自美國于2014 年推出首臺連續(xù)纖維3D 打印機以來，該技術正在快速發(fā)展并在航空領域取得應用。隨著技術的逐漸成熟和大規(guī)模推廣應用，該技術或將顛覆現(xiàn)有復合材料無人機、低成本復合材料航空結構的生產(chǎn)模式。

　　連續(xù)纖維3D打印的技術優(yōu)勢

　　連續(xù)纖維3D 打印技術綜合利用工業(yè)機器人、3D 打印末端執(zhí)行器、原位檢測、智能監(jiān)測與機器學習等技術，快速輸送、沉積連續(xù)纖維增強體，以及基體樹脂并原位浸漬、固化，與傳統(tǒng)的自動鋪絲成形以及熔融沉積成形等工藝相比，自動化程度和柔性更高，對于典型的碳纖維／聚醚醚酮零件，研發(fā)周期可縮短至原來的1/30，生產(chǎn)速度可提高100 倍。

　　增材制造（AM）為現(xiàn)代制造商提供了一種最簡單的生產(chǎn)方式，利用復合材料制造終端零件，縮短交貨周期，加快原型工具生產(chǎn)時間。使用高性能熱塑性塑料打印的零件，可滿足飛機內(nèi)飾許多部件的火焰、煙霧和毒性（FST）要求，配合3D 打印機制造商Markforged 專有的連續(xù)纖維增強打印技術，可生產(chǎn)高強度，耐熱，以及更高物理性能的零件。

　　連續(xù)纖維3D 打印機可以由多機器人組成柔性單元，機器人上還可添加多個3D 打印末端執(zhí)行器，同時打印頭可支持碳纖維、凱夫拉、玻璃纖維甚至光纖和金屬絲等材料，使該技術既可以用于大批量生產(chǎn)復合材料零件，也可以一次性打印高度復雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關鍵零件。

　　連續(xù)纖維復合材料的優(yōu)勢

　　在一個受到嚴格監(jiān)管的行業(yè)中競爭，OEM、MRO 服務提供商、商業(yè)航空公司和其他行業(yè)玩家必須優(yōu)先考慮安全和性能，并且嚴格遵守監(jiān)管指導方針，不斷發(fā)現(xiàn)提高業(yè)務效率的方法。

　　隨著材料學的發(fā)展，金屬已經(jīng)不再是我們的唯一選擇，有大量的非金屬材料因為特殊的性能而被應用到航空發(fā)動機中，如陶瓷材料和碳纖維。陶瓷因為其極佳的耐高溫性能從而在航空發(fā)動機高溫部件中得到使用；碳纖維則以優(yōu)秀的比強度、比模量等綜合指標被航空航天工業(yè)青睞，它可以被用來制造火箭的燃料儲藏罐，也可以用來制造飛機的外殼。

　　隨著時間的推移，傳統(tǒng)上由鋁合金制成的飛機部件越來越多地被復合材料取代，尤其是現(xiàn)在先進民用客機制造中，復合材料的使用比例已經(jīng)超過了50%。

　　在高強度和低重量的基礎上，航空航天應用的材料必須具有耐腐蝕性，并能夠可持續(xù)地承受大范圍的工作溫度。金屬材料或者鋁合金在幾百度的高溫以后，它的力學性質(zhì)就發(fā)生了很大程度的降低，而復合材料在經(jīng)受了同樣的高溫以后，其機械性能下降相對要低很多。此外，碳纖維這種材料抗拉強度極高，想要拉斷高強度碳纖維材料需要用拉斷同樣橫截面積鋼鐵的力的兩到四倍。其他航空航天材料如Onyx FR-A、碳纖維FR-A 和ULTEM ™ 9085（可在FX20 上打印）可以承受大多數(shù)航空航天應用中的工作溫度。

　　航空航天工業(yè)受到嚴格監(jiān)管，所有飛機部件和材料必須得到批準來自相關監(jiān)管機構的認證，比如聯(lián)邦政府航空管理局（FAA）或歐洲航空局、安全局（EASA）。航空航天制造商必須證明他們的部件和材料符合聯(lián)邦航空局的一系列綜合要求測試標準，如強度、耐久性、紫外線、流體靈敏度、振動、可追溯性和火焰、煙霧以及毒性（FST）。通過選擇符合測試要求的材料，航空航天制造商才可以進行下一步操作。否則，制造商將不得不重復漫長的資格認證，重新回到起點。

　　為什么航空航天使用3D打?。?/p>

　　隨著3D 打印部件作為飛機部件飛行，必須最大限度地減少部件的重量，這可以提高燃油效率，同時最大限度地減少二氧化碳排放。復合材料高強度、低密度、輕量化，它在高強度的同時又保持了非常低的重量。以碳纖維為例，碳纖維的密度一般在1400~2000kg 每立方米，經(jīng)過環(huán)氧樹脂強化的碳纖維密度也不過1600kg 每立方米而已，遠遠好于金屬材料。

　　然而，低重量不能以犧牲部件強度或材料性能為代價，每個制造部件必須滿足嚴格的安全和可靠性要求。3D打印碳纖維增強部件，可以生產(chǎn)出與6061-T6 鋁強度相同的部件，同時與具有同等強度的金屬部件相比，可以顯著減輕重量。

　　在高強度和低重量的基礎上，用于航空航天應用的材料必須耐腐蝕，并能夠持續(xù)承受大范圍的工作溫度。適用于航空航天的材料，如OnyxFR-A、碳纖維FR-A 和ULTEM ™ 9085 等。

　　復合材料還具有良好的耐沖擊性和抗疲勞性，作為成型件有很高的安全性。一個件在反復受力很千/ 萬次以后，還能夠保持強度。

　　此外，復合材料的可設計性強。因為復合材料具有各項異性，那么它的各項一直沿著纖維的方向，其強度尤其高，我們可以根據(jù)其纖維方向，結合使用場景的受力方向，把它作為一個更針對性的設計。

　　同時，相比于傳統(tǒng)制造技術，AM帶來了更高的成本效率、交貨時間短、更快優(yōu)化設計，讓用戶可以在需要時在需要的位置快速打印正確的零件，提供分布式制造操作。

　　增材制造非常適合滿足航空航天領域對小批量、定制化零件的生產(chǎn)需求，讓這些零件在需要的時候，以優(yōu)越的價格，利用3D 打印技術將他們按需生產(chǎn)出來。更大的打印尺寸使航空航天制造商能夠將多個小部件組裝成單個部件，減少裝配次數(shù)、零件計數(shù)，更大的減少誤差。

　　借助支持云的分布式制造模式，可以在需要時在需要的位置快速打印正確的零件，而不是將零件生產(chǎn)好之后，再通過物流運輸。借助3D 打印軟件，存儲在基于云的數(shù)字庫存中，這樣零件就可以發(fā)送到網(wǎng)絡內(nèi)的任何3D 打印機上打印，只需一個CAD 文件，制造商就可以在內(nèi)部完成零件的制作，使他們的供應鏈比以前更緊密、更高效。這種能力也可以避免制造商囤積大量庫存，實現(xiàn)準時制 （JIT） 的精益制造模式進行有效運營生產(chǎn)。

　　當供應鏈中斷導致制造所需的工具和零部件短缺時，生產(chǎn)可能會停滯數(shù)周時間。一個零件的丟失可能會導致制造過程完全停止，無論購買新零件需要多長時間。使用AM 技術可以幫助其控制其供應鏈，降低制造風險和復雜性。通過引入3D 打印平臺，可以讓制造企業(yè)繞過許多風險，同時還可以使其供應鏈比以前更緊密、更高效，加快交付時間和研發(fā)速度。

　　增材制造在航空航天領域的應用現(xiàn)狀

　　● 空客的復合材料機艙支架

　　基于種種優(yōu)勢，空客多年來一直在飛機設計和制造過程中采用3D 打印技術。多年過去，3D 打印工藝和材料科學獲得了進一步發(fā)展，“輕量化”和“仿生學”也指向了一個新的趨勢?？湛驼谘芯?D 打印復合材料支架制造代替鈦合金的可能性。

　　先進制造商Arris Composites 與空客公司合作了一項研究，該項目專注于機艙支架的生產(chǎn)，并希望通過利用創(chuàng)新的制造方法和材料（包括復合材料）來實現(xiàn)航空碳排放量的顯著減少。據(jù)Arris 稱，將220 克的金屬支架進行拓撲優(yōu)化后采用連續(xù)纖維復合材料3D 打印可以使零件重量減輕75% 到50 克。由于每架飛機會配備500 個這種支架，如果一年會制造100架飛機，50000 個輕量化的支架在整個生命周期中會節(jié)省1.13億噸的燃油，并減少3.57億噸的CO2 排放。

　　Arris Composites 公司開發(fā)了一種稱為Additive Molding 的技術，通過在熱塑性樹脂中精確排列連續(xù)纖維，獲得了具有無與倫比機械性能的下一代復合材料及成熟的大批量成型方法，這些產(chǎn)品具有高度集成性，所制造的產(chǎn)品比金屬更堅固、更輕。

　　Arris Composites 表示，金屬替代的新時代已經(jīng)到來，機加工、3D 打印、金屬鑄造、金屬注射成型和金屬包覆成型的產(chǎn)品可以被卓越的復合設計替代。連續(xù)纖維+ 熱塑性塑料復合制造實現(xiàn)了高強度和輕量化零件的批量生產(chǎn)，通過這種新工藝，可以以與塑料成型產(chǎn)品相同的速度生產(chǎn)高級碳纖維材料，而碳纖維零部件替換鈦材料，可使重量減輕78%。

　　● 低成本復合材料結構的大批量生產(chǎn)

　　美國阿瑞沃公司開發(fā)了可將熱塑性預浸絲束打印成零件的直接能量沉積（DED）工藝，空客資本公司參與了對該公司的投資。DED 工作單元由工業(yè)機器人、激光加熱打印頭和旋轉構建平臺組成，與傳統(tǒng)3D 打印相比，能夠將生產(chǎn)速度提高100倍。除無人機機身、機翼等航空零件外，阿瑞沃公司還生產(chǎn)與無人機框架結構類似的自行車車架，連續(xù)纖維3D 打印技術使其開發(fā)周期從18 個月縮短到了18 天。

　　該公司于2019 年2 月投入使用的新工廠擁有8 個機器人工作單元，可完成包括打印本身、后處理（例如鉆孔）以及用于噴涂的預打磨，每天共可生產(chǎn)8 個大型零件。該公司正在測試每臺機器人運行多個打印頭以及每個工作單元運行多個機器人，以將生產(chǎn)速度再提高3 倍。為了在整個提速過程中保持質(zhì)量和可重復性，該公司采用了原位檢測和機器學習技術，為打印頭配裝多個傳感器（測量高度、壓力、變形等），系統(tǒng)軟件使用這些傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)需要實時調(diào)整工藝參數(shù)。這樣，當工作單元需要更快運行時，就可以確保沉積速率、加熱、固化和其他參數(shù)得到最優(yōu)匹配。

　　● 碳/碳復合材料3D打印技術的重大進展

　　國外航空航天和國防生產(chǎn)商諾斯羅普·格魯曼（Northrop Grumman）集團公司報告稱，已經(jīng)在碳/ 碳復合材料3D 打印技術層面獲得了重大進展。該加工工藝使該企業(yè)可以大批量生產(chǎn)連續(xù)纖維增材復合材料，據(jù)悉這一點在增材行業(yè)是“前所未有的”。

　　碳/ 碳復合材料因為獨特的特性，已廣泛用于航空航天、汽車產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥學等行業(yè)，如沖壓發(fā)動機噴嘴以及喉襯、航天飛船的端頭帽和飛機翼外緣熱防御系統(tǒng)、飛機場剎車片等。

　　諾斯羅普• 格魯曼武器裝備企業(yè)副總裁兼經(jīng)理Dan Olson 說：“我們正開辟一種迅速、免工具的使用加工工藝，用以生產(chǎn)制造航空公司級連續(xù)纖維集成化復合結構，制造業(yè)這類發(fā)展將比普通的方式更有效地為戰(zhàn)爭產(chǎn)生水平，以確保我們自己的軍隊，有著前沿技術和高科技武器，來面對目前和未來武裝力量威協(xié)。”

　　該工作組研發(fā)的技術性，被稱作可擴展性復合型增材（SCRAM）。這是名副其實的六軸連續(xù)纖維工業(yè)生產(chǎn)3D打印機器設備，致力于生產(chǎn)制造集成化復合結構而設置的。隨后，這種構造通過特有的加工工藝并轉化成碳/ 碳結構，為滿足要求繁雜、近凈樣子耐腐蝕材料的設計定位。因而，該企業(yè)需要這種繁雜的耐高溫樣子來制作高超音速和其他快速武器裝備。

　　● 修復飛機的主旋翼葉片

　　Bell（貝爾直升機）和IngersollMachine Tools 利用 MasterPrint 大幅面3D 打印機，成功制造出一個長達22英尺長的復合基修復工具，以及修整飛機主旋翼組件的合作細節(jié)。

　　這個項目實際上是在2019 年完成的，但由于涉及商業(yè)機密和先進航空零件制造的保密條例，直到去年才得以公開。該項目使用位于美國羅克福德Ingersoll 總部的混合大幅面MasterPrint3X 龍門式3D 打印機和5軸銑床協(xié)作完成。

　　通過使用1150 磅ABS 材料和20% 的短切碳纖維填充物，3D 打印了轉子葉片復合基修整工具。在連續(xù)75小時的運行中，打印過程作為一個單獨的部分完成。打印后，通過將打印模塊更換可在MasterPrint 機器上使用的5 軸銑頭繼續(xù)工作，最終將模具表面和工具位置加工成最終尺寸。后續(xù)加工在一周內(nèi)完成，最終零件實現(xiàn)了可完全真空密封。最后，Ingersoll 機器利用siemens Sinmerik One CNC 系統(tǒng)來控制加工和3D 打印。

　　通過3D 打印制造和高效的5 軸加工操作，實現(xiàn)大幅度縮減時間成本。3D 打印和減材工藝以原生CAD 軟件格式無縫協(xié)同設計。但如果使用傳統(tǒng)工藝，以鋁制模具為例，通常構建周期為4 到5 個月。而這種制造過程僅在幾周內(nèi)完成。“多年來，貝爾一直使用復合材料制造機身部件，利用這種快速制造技術，貝爾將大大加快組織內(nèi)部開發(fā)工具的速度。”貝爾工藝穩(wěn)定性高級經(jīng)理James Cordell 說。

　　● 其他進展

　　著名的3D 打印機公司EOS 曾與工程設計軟件專家Hyperganic 合作，以提高3D 打印航空航天部件的外觀和功能。作為合作的一部分，這兩家企業(yè)旨在將基于人工智能的算法工程軟件Hyperganic Core 與EOS 的激光粉末床熔融3D 打印機相結合。隨著該軟件的出現(xiàn)，EOS 的客戶在設計他們的空間推進部件時可以完全排除傳統(tǒng)的部件設計程序，同時利用算法模型。這一變化預計將極大地簡化設計工作流程，在幾分鐘內(nèi)就能計算出性能更強的零件幾何形狀。

　　此外，3D 打印機生產(chǎn)商Stratasys公司和通用電氣航空業(yè)務部的AvioAero 公司宣布了一些舉措，這些舉措可能會使他們各自的技術在新的航空應用中得到部署。隨著Antero840CN03 聚合物在獵戶座航天器上的使用資格數(shù)據(jù)的公布，Stratasys 公司打算鼓勵建立一個模型，將該材料應用于類似的情況。另一方面，空中客車公司選擇了Avio Aero 公司的Catalyst 發(fā)動機為其“Eurodrone ”提供動力，這是一種無人駕駛航空器，旨在執(zhí)行歐洲的監(jiān)測任務。

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