从波音公司应用案例看3D打印发展趋势

来源：结构优化论坛

波音公司是世界上最大的民用与军用飞机制造商，是全球航空航天业的翘楚。波音公司下设两个业务部门：波音民用飞机集团和波音综合防御系统集团，设计并制造旋翼飞机、民用和军用飞机、电子和防御系统、导弹、卫星、发射装置、以及先进的信息和通讯系统。波音公司是美国国家航空航天局的主要服务提供商，运营着航天飞机和国际空间站。

波音现有的主要民机产品包括707、717、737、747、767、777、787系列飞机和波音公务机。作为制造业的巨头，波音公司对3D打印的青睐毋庸置疑。波音公司从1997年起就开始使用3D打印技术了，在10个不同的飞机制造平台上已经3D打印了超过50000个金属零部件，在最新的波音787“梦幻飞机”上有30个打印的零件。

金属结构件
钛是昂贵的材料，3D打印技术能够实现钛合金结构件的近净成形制造，更为有效的控制钛合金零部件制造成本。
波音787飞机部分钛合金结构件由Norsk Titanium公司快速等离子沉积技术3D打印制造，替代锻造等传统制造工艺。

NorskTitanium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787飞机节省200万美元-300万美元的成本。
该3D打印钛合金结构件进行了一系列严格的测试，最终在2017年2月获得了首个FAA材料和生产工艺认证。标志着波音公司3D打印钛合金结构件已经进入批量生产阶段。

工装夹具
波音公司和美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）2016年利用3D打印技术制作了一个工具：“trim-and-drill”，用于制造下一代波音 777X 客机的机翼。

这个工具创造了一个3D打印最大物件的世界纪录：长达5.3米，重约759公斤。3D打印的“trim-and-drill”由碳纤维和ABS树脂构成，制造时间为30个小时。

传统的“trim-and-drill”工具一般为金属制造，由第三方供应商提供，需耗时3个多月。在功能不变的前提下，3D打印的“trim-and-drill”节省了大量成本、人力和物力。未来波音公司将会在更多关键领域中应用 3D 打印技术。

间接3D打印
波音公司HRL实验室利用3D打印技术研发了一种世界上最轻的金属。
该金属结构的99.99%都是空气，固体结构只占0.01%，密度仅为0.9 g/L。空心管壁厚度仅100纳米，比头发细1000倍。

其制造方法为：通过UV光固化聚合物3D打印模板，然后使用化学电镀的方法为模板镀上一层超薄的镍，再除掉聚合物模板材料，只留下空心的金属结构。
该结构是一种由相互连接的空心管金属点阵结构，特点是重量轻、高强度比和高特定刚性，并且带来各种热力学特征。

该材料的独特的结构使得它可以从压缩超过50%的比例中恢复过来，并且具有非常高的能量吸收能力。适合用在抗冲击/爆炸系统、或者充当散热介质、微波吸收结构和驱动系统中。

波音公司将使用这种超轻的3D打印材料用于飞机墙面和地板等非机械部件。这将使得飞机重量大大减轻，提高飞机的燃油效率。波音声称该结构可用于安全地吸收鸡蛋从25层楼上落下来的冲击力。

从波音公司的应用案例可以看到，3D打印的其中一个发展趋势是高效率、低成本的制造技术。

比如Norsk Titanium公司快速等离子沉积技术，是一种丝材3D打印技术，生产效率比SLM制造系统快50-100倍。与现有的锻造和机械加工相比，所需的钛原料减少25％-75％。

从波音公司的应用案例还可以看到另一个发展趋势是：3D打印用于制造生产工具或者间接利用3D打印技术。

3D打印不仅可以直接生产飞机结构件，也可以作为一种制造生产工具，解决飞机制造过程的难点痛点。这不失为一种扩大3D打印应用范围的好思路。