3D打印一步解決 航空航天制造的難題

航天航空技術是當今世界最具影響力的高新科技之一，而航天航空制造技術是航天航空技術的重要組成部分，其發(fā)展水平對于飛機、火箭、導彈和航天器等航天航空產品的可靠性增強與使用壽命延長，綜合技術性能的完善，研制和生產成本的降低，甚至總體設計思想能否得到具體實現(xiàn)，均起著決定性作用。而3D打印技術的首要應用領域的就航空航天領域，例如飛機機翼的制造、復雜零部件制作、無人駕駛航空系統(tǒng)等等方面。

下面為大家介紹一下3D打印技術如何航空航天領域發(fā)光發(fā)彩的。

1近距離了解CE通過3D打印的飛機殷勤
要說3D打印在渦輪螺旋槳發(fā)動機領域的應用突破莫過于GE要在2018年試飛的ATP飛機發(fā)動機了。這為通過增材制造可以實現(xiàn)的可能性打開了新的空間。 GE公司先進的渦輪螺旋槳發(fā)動機（ATP）發(fā)動機中，三分之一以上的部件是由3D打印來完成的，其額定功率為1300馬力，該發(fā)動機為Textron Aviation推出的10人座商用飛機Cessna Denali提供動力。本期，與網(wǎng)友一起近距離來了解這款發(fā)動機的特點。
與噴氣發(fā)動機不同的是，渦輪螺旋槳飛機通常為小型商業(yè)飛行器和個人飛機提供動力，但這仍然代表著數(shù)十億美元的市場。基于3D打印技術特點，設計師將855個獨立部件減少到12個。不僅如此，3D打印通過降低ATP發(fā)動機的重量來降低成本。發(fā)動機輕5％，這意味著它將使飛機減少燃油消耗，此外設計變更將使ATP的發(fā)動機提高燃油燃燒效率，從而能夠減少20％的燃油消耗，并且比傳統(tǒng)加工方式制造的發(fā)動機多10％的功率。

GE ATP計劃負責人Gordie Follin說：“這臺發(fā)動機是革命性的。因為GE將大型商業(yè)發(fā)動機中驗證的最先進的技術移植到渦輪螺旋槳發(fā)動機的設計與制造中來�！�

ATP發(fā)動機的革新之處包括3D空氣動力學、可變定子葉片和完全集成的數(shù)字引擎和螺旋槳控制系統(tǒng)。 Follin說：“我們正在使得Textron可以擁有更高的動力以承載更大、更豪華的客艙，并且發(fā)動機提供滿足客戶期望的巡航速度，并且飛行員將坐在更簡潔明快的噴氣式駕駛艙中�！�

經(jīng)過十多年的研究和開發(fā)，GE通過幾個流程的銜接來生產發(fā)動機零件，包括直接金屬激光熔化3D打印技術。由于3D打印非常適合加工高度復雜的零件，這使得ATP發(fā)動機比傳統(tǒng)的渦輪螺旋槳發(fā)動機減少了約30％的零件，同時減少了發(fā)動機制造中涉及的組裝步驟和檢查次數(shù)。通過完全消除接頭的需要，該設計還消除了接頭損失和泄漏的風險。

GE的子公司Avio Aero的工程主管Giorgio Abrate說：“這不是簡單地用另一種方法替代一種生產方法，而是重新設計和設計航空發(fā)動機的方式�！背�了大量的采用增材制造技術之外，ATP還是世界上第一個“數(shù)字原生”航空發(fā)動機。 ATP的設計師不是依靠2D原理圖，而是使用先進的3D建模。引擎中的傳感器將收集數(shù)據(jù)，并允許用戶構建所謂的ATP數(shù)字雙胞胎。此外，引擎的虛擬模型將會根據(jù)實際情況來考慮磨損，幫助操作人員預測正確的維護時間，從而使得飛機將更多的時間用于飛行。該發(fā)動機還將配備通過單個控制桿控制發(fā)動機和螺旋槳的技術，使得飛行員能夠像駕駛噴氣式飛機一樣來駕駛Denali飛機。

在發(fā)動機內部，燃燒室和許多結構元件通過3D打印技術來完成，這帶來更簡潔、更輕和更緊湊的發(fā)動機，具有最佳的16:1的工業(yè)級總壓力比（OPR ）。與競爭對手相比，這使其能夠節(jié)約15％的燃料（僅僅通過設計提高的燃料燃燒效率帶來的節(jié)約）和提高10％的巡航功率。
總的來說，3D打印技術完成了目前Denali發(fā)動機最關鍵的部件，包括ATP的動力齒輪箱。不僅如此，3D打印技術還使得設計工程師能夠采用以前無法使用的材料組合，包括新的合金。

3D打印技術也用于設計和生產ATP燃燒器，其圍繞式逆流配置，從而最大限度地縮短發(fā)動機長度，同時改善整體發(fā)動機的重量和安裝。并且3D打印還以更低的成本使得工程師對大量的設計概念進行原型制造和功能測試，這一過程如果通過傳統(tǒng)的常規(guī)制造過程將耗費過高的時間和成本。
此外，ATP發(fā)動機的開發(fā)團隊來自世界各地，包括GE位于意大利、波蘭、德國和捷克共和國。ATP發(fā)動機的正式生產將于明年開始，搭載ATP發(fā)動機的Cessna Denali預計在2019年底將從跑道起飛。

2.3D打印創(chuàng)造新世界
3D打印技術出現(xiàn)前，我們想象不到也從未體驗過三維物體被打印出來的奇妙感覺。而現(xiàn)在，這一切都近在眼前。

近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室發(fā)明了全新碳纖維3D打印技術，通過他們開發(fā)出的全新微擠出技術成功實現(xiàn)了航空級碳纖維復合材料的3D打印，該實驗室成為全球最先取得這一成就的機構。眾所周知，碳纖維被稱為“未來的超級材料”，強度非常高，但重量卻很輕，同時具備極高的耐熱性和極佳的導電能力，所以在很多方面都大有用武之地，但將它制成復雜形狀卻不容易。這項新技術成功擺脫了束縛，能夠打印出高性能飛機機翼、單側絕緣衛(wèi)星組件以及絕緣可穿戴設備等。

除了能印出航空航天領域的高精度組件外，3D打印技術還能實現(xiàn)重金屬的打印。此前，德國聯(lián)邦教育研究部就與全球知名的機器人制造商合作啟動了一項新的金屬3D打印項目。此項目會重點研究激光金屬沉積技術，然后將其與工業(yè)級機械臂融合，最終開發(fā)出一種能在復雜表面打印多種材料、打印速度達到每小時1至2千克的更強金屬3D打印系統(tǒng)。

在醫(yī)療領域，3D打印技術也能為人們做出貢獻，可謂骨折病人的“福音”。日前，世界首款3D打印用低溫熱塑性耗材在英國問世。英國某公司研發(fā)出了世界上第一款可以3D打印用低溫熱塑性耗材，可以使骨折病人的傷病處理狀況得到改善。這種化合物在一定溫度時可以重新變成合適的形狀，而這種變形在人體溫度下不會發(fā)生。醫(yī)生可以利用這種增材制造的方式為病人打印假體、夾板等醫(yī)用設備，并可以為特殊病人進行定制，確保病人有安全舒適的體驗。

打印玩出新花樣，3D離我們的生活不再遙遠。隨著科學技術的進步，3D打印將被應用到越來越多的領域，創(chuàng)造更多價值。

來源：國際金屬加工網(wǎng)
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