增材制造，也稱為 3D 打印，在航空航天工業(yè)中有許多應(yīng)用，從設(shè)計到制造等等。
航空航天業(yè)是最早的商業(yè)采用者之一，當(dāng)時3D打印或增材制造剛被發(fā)明出來。事實上，許多原始設(shè)備制造商、供應(yīng)商和政府機構(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配備了 1000+ 3D 打印部件。
然而，傳統(tǒng)的工業(yè)3D打印機對于除了最大和資金最雄厚的組織之外的所有組織來說都是昂貴的。在過去的 10 年里，我們看到高性能 3D 打印機的價格大幅下降，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)價格合理時，3D打印機現(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構(gòu)，而以前它們將被孤立在集中式原型制作車間中。通過將增材技術(shù)帶給更多最終用戶， Formlabs 3D 打印機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。
請繼續(xù)閱讀，了解 3D 打印推動整個航空航天業(yè)創(chuàng)新的九種關(guān)鍵方式，從設(shè)計到制造等。
用于航空航天產(chǎn)品開發(fā)的3D打印
1.用于功能火箭測試的3D打印快速原型
Gravity Industries正在開發(fā)看起來像科幻電影中的噴氣式飛機。他們的噴氣式飛機服旨在用于直升機無法到達(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試過程，包括一些測試，其中熱固性光敏聚合物樹脂是最佳選擇。
試飛員兼首席設(shè)計師 Sam Rogers 上使用透明樹脂在Form 3+制造的零件來開發(fā)渦流冷卻火箭發(fā)動機點火器的設(shè)計。透明材料非常適合測試環(huán)境，因此羅杰斯可以觀察測試臺內(nèi)部的燃燒模式。
在設(shè)計測試期間，羅杰斯將腔室設(shè)計為模塊化，因此他們可以混合和匹配不同版本的腔室和噴嘴。通過“旋轉(zhuǎn)氧氣屏蔽”將最高熱量遠(yuǎn)離腔室壁，每個樹脂部件能夠持續(xù)幾秒鐘。這已經(jīng)足夠長了，因為每次試射只需要足夠長的時間來觀察點火模式。
如果羅杰斯用金屬制作數(shù)十種不同的設(shè)計，那將是非常昂貴的。相反，由于測試時間短，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間的高性能設(shè)計。
2. 用3D打印創(chuàng)建復(fù)雜的火箭零件
Masten Space Systems 使用 3D 打印生產(chǎn)復(fù)雜的火箭部件
Masten Space Systems專門從事垂直起飛和垂直著陸火箭。馬斯滕于2014年開始3D打印火箭發(fā)動機，從小型測試推進(jìn)器開始，然后最終在2016年擴(kuò)展到25,000磅推力的大劍發(fā)動機。他們的增材制造經(jīng)驗包括塑料和金屬。根據(jù)Masten的研究和測試工程師Kimberly Devore的說法，該公司已經(jīng)使用傳統(tǒng)加工和3D打印來生產(chǎn)火箭發(fā)動機。雖然 Masten 仍然在他們的舊發(fā)動機中使用一些傳統(tǒng)制造，但他們已經(jīng)接受了 3D 打印，以實現(xiàn)設(shè)計靈活性和生產(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)計它，“Devore說?！昂芏鄷r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€附加功能都是額外的，因為您必須支付額外的錢。
然而，對于3D打印來說，增加復(fù)雜性以提高性能不會產(chǎn)生額外的成本，冒險也不會增加。由于制作倍數(shù)相對快速且便宜，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。
3. 使用3D打印制作航空航天工具原型
數(shù)控機床需要技能和時間來編程。如果零件不需要金屬，3D打印可以成為一種實用工具，可以更快、更低成本地創(chuàng)建原型或生產(chǎn)工具
A&M Tool and Design為航空航天、光學(xué)和機器人生產(chǎn)零件和定制機器。多年來，該車間進(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 機械工程師 Ryan Little 研究了哪種 3D 打印機最符合他們的需求，并選擇了 Formlabs 3D 打印機。
對于原型設(shè)計，該商店開始使用3D打印來測試貼合度和功能.3D。 3D打印使Little和團(tuán)隊能夠更快地制造零件，并利用一天中的所有時間，將打印設(shè)置為通宵運行，然后在第二天使用零件。對于在數(shù)控機床上生產(chǎn)成本高昂且耗時的幾何形狀，打印特別有用。
“打印機幾乎感覺像是CAD之外的輔助工具，”利特爾說?！拔覀?yōu)椴煌愋偷墓ぞ咦隽舜罅康脑驮O(shè)計。如果我們沒有 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，并且會有一些東西永遠(yuǎn)不會被制造或設(shè)計，因為它不實用。
用于航空航天制造的3D打印
4. 使用3D打印的飛機零件、定制工具可節(jié)省資金
Lufthansa Technik 3D 打印了擠壓噴嘴，以生成這些自發(fā)光逃生路線標(biāo)記
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。他們專有的 Guide U 逃生路線標(biāo)記專為飛機機艙的售后安裝而設(shè)計。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艙燈充電，并在緊急情況下在沒有電的情況下繼續(xù)在黑暗中發(fā)光。
在生產(chǎn)之前，測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。“從理論上講，我們也可以注塑我們的零件。但是，我們永遠(yuǎn)不會在噴嘴的形狀和調(diào)整方面如此靈活。這就是我看到 3D 打印的巨大優(yōu)勢的地方，“Guide U 項目工程師 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)建平臺面積很大，可以在單次打印中生產(chǎn) 72 個噴嘴。經(jīng)過測試，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，并且想要快速實現(xiàn)，我總是會使用3D打印?！?/span>
Ulrich Zarth，Lufthansa Technik AG 項目工程師
Zarth和他的團(tuán)隊通過在內(nèi)部3D打印這個小部件，在生產(chǎn)過程中節(jié)省了大量的時間和金錢。與制造此類工具的傳統(tǒng)方法相比，他們還能夠避免較高的最小訂購量，并在工藝優(yōu)化方面保持更大的靈活性。
5. 使用3D打印遮蔽夾具節(jié)省航空航天制造時間
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公司開展了一個項目，該項目涉及碳纖維、鋁和鈦部件的高公差鉆孔和加工?！霸阢@了一個孔并移動到下一個孔之后，我們需要覆蓋第一個孔，這樣產(chǎn)生的任何廢料都不會交叉污染第二個孔，”AMRC的項目工程師George Sleath說。
該團(tuán)隊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題。此外，還有兩個問題：需要多種尺寸的瓶蓋，而他們只有十天的時間來采購總共 500 個瓶蓋，以滿足他們的最后期限。
由于定制產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)時間如此之短，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，由于不確定 AMRC 的內(nèi)部能力，Sleath 向三家外部印刷機構(gòu)索取報價，但報價昂貴。
“然后，我與設(shè)計和原型制作小組的Mark Cocking進(jìn)行了交談，并詢問我們是否可以在內(nèi)部制造任何東西。實際上，我24小時都沒有收到他的回復(fù)，但當(dāng)我收到回復(fù)時，他說，'是的，我們已經(jīng)打印了一半。24 小時內(nèi)制造了 250 個這樣的鉆頭，這是一個驚人的轉(zhuǎn)變，“Sleath 說。
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)場完全符合預(yù)期。“我從安裝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，并且在運行過程中沒有一個損壞，“Sleath 說。
6.3D打印+電鍍制作最終用途航空航天零件
3D 打印最終用途部件使 Elliptika 能夠更快地創(chuàng)建新穎的天線設(shè)計，并在此過程中節(jié)省資金
Elliptika 專門從事射頻 （RF） 和微波產(chǎn)品及解決方案的設(shè)計和開發(fā)。該公司設(shè)計定制濾波器和天線，用于汽車、國防、醫(yī)學(xué)和教育領(lǐng)域的研發(fā)。射頻設(shè)計師 Gwendal Cochet 和 Alexandre Manchec 需要實現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀，降低成本，并快速交付設(shè)計。為了實現(xiàn)這些苛刻的參數(shù)，他們已經(jīng)學(xué)會了超越傳統(tǒng)的制造技術(shù)。
Elliptika的團(tuán)隊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)，因為打印部件的表面光滑。 “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化學(xué)過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 僅用了兩項工作就獲得了 Formlabs 3D 打印機的積極投資回報。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達(dá)三個月的時間?！巴ㄟ^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。
3D打印在航空航天研究和教育中的應(yīng)用
7. 在太空中測試3D打印部件
從頂部加載的預(yù)測試電鍍剛性 10K 樹脂晶格壓縮樣品（左）和測試后樣品（右）
電鍍剛性 10K 樹脂 3D 打印部件發(fā)送到國際空間站
美國宇航局的研究人員正在研究電鍍SLA部件在太空中的性能。美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的工程師設(shè)計了支架，這些支架在 Formlabs 打印機上 3D 打印、電鍍，并在 2022 年夏季 SpaceX 商業(yè)補給服務(wù) （CRS-25） 國際空間站 （ISS） 任務(wù)中送入太空。
使用阿爾法空間的國際空間站測試平臺材料國際空間站實驗（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)一步測試。這些結(jié)果可以告知美國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產(chǎn)品計劃。
8.3D打印風(fēng)洞測試部件
高性能3D打印組件可以安裝在風(fēng)洞中的飛機比例模型上
世界各地的教師和學(xué)生都在使用 Formlabs 3D 打印機進(jìn)行風(fēng)洞測試，為他們的研究提供信息。
德克薩斯A&M Oran W. Nicks低速風(fēng)洞為各種項目進(jìn)行風(fēng)洞測試。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試計劃，設(shè)計模型，并創(chuàng)建代碼，幫助他們收集相關(guān)數(shù)據(jù)。她的團(tuán)隊使用3D打印來創(chuàng)建比例模型來測試各種物體。
布朗回憶起一個項目，該團(tuán)隊研究了一種撲翼直升機葉片，并在測試中加入了3D打印?！叭绻覀冏叩米銐蚩?，葉片拍打得足夠快，你實際上會從這些葉片的前緣得到?jīng)_擊波。這不是你想要的直升機。因此，我們實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?！拔覀冊谇熬売幸粋€小的印刷插件，里面有一些傳感器。所以整個模型是一個鋁制機翼，上面有這個小插件，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)洞也測試了3D打印部件。博士生Lars von Deyn研究預(yù)測湍流的方法。他的工作有可能為材料和設(shè)計選擇提供信息，以減少移動中的摩擦。
為了制造他的測試零件，von Deyn 將目光投向了 3D 打印。 “我想研究那些很難用機械加工工藝生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，”他說。他之所以選擇 Form 3L，是因為其較大的構(gòu)建區(qū)域意味著他可以用更少的單個部件覆蓋風(fēng)洞測試區(qū)域，從而減少模式中斷。
9. 用3D打印培養(yǎng)下一代工程師
在 2021 年的 AM Olympics 挑戰(zhàn)賽中，USNA 海軍建筑專業(yè)的見習(xí)生 Ben Leaman 展示了他使用 Formlabs Form 3 打印機打印的獲獎?wù)掌?/span>
美國海軍學(xué)院培養(yǎng)年輕男女成為美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊的專業(yè)軍官。USNA的副教授布拉德·貝克（Brad Baker）上尉意識到，由于缺乏制造能力，他的工程專業(yè)學(xué)生的迭代過程以及學(xué)習(xí)速度受到阻礙。即使有一個專門用于學(xué)生頂點項目的機械車間，每個人或團(tuán)隊在一年內(nèi)也無法完成超過三到四次迭代。
貝克船長并不是校園里第一位為學(xué)生提供3D打印機的教授，但他在創(chuàng)辦MakerSpaceUSNA時將設(shè)計和制造能力集中在一個集中位置。從幾 臺熔融沉積成型 （FDM） 打印機 開始，他開始將這些機器集成到機械工程課程中，并將這些機器提供給完成頂點項目的學(xué)生。
當(dāng)學(xué)生進(jìn)入工程課程時，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，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?，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目。
擁有使用 FDM、SLA 和 SLS 技術(shù)的高質(zhì)量、可靠的打印機，使 MakerSpaceUSNA 能夠為每一位 USNA 學(xué)生提供各種增材制造技術(shù)的體驗。貝克上尉的實踐教育理念和從失敗中學(xué)習(xí)的方法為工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)一步展示了這種接觸，并為他們在美國海軍及其他地區(qū)服役的職業(yè)生涯做好準(zhǔn)備。
航空航天領(lǐng)域3D打印的下一步是什么？
隨著比以往任何時候都更強大和更容易獲得的增材技術(shù)，該行業(yè)有望獲得來自更廣泛的貢獻(xiàn)者的貢獻(xiàn)。很難說未來 5-10 年最大的突破是否會來自 OEM、供應(yīng)商、公共機構(gòu)、初創(chuàng)公司或?qū)W術(shù)界，但隨著比以往任何時候都更多的人接觸 3D 打印，這些創(chuàng)新將比以往任何時候都更快。
隨著對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)的用途越來越廣泛，增材技術(shù)將繼續(xù)重塑我們建造和維護(hù)飛機和航天器的方式。
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