增材制造技术在航空维修和保养中的应用

来源：赛斯智库

随着多种增材制造工艺和材料的应用,航空工业正在将增材制造技术应用于许多特殊的维修和保养工作。

一、原型设计
增材制造技术最初应用于密合度检査的原型快速制造,在航空保养和维修中具有重要的实用价值。例如,美国海军西南舰队战备中心制造了管件加固原型。验证密合度后,再用铝加工零件。计算机数控加工耗时,是劳动密集型工作(尤其是编程),并且可能生产能力有限,而增材制造原型可以防止因不正确的几何形状或尺寸公差而造成的浪费。

二、工具、夹具和钻模
增材制造技术可通过制造工具、夹具和钻模来减少航空维修和保养的成本和时间。如果没有与增材制造终端使用部件相关的资格认证问题,这些优势几乎可以立即实现。对于每架飞机,可使用增材制造技术打印数百个夹具、模板和钻模,从而减少60%~97%的成本和交付周期。一家复合材料零件的工业供应商已经确认,通过用材料挤出代替计算机数控加工来生产工具,可以节省79%的成本和96%的交付周期。

增材制造也可以制造大型工具。2016年,橡树岭国家实验室使用大面积增材制造技术,生产了777X复合材料机翼蒙皮修整和钻导。该结构是当时最大的3D打印制品,利用了橡树岭国家实验室的碳增强聚合物加工技术。

军事防护和保养机构也利用增材制造技术制造工具。自2006年以来,车队战备中心通过使用增材制造技术为车队提供保障,制造定制工具,展示了用于板材冲压和拉伸成形以及挤出打印模具的技术。增材制造工具被用于修理在海上硬着陆时损坏的AV-8B战斗机,使用聚碳酸材料挤出工具来制备修理所需的钣金倍增器。

航空金属铸件也可以从增材制造工具中获益。这种部件的交付周期通常为10-12个月。来自欧特克公司和阿里斯托铸造公司的团队设计了一种调制矩阵结构,用于铸造模型,以铸造超轻型飞机座椅框架。计算机优化设计的晶格结构使座椅重量减轻35%,同时满足性能要求。该座椅框架采用镁合金铸造,与传统的铝减材制造相比,总重量减轻56%。

粘合剂喷射可用于创建砂型铸造工具。与传统制造相比,用增材制造技术制造模心可减少90%废料。增材制造技术砂型铸造的其他优势包括:缩短交付周期、节约成本、提高性能,以及可定制。增材制造技术用于铸造模具,可消除对硬模式的需要,缩短交付周期并节约成本。增材制造技术打印砂模制成的复杂几何形状可以减轻重量或改进散热设计。此外,如果增材制造工具能够使铸件部件合并,新铸件可通过消除焊缝或紧固件来提高耐用性。

三、修理
增材造技术可用于修理航空发动机的金属件,如涡轮发动机部件、叶片、压缩机和外壳。当部件磨损或损坏时,该部件通常会报废，需要制造新部件；然而,使用增材制造技术可以延长该部件的使用寿命。通过移除损坏的材料区域并使用未损坏的区域重建部件来修理部件。最常见的增材制造修理工艺是定向能量沉积。增材制造修理的价值受到以下因素的影响:缺陷检测、现场修理部件的能力、替代修理技术的速度和成本,以及将部件恢复到具有相同机械性能的原始形状的要求。
光机公司的激光工程净成形技术成功修理了燃气轮机发动机的部件。使用激光工程净成形技术修理轴承座的成本仅相当于购买新轴承座成本的50%,交付周期从几周减少到几天。另一个例子是欧洲一家定向能量沉积机器制造商BeAM公司。该公可修理了800多个航空零部件,并将零部件的寿命从1万小时延长到6万小时。

四、终端可用零部件
航空与国防的另一个应用是直接制造终端可用零部件。金属增材制造用于维护和保养的零部件方面,一个最典型的例子是美国海军航空系统司令部演示的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机发动机舱钛合金连接和装配组件。这一部件必须经过广泛的材料和性能测试才能获得资格认证,然后才能安装在飞机上。

美国海军陆战队在“黄蜂”号航空母舰上使用塑料材料挤出台式3D打印机,为F-35B起落架舱门制造了一个替换塑料保险杠。这个替换件节省了7万美元成本,交付周期缩短了几天。如果没有3D打印更换保险杠的方法,就只能为“黄蜂”号航空母舰订购和运送一扇完整的门。

增材制造技术还可实现复杂设计,只在需要的地方添加材料,以满足强度、刚度、接口或可制造性要求。设计自由度可以减轻重量。一个设计团队分析了将增材制造技术用于商用飞机座椅扣所带来的优势,该座椅扣经过重新设计,并采用增材制造技术制造,其重量由155g降至68g。一架空客A380有853个座位,替换设计将总共减重74kg,飞机服役寿命内可节省燃料330万升。

通用电气航空集团在利用增材制造制备的下一代LEAP发动机燃料喷嘴中展示了减重和部件合并的综合优势。20个部件的喷嘴重新设计为单一部件,减轻了25%的重量。新设计的喷嘴不仅更轻,而且比原始设计更耐用,强度高5倍。通用电气公司计划到2020年使用增材制造技术制造多达10万个零部件。

增材制造技术也正在给太空制造带来革命性变化。美国国家航空航天局已计划将增材制造技术用于远程制造,以保障长期飞行任务和人类探索。2014年11月,国际空间站安装了太空制造公司的材料挤出打印机,2016年3月又安装了功能更强的增材制造工厂。增材制造技术在太空中另一个应用领域是在轨道上打印和部署卫星的潜力，这有可能为重建因年龄、自然损害或战斗而退化的卫星提供一种手段。

五、资格认证
航空工业使用资格认证和质量控制来确保公共安全。飞机零部件的资格认证过程可能耗资超过1.3亿美元,耗时长达15年。使用增材制造技术进行直接零部件生产对资格认证提出了挑战,特别是关键零部件。增材制造工艺相对较新,因此几乎没有标准和最低限度的飞行经验。许多公司、组织和政府都在鼓励制定标准。研究估计,对于一个给定的增材制造工艺,需要控制一百多个变量以产生稳定和可重复的部分。缺乏标准导致增材制造技术实施的几个障碍:材料数据在公司之间无法进行比较;不同的增材制造机器操作员使用不同的工艺参数；结果的可重复性可能不足;确保按规定生产产品的规范很少。

美国联邦航空管理局成立了增材制造国家小组,以便与工业界、学术界和政府机构合作,将美国联邦航空管理局的现行法规应用于增材制造产品,并制定认证结构安全性的指南。美国联邦航空管理局认证的首批金属增材制造部件之一是通用电气航空集团的T25传感器外壳。通用电气公司在4个月内设计、制造、生产、认证了该部件,并在400台现场发动机上进行了改造。

粉末床熔合等金属增材制造工艺中存在独特的材料问题,影响资格认证。部件内的机械性能不均匀。固有材料异常会影响断裂韧性和疲劳(即循环负荷)强度,包括缺乏熔合、分布孔隙、夹杂物和残余应力。对于增材制造技术,工艺认证中的一个重要步骤是在部件制造期间监视增材制造过程,以识别对组件有害的工艺误差。研究人员正在研究如何在金属增材制造进行时检测缺陷。

协作是加快增材制造技术应用和解决资格认证问题所必需的措施。美国制造是由联邦政府建立的公私合作伙伴关系,致力于通过政府、行业和学术界的合作解决增材制造技术难题。2016年,美国制造与美国国家标准协会成立增材制造标准化协作组织,将各标准开发组织汇集在一起,如美国试验与材料协会、美国焊接学会、电气与电子工程师协会和国际标准化组织,并于2017年2月完成第一版标准路线图。路线图列出了增材制造技术的现有标准和规范,确定了正在开发的增材制造技术相关标准,并概述了所缺少的新标准。

六、结论
增材制造技术是一套制造工艺,可通过原型、工具、夹具、钻模、零件修理和备件生产来减少保养时间和成本。缩短交付周期、降低成本和提高铝材投入量与净重量比的目标已经实现。如果允许更改设计,则复杂结构的轻量化部件将实现节能,对环境产生积极影响。

要使增材制造技术得到更广泛的应用,仍需克服各种难题,包括工艺控制、几何公差、质量保证和可重复性。在处理飞机关键部件时,认证机构需要工艺控制、已知材料特性以及对重复获得这些特性的信心。增材制造设计是另一个障碍。教授传统制造设计方法的工程师现在需要适应利用增材制造技术的设计自由。一项研究揭示了采用增材制造技术的障得,包括成本、缺乏训练有素的人才、最终产品质量的不确定性以及打印机速度。总体而言,增材制造技术的优势大于挑战,未来必然将在航空生产、维护和保养方面发挥更大作用。