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航空航天業(yè)是最早的商業(yè)采用者之一，當(dāng)時(shí)3D打印或增材制造剛被發(fā)明出來(lái)。事實(shí)上，許多原始設(shè)備制造商、供應(yīng)商和政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)使用了 3D 打印數(shù)十年，現(xiàn)在，最新一代的商用飛機(jī)配備了 1000+ 3D 打印部件。

然而，傳統(tǒng)的工業(yè)3D打印機(jī)對(duì)于除了最大和資金最雄厚的組織之外的所有組織來(lái)說(shuō)都是昂貴的。在過(guò)去的 10 年里，我們看到高性能 3D 打印機(jī)的價(jià)格大幅下降，以及材料科學(xué)的創(chuàng)新，使許多更高性能的應(yīng)用成為可能。當(dāng)價(jià)格合理時(shí)，3D打印機(jī)現(xiàn)在可以被小型組織使用，也可以用于大型組織的新分支機(jī)構(gòu)，而以前它們將被孤立在集中式原型制作車(chē)間中。通過(guò)將增材技術(shù)帶給更多最終用戶(hù)， Formlabs 3D 打印機(jī)使更多的航空航天工程師和研究人員能夠突破其領(lǐng)域的界限。

請(qǐng)繼續(xù)閱讀，了解 3D 打印推動(dòng)整個(gè)航空航天業(yè)創(chuàng)新的九種關(guān)鍵方式，從設(shè)計(jì)到制造等。

Gravity Industries正在開(kāi)發(fā)看起來(lái)像科幻電影中的噴氣式飛機(jī)。他們的噴氣式飛機(jī)服旨在用于直升機(jī)無(wú)法到達(dá)或安全著陸的搜索和救援等情況。使用多種3D打印技術(shù)加速了他們的原型和測(cè)試過(guò)程，包括一些測(cè)試，其中熱固性光敏聚合物樹(shù)脂是最佳選擇。

試飛員兼首席設(shè)計(jì)師 Sam Rogers 上使用透明樹(shù)脂在Form 3+制造的零件來(lái)開(kāi)發(fā)渦流冷卻火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)。透明材料非常適合測(cè)試環(huán)境，因此羅杰斯可以觀察測(cè)試臺(tái)內(nèi)部的燃燒模式。

在設(shè)計(jì)測(cè)試期間，羅杰斯將腔室設(shè)計(jì)為模塊化，因此他們可以混合和匹配不同版本的腔室和噴嘴。通過(guò)“旋轉(zhuǎn)氧氣屏蔽”將最高熱量遠(yuǎn)離腔室壁，每個(gè)樹(shù)脂部件能夠持續(xù)幾秒鐘。這已經(jīng)足夠長(zhǎng)了，因?yàn)槊看卧嚿渲恍枰銐蜷L(zhǎng)的時(shí)間來(lái)觀察點(diǎn)火模式。

如果羅杰斯用金屬制作數(shù)十種不同的設(shè)計(jì)，那將是非常昂貴的。相反，由于測(cè)試時(shí)間短，零件的材料成本非常低，因此他選擇了具有最少支出和交貨時(shí)間的高性能設(shè)計(jì)。

2. 用3D打印創(chuàng)建復(fù)雜的火箭零件

Masten Space Systems專(zhuān)門(mén)從事垂直起飛和垂直著陸火箭。馬斯滕于2014年開(kāi)始3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，從小型測(cè)試推進(jìn)器開(kāi)始，然后最終在2016年擴(kuò)展到25,000磅推力的大劍發(fā)動(dòng)機(jī)。他們的增材制造經(jīng)驗(yàn)包括塑料和金屬。根據(jù)Masten的研究和測(cè)試工程師Kimberly Devore的說(shuō)法，該公司已經(jīng)使用傳統(tǒng)加工和3D打印來(lái)生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然 Masten 仍然在他們的舊發(fā)動(dòng)機(jī)中使用一些傳統(tǒng)制造，但他們已經(jīng)接受了 3D 打印，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性和生產(chǎn)速度。

“3D打印的好處是你可以完全按照你想要的方式對(duì)它進(jìn)行建模。而且它不需要像進(jìn)行傳統(tǒng)加工那樣的迭代。真的，你可以按照你需要的方式設(shè)計(jì)它，“Devore說(shuō)?！昂芏鄷r(shí)候，在傳統(tǒng)加工中，你可能需要把事情做得非?；尽Ｄ砑拥拿總€(gè)附加功能都是額外的，因?yàn)槟仨氈Ц额~外的錢(qián)。

然而，對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)，增加復(fù)雜性以提高性能不會(huì)產(chǎn)生額外的成本，冒險(xiǎn)也不會(huì)增加。由于制作倍數(shù)相對(duì)快速且便宜，因此他們能夠嘗試新事物。“能夠快速迭代這種東西是巨大的。

A&M Tool and Design為航空航天、光學(xué)和機(jī)器人生產(chǎn)零件和定制機(jī)器。多年來(lái)，該車(chē)間進(jìn)行了現(xiàn)代化改造，除了可靠的傳統(tǒng)技術(shù)和改造解決方案外，還引入了一系列新設(shè)備，包括 3D 打印。A&M Tool 機(jī)械工程師 Ryan Little 研究了哪種 3D 打印機(jī)最符合他們的需求，并選擇了 Formlabs 3D 打印機(jī)。

對(duì)于原型設(shè)計(jì)，該商店開(kāi)始使用3D打印來(lái)測(cè)試貼合度和功能.3D。 3D打印使Little和團(tuán)隊(duì)能夠更快地制造零件，并利用一天中的所有時(shí)間，將打印設(shè)置為通宵運(yùn)行，然后在第二天使用零件。對(duì)于在數(shù)控機(jī)床上生產(chǎn)成本高昂且耗時(shí)的幾何形狀，打印特別有用。

“打印機(jī)幾乎感覺(jué)像是CAD之外的輔助工具，”利特爾說(shuō)?！拔覀?yōu)椴煌?lèi)型的工具做了大量的原型設(shè)計(jì)。如果我們沒(méi)有 Form 2，許多原型將一直保留在 CAD 中，直到我們準(zhǔn)備好進(jìn)行加工，并且會(huì)有一些東西永遠(yuǎn)不會(huì)被制造或設(shè)計(jì)，因?yàn)樗粚?shí)用。

漢莎技術(shù)公司是全球最大的航空供應(yīng)商和維護(hù)、維修和大修 （MRO） 供應(yīng)商之一。他們專(zhuān)有的 Guide U 逃生路線標(biāo)記專(zhuān)為飛機(jī)機(jī)艙的售后安裝而設(shè)計(jì)。這些創(chuàng)新的地板標(biāo)記是光致發(fā)光的，這意味著它們配備了自發(fā)光的彩色顏料，這些顏料由正常的機(jī)艙燈充電，并在緊急情況下在沒(méi)有電的情況下繼續(xù)在黑暗中發(fā)光。

在生產(chǎn)之前，測(cè)試了幾種模具材料和制造工藝.3D。 3D打印定制擠出噴嘴被發(fā)現(xiàn)是最具成本效益和靈活的制造方法?！皬睦碚撋现v，我們也可以注塑我們的零件。但是，我們永遠(yuǎn)不會(huì)在噴嘴的形狀和調(diào)整方面如此靈活。這就是我看到 3D 打印的巨大優(yōu)勢(shì)的地方，“Guide U 項(xiàng)目工程師 Ulrich Zarth 解釋道。

該生產(chǎn)工具是與 Formlabs 合作伙伴 myprintoo 合作在 Form 3L 上打印的。Form 3L 的構(gòu)建平臺(tái)面積很大，可以在單次打印中生產(chǎn) 72 個(gè)噴嘴。經(jīng)過(guò)測(cè)試，Clear Resin 不僅具有合適的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量，還有助于 Lufthansa Technik 不斷優(yōu)化其生產(chǎn)流程。

“如果你想要精確的幾何形狀，特別是在塑料領(lǐng)域，并且想要快速實(shí)現(xiàn)，我總是會(huì)使用3D打印?！?/span>

Ulrich Zarth，Lufthansa Technik AG 項(xiàng)目工程師

Zarth和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)在內(nèi)部3D打印這個(gè)小部件，在生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)省了大量的時(shí)間和金錢(qián)。與制造此類(lèi)工具的傳統(tǒng)方法相比，他們還能夠避免較高的最小訂購(gòu)量，并在工藝優(yōu)化方面保持更大的靈活性。

AMRC的集成制造集團(tuán)與工業(yè)合作伙伴合作，匯集先進(jìn)技術(shù)并開(kāi)發(fā)集成系統(tǒng)。該研究小組為歐洲最大的航空航天制造商空中客車(chē)公司開(kāi)展了一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目涉及碳纖維、鋁和鈦部件的高公差鉆孔和加工?！霸阢@了一個(gè)孔并移動(dòng)到下一個(gè)孔之后，我們需要覆蓋第一個(gè)孔，這樣產(chǎn)生的任何廢料都不會(huì)交叉污染第二個(gè)孔，”AMRC的項(xiàng)目工程師George Sleath說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)首先嘗試使用帶有小橡膠O形圈的鋁片，但這并不能充分解決問(wèn)題。此外，還有兩個(gè)問(wèn)題：需要多種尺寸的瓶蓋，而他們只有十天的時(shí)間來(lái)采購(gòu)總共 500 個(gè)瓶蓋，以滿(mǎn)足他們的最后期限。

由于定制產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)時(shí)間如此之短，除了3D打印之外，幾乎所有其他制造選擇都是不可行的。當(dāng)時(shí)，由于不確定 AMRC 的內(nèi)部能力，Sleath 向三家外部印刷機(jī)構(gòu)索取報(bào)價(jià)，但報(bào)價(jià)昂貴。

“然后，我與設(shè)計(jì)和原型制作小組的Mark Cocking進(jìn)行了交談，并詢(xún)問(wèn)我們是否可以在內(nèi)部制造任何東西。實(shí)際上，我24小時(shí)都沒(méi)有收到他的回復(fù)，但當(dāng)我收到回復(fù)時(shí)，他說(shuō)，'是的，我們已經(jīng)打印了一半。24 小時(shí)內(nèi)制造了 250 個(gè)這樣的鉆頭，這是一個(gè)驚人的轉(zhuǎn)變，“Sleath 說(shuō)。

最后，Cocking 設(shè)法在兩天內(nèi)制造出所有組件，并且瓶蓋在現(xiàn)場(chǎng)完全符合預(yù)期?！拔覐陌惭b它們的操作員那里得到的反饋非常棒。絕大多數(shù)部件的性能完全符合預(yù)期，并且在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有一個(gè)損壞，“Sleath 說(shuō)。

Elliptika 專(zhuān)門(mén)從事射頻 （RF） 和微波產(chǎn)品及解決方案的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。該公司設(shè)計(jì)定制濾波器和天線，用于汽車(chē)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)和教育領(lǐng)域的研發(fā)。射頻設(shè)計(jì)師 Gwendal Cochet 和 Alexandre Manchec 需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀，降低成本，并快速交付設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)這些苛刻的參數(shù)，他們已經(jīng)學(xué)會(huì)了超越傳統(tǒng)的制造技術(shù)。

Elliptika的團(tuán)隊(duì)使用不同的增材制造工藝，發(fā)現(xiàn)與電鍍最佳匹配的是立體光固化成型（SLA）技術(shù)，因?yàn)榇蛴〔考谋砻婀饣?“3D打印零件后，我們需要移除支撐物，清潔其表面并固化。然后將打印部件通過(guò)化學(xué)過(guò)程鍍上一層薄薄的銅（約3μm）。最后，零件可以進(jìn)行表面處理，例如，更厚的錫層。

Elliptika 僅用了兩項(xiàng)工作就獲得了 Formlabs 3D 打印機(jī)的積極投資回報(bào)。由外部供應(yīng)商制造零件的成本約為 3000 歐元，而內(nèi)部3D打印和電鍍天線的材料和人工成本僅為20歐元。

他們的工作節(jié)奏也加快了。使用傳統(tǒng)的制造技術(shù)，制造一根天線可能需要長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月的時(shí)間。“通過(guò)內(nèi)部 3D 打印，我們可以在兩天內(nèi)完成工作部件。一天用于印刷，一天用于電鍍，它正在工作。所以它要短得多，“科切特先生說(shuō)。

美國(guó)宇航局的研究人員正在研究電鍍SLA部件在太空中的性能。美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的工程師設(shè)計(jì)了支架，這些支架在 Formlabs 打印機(jī)上 3D 打印、電鍍，并在 2022 年夏季 SpaceX 商業(yè)補(bǔ)給服務(wù) （CRS-25） 國(guó)際空間站 （ISS） 任務(wù)中送入太空。

使用阿爾法空間的國(guó)際空間站測(cè)試平臺(tái)材料國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)（MISSE-16），樣品將暴露在空間站的外部環(huán)境中，隨后將返回地球進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。這些結(jié)果可以告知美國(guó)宇航局和其他航空航天制造商如何將電鍍和增材制造納入潛在的未來(lái)產(chǎn)品計(jì)劃。

世界各地的教師和學(xué)生都在使用 Formlabs 3D 打印機(jī)進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試，為他們的研究提供信息。

德克薩斯A&M Oran W. Nicks低速風(fēng)洞為各種項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試。德克薩斯農(nóng)工大學(xué)風(fēng)洞的經(jīng)理兼工程師麗莎·布朗（Lisa Brown）幫助研究人員制定測(cè)試計(jì)劃，設(shè)計(jì)模型，并創(chuàng)建代碼，幫助他們收集相關(guān)數(shù)據(jù)。她的團(tuán)隊(duì)使用3D打印來(lái)創(chuàng)建比例模型來(lái)測(cè)試各種物體。

布朗回憶起一個(gè)項(xiàng)目，該團(tuán)隊(duì)研究了一種撲翼直升機(jī)葉片，并在測(cè)試中加入了3D打印?！叭绻覀冏叩米銐蚩?，葉片拍打得足夠快，你實(shí)際上會(huì)從這些葉片的前緣得到?jīng)_擊波。這不是你想要的直升機(jī)。因此，我們實(shí)際上能夠看到這些沖擊波發(fā)生在我們的低速隧道中，這真的很令人興奮，“布朗說(shuō)?！拔覀?cè)谇熬売幸粋€(gè)小的印刷插件，里面有一些傳感器。所以整個(gè)模型是一個(gè)鋁制機(jī)翼，上面有這個(gè)小插件，我們可以更換。

在大西洋的另一邊，卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的風(fēng)洞也測(cè)試了3D打印部件。博士生Lars von Deyn研究預(yù)測(cè)湍流的方法。他的工作有可能為材料和設(shè)計(jì)選擇提供信息，以減少移動(dòng)中的摩擦。

為了制造他的測(cè)試零件，von Deyn 將目光投向了 3D 打印。 “我想研究那些很難用機(jī)械加工工藝生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，”他說(shuō)。他之所以選擇 Form 3L，是因?yàn)槠漭^大的構(gòu)建區(qū)域意味著他可以用更少的單個(gè)部件覆蓋風(fēng)洞測(cè)試區(qū)域，從而減少模式中斷。

美國(guó)海軍學(xué)院培養(yǎng)年輕男女成為美國(guó)海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的專(zhuān)業(yè)軍官。USNA的副教授布拉德·貝克（Brad Baker）上尉意識(shí)到，由于缺乏制造能力，他的工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的迭代過(guò)程以及學(xué)習(xí)速度受到阻礙。即使有一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于學(xué)生頂點(diǎn)項(xiàng)目的機(jī)械車(chē)間，每個(gè)人或團(tuán)隊(duì)在一年內(nèi)也無(wú)法完成超過(guò)三到四次迭代。

貝克船長(zhǎng)并不是校園里第一位為學(xué)生提供3D打印機(jī)的教授，但他在創(chuàng)辦MakerSpaceUSNA時(shí)將設(shè)計(jì)和制造能力集中在一個(gè)集中位置。從幾 臺(tái)熔融沉積成型 （FDM） 打印機(jī) 開(kāi)始，他開(kāi)始將這些機(jī)器集成到機(jī)械工程課程中，并將這些機(jī)器提供給完成頂點(diǎn)項(xiàng)目的學(xué)生。

當(dāng)學(xué)生進(jìn)入工程課程時(shí)，他們首先學(xué)習(xí)如何使用CAD 軟件 ，然后學(xué)習(xí)如何操作 FDM 打印機(jī)，然后轉(zhuǎn)向立體光固化成型 （SLA），最后學(xué)習(xí)選擇性激光燒結(jié) （SLS）3D 打印機(jī)?，F(xiàn)在，他們甚至可以學(xué)習(xí) 3D掃描 ，并可以使用他們學(xué)到的所有工具完成完整的逆向工程項(xiàng)目。

擁有使用 FDM、SLA 和 SLS 技術(shù)的高質(zhì)量、可靠的打印機(jī)，使 MakerSpaceUSNA 能夠?yàn)槊恳晃?USNA 學(xué)生提供各種增材制造技術(shù)的體驗(yàn)。貝克上尉的實(shí)踐教育理念和從失敗中學(xué)習(xí)的方法為工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)一步展示了這種接觸，并為他們?cè)诿绹?guó)海軍及其他地區(qū)服役的職業(yè)生涯做好準(zhǔn)備。

隨著比以往任何時(shí)候都更強(qiáng)大和更容易獲得的增材技術(shù)，該行業(yè)有望獲得來(lái)自更廣泛的貢獻(xiàn)者的貢獻(xiàn)。很難說(shuō)未來(lái) 5-10 年最大的突破是否會(huì)來(lái)自 OEM、供應(yīng)商、公共機(jī)構(gòu)、初創(chuàng)公司或?qū)W術(shù)界，但隨著比以往任何時(shí)候都更多的人接觸 3D 打印，這些創(chuàng)新將比以往任何時(shí)候都更快。

隨著對(duì)3D打印的理解在航空航天業(yè)的不斷普及，以及技術(shù)和可用材料基礎(chǔ)的用途越來(lái)越廣泛，增材技術(shù)將繼續(xù)重塑我們建造和維護(hù)飛機(jī)和航天器的方式。