增材制造继续取代或增强传统制造
波音和 Thermwood 采用增材制造技术为 777X 项目生产大型单件工具。 Thermwood 使用大型增材制造 (LSAM) 机器和垂直层打印 (VLP) 3D 打印技术将工具制造为一件式打印件，从而消除了组装多个 3D 打印工具组件所需的额外成本和时间表。如果您关注航空航天部件的增材制造 (AM)，您可能已经厌倦了听到有关为 GE 的 LEAP 发动机打印燃料喷嘴或为 GE 9X 打印传感器管的消息——这两个关键的金属应用。打印聚合物模具？位于明尼苏达州伊甸草原的 Stratasys 航空航天业务部门副总裁 Scott Sevcik 说，ev当它在最近的一次会议上出现时，每个人都笑了，因为它太平常了，他们甚至忘记了早些时候提到它。但是，最近的进展表明增材制造将继续在更多部件中取代或至少增强传统制造。
Sevcik 说，尽管我们“在过去 40 年里一直在将金属飞机转变为复合材料和聚合物飞机以减轻重量，”他仍然认为主要的增长机会在于聚合物和聚合物复合印刷。 Sevcik 和其他专家还断言，高温、高压喷气和火箭发动机部件，以及一些高应力结构部件，将始终由金属制成。 “这就是增材金属对航空航天如此重要的原因，因为我们没有其他方法可以减轻它的重量。我们必须将其保留为金属部件。”
位于南卡罗来纳州罗克希尔的 3D Systems 应用创新小组主管 Jeph Ruppert 同意轻量化g 组件是“灌篮高手”金属 AM 应用程序。他还提供了不仅仅是减肥的例子。他观察到国防和太空市场将引领潮流——商业航空更愿意规避风险。
卫星天线支架是一个完美的案例。 Ruppert 解释说这是一个“大规模定制的应用程序”。每个支架都需要略有不同，因为不同的轨道或地面站需要不同的天线方向。但是，在将其送入轨道的 10 分钟内，支架需要尽可能轻，同时又要足够坚固以承受上升过程中 10 G 的力。一旦进入轨道，几乎没有力作用在它上面，所以它不需要长期的力量。在一个这样的案例中，3D Systems 与 Thales Alenia Space 合作设计并打印了“拓扑优化”的支架，该支架比 tra 轻 25%，但刚度重量比更好
Ruppert 表示，波导是另一种非常适合增材制造的重要射频应用，因为这是另一种情况，在这种情况下，增材制造能够通过精细加工构建复杂的内部几何形状表面光洁度提供了真正的优势。波导用于卫星、飞机和地面站的通信设备，为该领域带来一定的增长潜力。无论是用于电子产品还是机舱空气处理器，“热交换器无处不在，”Ruppert 观察到，这使它们成为另一个目标。 “如果你不必受制于真空蒸煮工艺 [来制造热交换器]，你就可以针对性能进行设计，而不是针对制造工艺进行设计。”
AM 可以创建适合应用的热交换器，而不是制造过程的限制。Ruppert 认为涡轮泵和外壳，“特别是在推进方面，”将是另一个重要的应用。加上“用于太空的推进器、燃烧室和燃料歧管”。为了避免你认为太空制造不可能成为一项大生意，Sevcik 指出，以前每年只有大约 12 次卫星发射，“现在我们有火箭一次发射 60-70 颗卫星。空间的规模发生了很大变化。”事实上，他说 Stratasys 在金属增材制造方面最显着的增长是在火箭部件方面。
混合材料，扩大包络
增材制造更难与金属加工竞争当涉及到更大的结构部件或更大体积的部件时，它是坚固的。但交叉点正在发生变化，山特维克可乐满全球航空航天工程项目办公室经理 Bill Durow 说，Durow 解释说，其中一个原因是增材制造能够选择性地混合材料，或者将不同的材料打印到另一种金属上。 “以 300M [合金钢] 制成的轴为例，这在航空航天中非常典型。如果您想在要安装车轮的转向节上增加更多的刚度，您可能需要添加钛。也许这个组件会降落在航空母舰上，并且会产生很大的影响。今天，你 [可以] 将钛打印到不同的材料上以增加强度。”多年来，我们已经在涡轮叶片修复中看到这种选择性打印（尽管使用的是类似材料），但 Durow 解释说，他现在也看到它在制造中的应用。
商用客机座椅支架相对较高体积部分。由于他们所经历的压力，例如“空气中的振动，人们在座位上四处走动，以及着陆力，金属的使用寿命将比很多塑料，”杜罗说。但是，尽管需要零件体积，AM 开始接管“非常有机的形状，与您通常在支架中看到的用于将座椅固定到位的形状有点不同。很多只是为了减轻体重。” Durow 补充说，越来越大的粉末床机器尺寸正在促成这种转变。 “现在球场的尺寸大约是一米乘一米乘大约 20 英寸深。你可以把一堆这样的支架排成一行，让一排又一排的机器熄灯。”但是，许多金属粉末非常昂贵。因此，即使熄灯 AM 也不一定比传统加工更具成本效益。但是，如果无法加工出最佳设计，随着增材制造成本的降低，它会变得更具吸引力。
切削刀具？
山特维克可乐满最近发布了一款名为 CoroMill 390 的新型方肩铣刀其中整个钛工具主体采用增材工艺制成。吨他减轻的重量有助于减轻振动，特别是在长距离应用中。增材制造还允许对内部冷却剂通道进行彻底的重新设计——这是一种传统钻孔无法生产的设计。 Durow 说，优化的设计确保“当你高速旋转时，冷却液实际上进入了切削刃。”
对激光烧结尼龙制成的风管进行最后的润色。现在 CoroMill 390作为标准产品，Durow 还预测增材制造将在创建定制切削工具方面发挥关键作用。 “任何时候你处理小批量订单......我现在在工具领域看到更多......你经常不得不等待设计。然后你必须等待制造。然后你必须创建程序。这一切都需要时间，几个星期我的情况。我认为增材工艺可以提供很多帮助。您可以将“空白”存储在您的生产设施中，然后根据客户的需求添加该工具所需的功能。我认为这是定制工具的未来。”
随着我们进入塑料应用领域，让我们从增材制造在铸造金属部件中的作用开始。例如，在 3D Systems QuickCast 流程中，商店使用立体光刻 (SLA) 机器构建模型，完成后排出剩余的液体，然后将模型涂在陶瓷外壳中。外壳硬化后，将其在高温下烧制以烧掉图案，从而形成用于铸造金属零件的模具。借助 3D 打印，商店可以在一天内从 CAD 文件变成模型，这比加工木制或金属模型的过程要快得多。此外，该工艺提供了更大的几何灵活性。
3D Systems 的 Ruppert 设想“巨大的增长潜力，因为单晶铸件或高临界铸件耗时长，成品率低。能做到的人不多。” Ruppert 补充说，另一个因素是能够在陶瓷涂层之前组合多种图案来制造非常大的模具。 “您不受机器尺寸的限制。您可以构建部分模型并将它们链接起来，为真正大的零件构建大型铸造模型。由于各个部分并不重，因此易于管理。因此，这使得整个过程对许多不同的应用具有吸引力。”
Planetary Resources（现在归 ConsenSys 所有）让 QuickCast 为 Arkyd 100 卫星建造燃料箱。 “那颗卫星上的空间有限，他们需要燃料，”鲁珀特解释道。 “而不是一个标准的油箱......用一个焊接在一起的翻盖压力容器，他们能够打印出一些独特的东西来满足 of那个飞船。他们能够利用额外的角落和缝隙……这是使用 AM 时的设计自由度的一个很好的例子。”
山特维克可乐满打印新型 CoroMill 390 的整个钛合金刀具主体，优化冷却液通道和减轻重量，这有助于减轻振动，尤其是在长距离应用中。大型叠层工具和夹具
长期以来，3D 聚合物打印在为航空航天工业生产工具方面发挥着重要作用。对于大型复合材料航空结构的叠层工具等巨大的东西，请查看由位于印第安纳州戴尔的 Thermwood 制造的大型增材制造 (LSAM) 机器。正如美国客户经理 Brent East 所概述的那样，LSAM 平台为 10'（3.048 米） ) 宽，长度可以 10 英尺为增量进行扩展。 “我们咨询过最多 100 台机器”（30.48 米）长，但 40 英尺（12.19 米）长的机器是目前我们销售和安装的最长机器。”该机器使用熔融沉积建模 (FDM)，放置一个 0.83 英寸宽 x 0.2 英寸（21.08 x 5.08 毫米）厚的大珠子，然后是一个将各层熔合在一起的压缩轮，有助于确保精确的打印珠子尺寸。由于该方法确实提供了带棱纹的表面，因此 LSAM 还具有用于最终加工所需光洁度的刳刨机。
East 补充说，可以打印的零件尺寸以及打印速度打印，不受 LSAM 打印头的限制，该打印头每小时可沉积超过 500 磅（226.8 千克）的材料。当前一层处于正确的温度以确保正确粘合时，它受到需要应用每一层的限制。 “我们用热像仪对其进行监控，”他解释道。 “而且整个过程可以直接在机器上控制，这是关键。因为，如果你在如果在运行某个部件的过程中对结果不完全满意，您可以即时调整它，而其他软件则迫使您返回办公室，弄清楚您在程序中的位置，更改设置，然后重新发布代码，然后尝试在您的零件报废之前返回机器。”
LSAM 机器根据应用打印各种材料。 “大多数室温修剪工具和那些类型的固定装置或固定夹具都是用 ABS 颗粒印刷的，”East 回忆道。 “我们使用了颗粒状纤维增强塑料、聚碳酸酯和尼龙。我们还使用了 PESU（聚醚砜树脂）和 ULTEM。”
Thermwood 推出了一个可选的垂直工作台，可以在机器的整个长度上进行连续打印。在这种配置中，喷嘴旋转 90°（因此它是水平的），伺服控制的垂直工作台根据珠子的厚度用 e每层。 East 说这个过程比水平打印较小的部分然后将它们拼接在一起要慢，这对于室温部件来说很好。但是 Thermwood 发现，这种分段的部件在高压灭菌器中往往会在接缝处分层，因为粘合剂会分解。因此，对于这些应用，垂直打印是解决方案。 East 补充说，几何方面的考虑也可能决定垂直打印。 “每种聚合物都有不同的热膨胀系数，X、Y 和 Z 方向的膨胀也各不相同；它是各向异性的。根据零件的特定最终用途，您可能希望在某个方向上有最大的增长量，这最终可能决定水平或垂直打印。”
更多塑料零件，从小到大
Stratasys 的 Sevcik 称空气管道为“激光烧结尼龙打印的最佳应用之一。”风道数量众多、结构复杂、变化多端，每条风道都略有不同的弯曲和半径。但小管道已经得到很好的解决，所以他认为增长潜力不大。另一方面，他提出 FDM 打印推动了“大型组件的巨大增长。”
Thermwood LSAM 机器的 10 x 40'（3.05 x 12.19 米）配置，它还具有路由器用于最终加工到所需的光洁度。他提到了将 3 x 2 x 3'（0.91 x 0.61 x 0.91 米）的多个构建组合在一起以创建大型管道组件的项目。例如，“联合发射联盟在他们的 Atlas V 火箭整流罩周围制作了一圈管道，将冷空气吹到发射台上的电子设备上，以在发射前保持冷却。这是一个 5 米长的环，由 16 个这样的管道制成，一次 3 英尺（0.91 米）。”之前的方法需要组装 144 个铝制部件。 “空军有一个混合室，就像增压室，管道在这里汇集在一起，需要五次构建才能为 C5 飞机生产非常大的部件。”
Sevcik 和 Ruppert 都将电气连接器视为另一个增长机会，尤其是数字光处理 (DLP) 技术。正如 Sevcik 所说，“DLP 是 FDM 的对立面，它允许我们在连接器组件等方面做得更小、分辨率更高。连接器非常多变，就像管道一样。能够使用合适的材料缩小到一个规模，为我们提供了一个全新的应用空间，可以在飞机内实现增长。”
材料发展激发增长
专家们一致认为，更新材料将扩展 3D 打印。这些新材料包括 ULTEM、碳纤维增强 PEKK（聚醚酮酮）和 Antero（一种基于 PEKK 的材料）。可以想象，它们可能会在某些应用中取代金属。如果是这样，我们将得到 Sevcik 所说的“双重e whammy：我们得到了 AM 的拓扑优化以减轻重量，而且我们得到了密度较低的材料。”还可以想象，3D 金属打印可能会制造更多“必须是金属”的部件，例如涡轮叶片和起落架支柱。虽然这不会像用聚合物替代那样减轻重量，但它仍然会提供改进。
根据 Ruppert 的说法，关键是实现“令人满意的可靠性和可重复性水平......就像机器一样学习和现场监测的改进，对于所有增材制造，我们将看到在一个已经很好表征的工艺窗口内工作的能力有所提高，而不仅仅是参数。这将使我们也可以使用可能会随着您在其上打印的不同类型零件的增长而改变其可打印性的材料。能够根据您表征的工艺窗口即时更改参数，因为 X 层的热差是与 Y 层不同。”
换句话说，如果机械车间可以完全监控和控制其构建过程并使其可重复，则它可以对该过程进行认证。如果它已经证明零件符合所需的标准，它就可以使用其新获得认证的增材制造来生产它们。 Ruppert 认为我们正朝着这个方向前进，尽管他补充说这样的过程可能需要五年以上的时间。
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