空客批量化生產3D打印鈦金屬零件的背后

鈦是昂貴的材料，3D打印技術對減少鈦金屬的浪費起到重要的作用。兩大飛機制造商空客和波音都已嘗試通過金屬3D打印技術直接制造鈦合金飛機零部件，從而有效的控制鈦合金零部件的制造成本。

2017年9月，空客宣布首次安裝3D打印鈦金屬零件在批量化生產的A350 XWB系列飛機上。根據空客，3D打印零件已經在其一些系列生產的空客飛機包括A320neo和A350 XWB測試飛機上使用，這款3D打印的零部件是由鈦制成的支架，可以裝配到飛機吊架中，該平面的部分有效地連接機翼和發(fā)動機。雖然這款3D打印的零件尺寸不大，但它在吊架結構中起著重要的作用。
據悉，這款3D打印零件是由美國鋁業(yè)分拆出來的Arconic生產的。最重要的是，通過使用粉末床激光熔化系統(tǒng)，可以很快地生產多個零件。這允許Arconic為A350 XWB生產批量的支架。根據另外的協(xié)議，Arconic還將為A320生產其他鈦和鎳材質的3D打印零件。其中一個協(xié)議的內容是Arconic將為空客的A320系列飛機提供由高溫鎳超合金制成的3D打印管道部件。先進的鎳超級合金讓這些部件有卓越的耐熱性，使熱空氣從發(fā)動機擴散到機身的其他部分。

根據Arconic,支架的制造過程來之不易，不僅僅考驗對3D打印技術的了解，還考驗相關的材料處理技術。此外，3D打印鈦零件比鈷和鎳零件要硬一些。這種材料對3D打印過程中的氣氛和打印參數更為敏感。不能簡單地認為購買一臺3D打印機就可以開始生產零件了。相反，對于機器及其參數（如激光功率和激光掃描路徑）需要進行不斷的調整，以確保所制造的零件質量和可重復性。

即便是將設計師所認為的完美的模型數據輸入到3D打印機中，當完成3D打印的時候，通常會發(fā)現(xiàn)從打印機里面出來的產品并不具備完美的尺寸要求。當打印這些零部件的時候，任何輕微的改變都可能會導致尺寸問題。據了解到Arconic在開始生產之前，對原型零件進行了大量的建模和測試，以便在實際3D打印過程中實現(xiàn)滿足客戶所要求的零件規(guī)格。

Arconic的母公司是全球輕金屬技術、工程與制造的領導者美鋁公司。美鋁開創(chuàng)了推動世界發(fā)展的多種材料解決方案，提供由鈦、鎳和鋁制成的增值產品，并生產世界一流的鋁土礦、氧化鋁和原鋁產品。為滿足包括航空航天制造在內的各行業(yè)對增材制造的需求，美鋁將其下游服務業(yè)務以Arconic公司的名義拆分出來。

Arconic已經參與3D打印近20年，第一臺3D打印機是樹脂光固化技術3D打印設備，這臺設備安裝在密歇根州懷特霍爾市的研究中心。通過這臺設備來3D打印精密鑄造模具，讓Arconic體會到了3D打印技術與制造的緊密度。此后，Arconic在德克薩斯州、加利福尼亞州、佐治亞州、密歇根州和賓夕法尼亞州，配備了金屬以及塑料3D打印設備。

Arconic公司可以為航空航天業(yè)的用戶提供從航空技術到金屬粉末生產乃至產品認證的專業(yè)服務。依靠美鋁公司的技術實力，Arconic在傳統(tǒng)金屬制造技術和3D打印領域都有根基，并擁有航空航天工業(yè)中最大的HIP（熱等靜壓）設備之一，該設備用于加強由鈦和鎳基超合金制成的3D打印和非打印部件的金屬結構。此外，在2015年7月收購RTI國際金屬公司后，Arconic加強了在鈦和其他特種金屬在航空航天等領域的制造能力。

隨著2015年收購RTI，Arconic獲得了顯著的增材制造領域的專長，RTI在通過3D打印金屬和塑料材料來生產零件方面擁有豐富的經驗。通過對RTI的收購，Arconic擁有了系統(tǒng)化3D打印鈦金屬的制造能力。隨后，在2016年，Arconic技術中心內專門開設了3D打印金屬粉末生產設備。在那里，Arconic生產針對航空領域所需要的為了3D打印工藝而優(yōu)化的鈦、鎳和鋁粉末。

值得注意的是，Arconic擁有世界上最大的熱等靜壓（HIP）設備。而在3D打印零件的后期處理過程中，通常需要HIP來加強3D打印的金屬部件。

不僅僅是粉末床激光熔化技術，Arconic還通過自己的增材制造技術為金屬3D打印的未來做出貢獻。 據了解到Arconic的Ampliforge™技術是將Sciaky的大型電子束增材制造技術（EBAM）與鍛造相結合的過程。 該方法使用EBAM快速生成近凈形狀，然后應用鍛造技術以獲得適當的零件強度。

傳統(tǒng)的鍛造過程，從坯料到實際零件可能需要六到八個步驟。通過Ampliforge™工藝，先3D打印預制件，然后將其鍛造一次，以實現(xiàn)與傳統(tǒng)鍛造部件相同的微觀結構。這將節(jié)省大量的時間和資源，使得零部件的生產成本更高效且更便宜。

Arconic的經驗可以很好的告訴我們，3D打印不是一個獨立的制造過程，完成符合制造商要求的零件需要對相關的后處理技術進行一系列的投資與應用方面的整合。而針對于3D打印技術本身，也遠遠不是投資一臺設備那么容易。

來源：3D科學谷
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