两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作
有内容 有深度 有态度 欢迎关注
采用3D打印制造飞机承力构件此前在军机上多有报道，如飞机起落架、机身大框、主翼翼梁等等。由于民用客机对于安全等级的要求相比军机更高，3D打印在客机承力构件上面的使用还比较少。那么使用3D打印制造飞机承力构件有哪些优势，安全等级如何规定，又是怎样实现制造的呢？本期我们以波音787为例进行介绍。
高昂的制造成本如何平衡超重的代价
波音787存在的一个重要问题就是超重，为了减轻重量、提高效率，从设计和材料方面入手是最直接有效的方法。钛合金因强度高、质量轻而被大量使用，一架波音787的用钛量达到了136t，占全机质量的15%。然而这种材料不仅难加工而且非常昂贵，它的价格是铝合金的7倍，在每架2.65亿美元的787中，钛合金部件的制造成本达到了1700万美元。高昂的成本如何平衡超重的代价是波音公司不得不面对的问题。
飞机制造中必须按照成品零件的体积购买相应的材料量，材料利用率极低，原材料与最终产品的利用率比值达到10-20:1，这在航空业上被称为Buy-to-fly ratio。对于钛合金来说，传统制造方式的成本代价过于高昂，而增材制造则以极小的材料浪费将大型零件的制造从高昂成本中解脱出来。
等离子沉积技术制造钛合金承力结构部件
Norsk Titanium AS是一家专注于钛合金快速等离子沉积技术的挪威公司，拥有众多的机械设计师和冶金学家，致力于满足航空航天领域的严格要求。
Norsk 快速等离子体沉积设备
2015年，他们获得了欧洲TRL8认证，这是一种评估关键技术元素成熟度的方法，得到了美国国防部、美国宇航局、欧洲宇航局和许多其他航天机构的承认。对于TRL的评估主要检查项目的概念、技术要求、经过验证的技术能力，并根据分值将其评为1到9个等级，其中9级代表技术最成熟。TRL8预示着产品不存在问题，可以投入验证。
Norsk为波音787设计了4个零部件，其中一个是将机尾厨房地板固定在机身上面并承受结构应力的33厘米长部件。
等离子体沉积成型的零件毛坯与最终形态
当前大多数航空公司采用粉末床熔融技术制造零件，如GE为leap发动机打印的燃油喷嘴以及为GENX发动机打印的电动门打开系统(PDOS)支架，该技术的缺点在于制造尺寸有限而且速度非常缓慢（每小时几十克）。Norsk则采用一种完全不同的技术，以每小时几公斤的工业速度生产零件，并专注于大型结构的直接制造。
Norsk 快速等离子体沉积设备内部
Norsk开发的直接金属沉积技术，采用金属粉末或金属丝通过等离子体沉积成形，尺寸和材料完整性由控制系统管理。与所有增材制造技术一样，该过程从要打印的零件设计图开始，通过控制系统被编程产生该部件的沉积坐标。
设备、工艺和材料
Norsk的钛丝在室温下开始成型，采用氩气保护。焊炬中的电极形成等离子弧，以高速和非常高的温度通过喷嘴将钛丝的温度升高几千度并瞬间熔化成液体，金属液体与电弧分离后会在几毫秒内冷却并凝固。
Norsk等离子体沉积过程
Norsk使用的是线材而非粉末，这是因为线材具有更高的沉积速率，而且从棒料雾化得到的金属粉末比丝材更加昂贵，这进一步提高了Buy-to-fly比例优势。
直接金属沉积过程通常必须在真空中操作，Norsk选择了具有正压力且无真空的环境，它使装载和卸载部件更加高效。Norsk称，没有必要为每个零件创建真空条件，这需要时间并减慢生产。
Norsk已经将其被称为Merke的机器设计调整了四代，Merke 4在2015年实现生产，可以制造尺寸达900×600×300毫米的零件，每小时5-10千克的速度快速沉积钛合金，能够实现大而复杂零件的批量生产。
两吨材料、几年时间、巨额花费完成认证
对于飞机安装，监管机构必须对增材制造工艺、材料以及生产的特定部件进行认证。前两个认证是最艰难的，需要数年才能实现。一旦完成，还需要大约10个月的时间来认证打印的产品。
世界上第一个FAA认证的3D打印结构钛组件
Norsk生产并测试了大约两吨材料来获得787零件认证。除了制造测试材料本身的成本之外，还包括2000个单独样件，这部分成本就达到了70万美元。对于认证来说，测试并不困难，只是耗时而且花费巨大。
END
当前，Norsk已完成相关认证工作。2018年，Norsk每个月能够为10架波音787飞机生产四个零件，这基本实现了批量化制造。由Norsk生产的近净成形零件由供应链合作伙伴加工成最终零件，虽然仍会产生一些废钛，但与传统加工相比已是微乎其微。
据介绍，飞机上典型的2kg钛合金部件必须从30kg的块体上切割下来，产生28kg的废料。而Norsk 3D打印相同部件仅需要6kg的钛丝，这为每架波音787节省了200到300万美元的成本。
欢迎转发
延伸阅读：
原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作