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应用案例

波音的3D打印之路

      作为在3D打印领 域发挥主导作用的制造商,波音公 司不仅仅是推动3D打印技 术与应用端深度结合的践行者,还对增 材制造如何在制造价值链中发挥作用具备自己的关键洞察力。

与洛克希德·马丁(Lockheed Martin)同为联 邦政府的两大承包商,波音公司在2015年获得了超过160亿美元的订单。在这些 订单的执行过程中,3D打印正 在扮演越来越重要的角色。2017年8月,波音宣 布已经组建了新的波音增材制造(BAM)业务单元,以简化 和加速增材制造在整个波音企业内的应用,这也意味着3D打印的 重要性提到正式议程。

在2003年,波音就 通过美国空军研究实验室来验证一个3D打印的金属零件,这个零件是用于F-15战斗机上的备品备件。当需要更换部件时,3D打印的作用显现出来,因为通 过传统加工的时间太长了,并且通过3D打印加工钛合金,替代了原先的铝锻件,而钛合 金的抗腐蚀疲劳更高,反而更 加满足这个零部件所需要达到的性能。(腐蚀疲 劳是在腐蚀介质与循环应力的联合作用下产生的。这种由 于腐蚀介质而引起的抗腐蚀疲劳性能的降低,称为腐蚀疲劳。)

波音企 业技术战略总监Leo Christodoulou,当时这 个零件是通过激光能量沉积的工艺加工金属粉末来获得的,这种定向能量沉积(DED)的工艺 被首次应用到军事飞机上。同时也 打开了波音公司的3D打印应用之路。近14年后,波音公 司现在已有超过50,000件3D打印的 各种类型的飞机零件。

波音公司开始通过DED技术为其787梦幻客 机生产结构部件。通过Norsk Titanium的快速 等离子沉积技术,在结构 件研发的过程中,双方共同改进工艺,并进行 了一系列严格的测试,最终在2017年2月获得了首个3D打印钛合金结构件的FAA认证。

波音和Norsk Titanium最初的合作是自2016年开始的,当初是试探性地合作,主要基于Norsk生产的 零件是否能满足波音的要求,然后是 否符合联邦航空管理局(FAA)的要求。Norsk Titanium先后满 足了这些严苛的条件,这些公 司预计今年将获得额外的FAA批准的 物料和制造流程。

Norsk Titanium的快速 等离子沉积技术属于DED工艺,虽然与 粉末床选择性金属熔化工艺不同的是,这种工 艺并不适合加工十分复杂的几何形状,但是通过3D打印近净形部件,然后再 通过机加工将其加工到最终所需要的精度,可以缩短加工周期,减少材 料浪费并降低成本。

根据Christodoulou,有些技术比DED工艺提 供更好的复杂性,但DED工艺却 提供了另外一种价值。尤其是 加工例如钛合金这种昂贵的材料,所节约 的材料的价值是显而易见的。

波音选 择使用快速等离子沉积™3D打印技 术进行钛合金结构件的近净成形制造,该工艺 了替代锻造等传统制造工艺。Norsk Titanium公司表 示通过快速等离子沉积™技术3D打印钛合金结构件,将最终为每架Dreamliner飞机节省200万美元-300万美元的成本。

根据Christodoulou的说法,DED可能是 波音公司为生产终端而首先采用的技术之一,不过显然3D打印是 一系列不同的制造技术的组合,包括塑料的3D打印,复合材料,金属和 陶瓷等不同材料的打印工艺,都各具特色,并且为 工艺链创造独特的价值。

在波音公司的3D打印”工具箱”中,有一项技术是Stratasys的FDM技术。Stratasys的Infintely build3D打印系统是Stratasys推出的 大尺寸塑料零部件3D打印设备,打印的零件高度达0.76米(30英寸),宽度达1米(40英寸),Infinite-Build系统能 自动检测出材料的剩余量,材料耗 尽之后由机械臂自动更换材料罐,从而实 现不间断的无人操作。

打印大 型的塑料零件还有BAAM技术,去年,波音和 橡树岭国家实验室(ORNL)赢得了 吉尼斯世界纪录,他们合作3D打印了 飞机机翼的夹具,这个夹具用于固定777X复合翼 面以进行钻孔和加工。

不过虽 然飞机零件制造商对尝试一种新的技术保持开放的心态,但要进 入到生产体系是需要经过严格的验证的,波音公 司不仅仅使用新的3D打印技术,以创造 出新颖性的零件。根据Christodoulou的说法,每个技 术和零件都需要经过严格的质量控制过程。

“一些技 术比其他技术更成熟,所以它 比其他技术更有可能满足波音的要求,”根据Christodoulou,“波音有 充分的开放心态来捕捉新技术的好处,但落实 到生产领域的实施必须是基于使用稳定的技术和反复验证的可靠性。”

Christodoulou表示,波音公 司拥有非常严格的过程规范,以便在 获得一致的零件生产能力。一旦在 多台机器和全球各地的多个安装中的过程中证明了稳定性,波音就 会开发一个数据库来记录零件的产品生命周期数据。这使得 波音公司能够拥有使用特定过程制造的特定零件的全部数据。

这不仅 适用于制造工艺与流程,而且对 于材料也是如此。最新的 材料之一是波音公司正在试验由Oxford Performance Materials(OPM)-牛津性 能材料开发的一种激光烧结OXPEKK。波音公 司将为波音船员太空运输(CST)-100 Starliner航天器提供600多个零件。Starliner航天器 最多可以携带七位乘客,也作为 船员和货物到达如国际空间站等低地轨道的交通工具。

与其他 采用增材制造技术的航空航天公司不同,波音公 司并不完全依赖内部生产,Christodoulou指出,波音企 图在内部工作和利用其供应链之间取得平衡。

根据Christodoulou,“65%的工作 是由波音的供应商在波音之外完成的。但是波 音必须在内部活动和供应链之间取得平衡。在很多情况下,波音的 价值主张是与外部的供应基地合作,利用他 们的专长和资本投入。例如,Norsk对其技 术进行了大量资本投资,波音不一定要复制。而是宁愿和他们合作。波音重 视并欣赏供应商的贡献。”


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