溫度。適用于航空航天的材料，如OnyxFR-A、碳纖維FR-A 和ULTEM ™ 9085 等。

　　復(fù)合材料還具有良好的耐沖擊性和抗疲勞性，作為成型件有很高的安全性。一個(gè)件在反復(fù)受力很千/ 萬次以后，還能夠保持強(qiáng)度。

　　此外，復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。因?yàn)閺?fù)合材料具有各項(xiàng)異性，那么它的各項(xiàng)一直沿著纖維的方向，其強(qiáng)度尤其高，我們可以根據(jù)其纖維方向，結(jié)合使用場(chǎng)景的受力方向，把它作為一個(gè)更針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

　　同時(shí)，相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)，AM帶來了更高的成本效率、交貨時(shí)間短、更快優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓用戶可以在需要時(shí)在需要的位置快速打印正確的零件，提供分布式制造操作。

　　增材制造非常適合滿足航空航天領(lǐng)域?qū)π∨?、定制化零件的生產(chǎn)需求，讓這些零件在需要的時(shí)候，以優(yōu)越的價(jià)格，利用3D 打印技術(shù)將他們按需生產(chǎn)出來。更大的打印尺寸使航空航天制造商能夠?qū)⒍鄠€(gè)小部件組裝成單個(gè)部件，減少裝配次數(shù)、零件計(jì)數(shù)，更大的減少誤差。

　　借助支持云的分布式制造模式，可以在需要時(shí)在需要的位置快速打印正確的零件，而不是將零件生產(chǎn)好之后，再通過物流運(yùn)輸。借助3D 打印軟件，存儲(chǔ)在基于云的數(shù)字庫存中，這樣零件就可以發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何3D 打印機(jī)上打印，只需一個(gè)CAD 文件，制造商就可以在內(nèi)部完成零件的制作，使他們的供應(yīng)鏈比以前更緊密、更高效。這種能力也可以避免制造商囤積大量庫存，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)制 （JIT） 的精益制造模式進(jìn)行有效運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)。

　　當(dāng)供應(yīng)鏈中斷導(dǎo)致制造所需的工具和零部件短缺時(shí)，生產(chǎn)可能會(huì)停滯數(shù)周時(shí)間。一個(gè)零件的丟失可能會(huì)導(dǎo)致制造過程完全停止，無論購買新零件需要多長(zhǎng)時(shí)間。使用AM 技術(shù)可以幫助其控制其供應(yīng)鏈，降低制造風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜性。通過引入3D 打印平臺(tái)，可以讓制造企業(yè)繞過許多風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以使其供應(yīng)鏈比以前更緊密、更高效，加快交付時(shí)間和研發(fā)速度。

　　增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　● 空客的復(fù)合材料機(jī)艙支架

　　基于種種優(yōu)勢(shì)，空客多年來一直在飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造過程中采用3D 打印技術(shù)。多年過去，3D 打印工藝和材料科學(xué)獲得了進(jìn)一步發(fā)展，“輕量化”和“仿生學(xué)”也指向了一個(gè)新的趨勢(shì)?？湛驼谘芯?D 打印復(fù)合材料支架制造代替鈦合金的可能性。

　　先進(jìn)制造商Arris Composites 與空客公司合作了一項(xiàng)研究，該項(xiàng)目專注于機(jī)艙支架的生產(chǎn)，并希望通過利用創(chuàng)新的制造方法和材料（包括復(fù)合材料）來實(shí)現(xiàn)航空碳排放量的顯著減少。據(jù)Arris 稱，將220 克的金屬支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后采用連續(xù)纖維復(fù)合材料3D 打印可以使零件重量減輕75% 到50 克。由于每架飛機(jī)會(huì)配備500 個(gè)這種支架，如果一年會(huì)制造100架飛機(jī)，50000 個(gè)輕量化的支架在整個(gè)生命周期中會(huì)節(jié)省1.13億噸的燃油，并減少3.57億噸的CO2 排放。

　　Arris Composites 公司開發(fā)了一種稱為Additive Molding 的技術(shù)，通過在熱塑性樹脂中精確排列連續(xù)纖維，獲得了具有無與倫比機(jī)械性能的下一代復(fù)合材料及成熟的大批量成型方法，這些產(chǎn)品具有高度集成性，所制造的產(chǎn)品比金屬更堅(jiān)固、更輕。

　　Arris Composites 表示，金屬替代的新時(shí)代已經(jīng)到來，機(jī)加工、3D 打印、金屬鑄造、金屬注射成型和金屬包覆成型的產(chǎn)品可以被卓越的復(fù)合設(shè)計(jì)替代。連續(xù)纖維+ 熱塑性塑料復(fù)合制造實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和輕量化零件的批量生產(chǎn)，通過這種新工藝，可以以與塑料成型產(chǎn)品相同的速度生產(chǎn)高級(jí)碳纖維材料，而碳纖維零部件替換鈦材料，可使重量減輕78%。

　　● 低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大批量生產(chǎn)

　　美國(guó)阿瑞沃公司開發(fā)了可將熱塑性預(yù)浸絲束打印成零件的直接能量沉積（DED）工藝，空客資本公司參與了對(duì)該公司的投資。DED 工作單元由工業(yè)機(jī)器人、激光加熱打印頭和旋轉(zhuǎn)構(gòu)建平臺(tái)組成，與傳統(tǒng)3D 打印相比，能夠?qū)⑸a(chǎn)速度提高100倍。除無人機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等航空零件外，阿瑞沃公司還生產(chǎn)與無人機(jī)框架結(jié)構(gòu)類似的自行車車架，連續(xù)纖維3D 打印技術(shù)使其開發(fā)周期從18 個(gè)月縮短到了18 天。

　　該公司于2019 年2 月投入使用的新工廠擁有8 個(gè)機(jī)器人工作單元，可完成包括打印本身、后處理（例如鉆孔）以及用于噴涂的預(yù)打磨，每天共可生產(chǎn)8 個(gè)大型零件。該公司正在測(cè)試每臺(tái)機(jī)器人運(yùn)行多個(gè)打印頭以及每個(gè)工作單元運(yùn)行多個(gè)機(jī)器人，以將生產(chǎn)速度再提高3 倍。為了在整個(gè)提速過程中保持質(zhì)量和可重復(fù)性，該公司采用了原位檢測(cè)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，為打印頭配裝多個(gè)傳感器（測(cè)量高度、壓力、變形等），系統(tǒng)軟件使用這些傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。這樣，當(dāng)工作單元需要更快運(yùn)行時(shí)，就可以確保沉積速率、加熱、固化和其他參數(shù)得到最優(yōu)匹配。

　　● 碳/碳復(fù)合材料3D打印技術(shù)的重大進(jìn)展

　　國(guó)外航空航天和國(guó)防生產(chǎn)商諾斯羅普·格魯曼（Northrop Grumman）集團(tuán)公司報(bào)告稱，已經(jīng)在碳/ 碳復(fù)合材料3D 打印技術(shù)層面獲得了重大進(jìn)展。該加工工藝使該企業(yè)可以大批量生產(chǎn)連續(xù)纖維增材復(fù)合材料，據(jù)悉這一點(diǎn)在增材行業(yè)是“前所未有的”。

　　碳/ 碳復(fù)合材料因?yàn)楠?dú)特的特性，已廣泛用于航空航天、汽車產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥學(xué)等行業(yè)，如沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴以及喉襯、航天飛船的端頭帽和飛機(jī)翼外緣熱防御系統(tǒng)、飛機(jī)場(chǎng)剎車片等。

　　諾斯羅普• 格魯曼武器裝備企業(yè)副總裁兼經(jīng)理Dan Olson 說：“我們正開辟一種迅速、免工具的使用加工工藝，用以生產(chǎn)制造航空公司級(jí)連續(xù)纖維集成化復(fù)合結(jié)構(gòu)，制造業(yè)這類發(fā)展將比普通的方式更有效地為戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生水平，以確保我們自己的軍隊(duì)，有著前沿技術(shù)和高科技武器，來面對(duì)目前和未來武裝力量威協(xié)。”

　　該工作組研發(fā)的技術(shù)性，被稱作可擴(kuò)展性復(fù)合型增材（SCRAM）。這是名副其實(shí)的六軸連續(xù)纖維工業(yè)生產(chǎn)3D打印機(jī)器設(shè)備，致力于生產(chǎn)制造集成化復(fù)合結(jié)構(gòu)而設(shè)置的。隨后，這種構(gòu)造通過特有的加工工藝并轉(zhuǎn)化成碳/ 碳結(jié)構(gòu)，為滿足要求繁雜、近凈樣子耐腐蝕材料的設(shè)計(jì)定位。因而，該企業(yè)需要這種繁雜的耐高溫樣子來制作高超音速和其他快速武器裝備。

　　● 修復(fù)飛機(jī)的主旋翼葉片

　　Bell（貝爾直升機(jī)）和IngersollMachine Tools 利用 MasterPrint 大幅面3D 打印機(jī)，成功制造出一個(gè)長(zhǎng)達(dá)22英尺長(zhǎng)的復(fù)合基修復(fù)工具，以及修整飛機(jī)主旋翼組件的合作細(xì)節(jié)。

　　這個(gè)項(xiàng)目實(shí)際上是在2019 年完成的，但由于涉及商業(yè)機(jī)密和先進(jìn)航空零件制造的保密條例，直到去年才得以公開。該項(xiàng)目使用位于美國(guó)羅克福德Ingersoll 總部的混合大幅面MasterPrint3X 龍門式3D 打印機(jī)和5軸銑床協(xié)作完成。

　　通過使用1150 磅ABS 材料和20% 的短切碳纖維填充物，3D 打印了轉(zhuǎn)子葉片復(fù)合基修整工具。在連續(xù)75小時(shí)的運(yùn)行中，打印過程作為一個(gè)單獨(dú)的部分完成。打印后，通過將打印模塊更換可在MasterPrint 機(jī)器上使用的5 軸銑頭繼續(xù)工作，最終將模具表面和工具位置加工成最終尺寸。后續(xù)加工在一周內(nèi)完成，最終零件實(shí)現(xiàn)了可完全真空密封。最后，Ingersoll 機(jī)器利用siemens Sinmerik One CNC 系統(tǒng)來控制加工和3D 打印。

　　通過3D 打印制造和高效的5 軸加工操作，實(shí)現(xiàn)大幅度縮減時(shí)間成本。3D 打印和減材工藝以原生CAD 軟件格式無縫協(xié)同設(shè)計(jì)。但如果使用傳統(tǒng)工藝，以鋁制模具為例，通常構(gòu)建周期為4 到5 個(gè)月。而這種制造過程僅在幾周內(nèi)完成。“多年來，貝爾一直使用復(fù)合材料制造機(jī)身部件，利用這種快速制造技術(shù)，貝爾將大大加快組織內(nèi)部開發(fā)工具的速度。”貝爾工藝穩(wěn)定性高級(jí)經(jīng)理James Cordell 說。

　　● 其他進(jìn)展

　　著名的3D 打印機(jī)公司EOS 曾與工程設(shè)計(jì)軟件專家Hyperganic 合作，以提高3D 打印航空航天部件的外觀和功能。作為合作的一部分，這兩家企業(yè)旨在將基于人工智能的算法工程軟件Hyperganic Core 與EOS 的激光粉末床熔融3D 打印機(jī)相結(jié)合。隨著該軟件的出現(xiàn)，EOS 的客戶在設(shè)計(jì)他們的空間推進(jìn)部件時(shí)可以完全排除傳統(tǒng)的部件設(shè)計(jì)程序，同時(shí)利用算法模型。這一變化預(yù)計(jì)將極大地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作流程，在幾分鐘內(nèi)就能計(jì)算出性能更強(qiáng)的零件幾何形狀。

　　此外，3D 打印機(jī)生產(chǎn)商Stratasys公司和通用電氣航空業(yè)務(wù)部的AvioAero 公司宣布了一些舉措，這些舉措可能會(huì)使他們各自的技術(shù)在新的航空應(yīng)用中得到部署。隨著Antero840CN03 聚合物在獵戶座航天器上的使用資格數(shù)據(jù)的公布，Stratasys 公司打算鼓勵(lì)建立一個(gè)模型，將該材料應(yīng)用于類似的情況。另一方面，空中客車公司選擇了Avio Aero 公司的Catalyst 發(fā)動(dòng)機(jī)為其“Eurodrone ”提供動(dòng)力，這是一種無人駕駛航空器，旨在執(zhí)行歐洲的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

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