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應用案例

波音的3D打印之路

      作為在3D打印領域發揮主導作用的制造商,波音公司不僅僅是推動3D打印技術與應用端深度結合的踐行者,還對增材制造如何在制造價值鏈中發揮作用具備自己的關鍵洞察力。

與洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)同為聯邦政府的兩大承包商,波音公司在2015年獲得了超過160億美元的訂單。在這些訂單的執行過程中,3D打印正在扮演越來越重要的角色。2017年8月,波音宣布已經組建了新的波音增材制造(BAM)業務單元,以簡化和加速增材制造在整個波音企業內的應用,這也意味著3D打印的重要性提到正式議程。

在2003年,波音就通過美國空軍研究實驗室來驗證一個3D打印的金屬零件,這個零件是用于F-15戰斗機上的備品備件。當需要更換部件時,3D打印的作用顯現出來,因為通過傳統加工的時間太長了,并且通過3D打印加工鈦合金,替代了原先的鋁鍛件,而鈦合金的抗腐蝕疲勞更高,反而更加滿足這個零部件所需要達到的性能。(腐蝕疲勞是在腐蝕介質與循環應力的聯合作用下產生的。這種由于腐蝕介質而引起的抗腐蝕疲勞性能的降低,稱為腐蝕疲勞。)

波音企業技術戰略總監Leo Christodoulou,當時這個零件是通過激光能量沉積的工藝加工金屬粉末來獲得的,這種定向能量沉積(DED)的工藝被首次應用到軍事飛機上。同時也打開了波音公司的3D打印應用之路。近14年后,波音公司現在已有超過50,000件3D打印的各種類型的飛機零件。

波音公司開始通過DED技術為其787夢幻客機生產結構部件。通過Norsk Titanium的快速等離子沉積技術,在結構件研發的過程中,雙方共同改進工藝,并進行了一系列嚴格的測試,最終在2017年2月獲得了首個3D打印鈦合金結構件的FAA認證。

波音和Norsk Titanium最初的合作是自2016年開始的,當初是試探性地合作,主要基于Norsk生產的零件是否能滿足波音的要求,然后是否符合聯邦航空管理局(FAA)的要求。Norsk Titanium先后滿足了這些嚴苛的條件,這些公司預計今年將獲得額外的FAA批準的物料和制造流程。

Norsk Titanium的快速等離子沉積技術屬于DED工藝,雖然與粉末床選擇性金屬熔化工藝不同的是,這種工藝并不適合加工十分復雜的幾何形狀,但是通過3D打印近凈形部件,然后再通過機加工將其加工到最終所需要的精度,可以縮短加工周期,減少材料浪費并降低成本。

根據Christodoulou,有些技術比DED工藝提供更好的復雜性,但DED工藝卻提供了另外一種價值。尤其是加工例如鈦合金這種昂貴的材料,所節約的材料的價值是顯而易見的。

波音選擇使用快速等離子沉積?3D打印技術進行鈦合金結構件的近凈成形制造,該工藝了替代鍛造等傳統制造工藝。Norsk Titanium公司表示通過快速等離子沉積?技術3D打印鈦合金結構件,將最終為每架Dreamliner飛機節省200萬美元-300萬美元的成本。

根據Christodoulou的說法,DED可能是波音公司為生產終端而首先采用的技術之一,不過顯然3D打印是一系列不同的制造技術的組合,包括塑料的3D打印,復合材料,金屬和陶瓷等不同材料的打印工藝,都各具特色,并且為工藝鏈創造獨特的價值。

在波音公司的3D打印”工具箱”中,有一項技術是Stratasys的FDM技術。Stratasys的Infintely build3D打印系統是Stratasys推出的大尺寸塑料零部件3D打印設備,打印的零件高度達0.76米(30英寸),寬度達1米(40英寸),Infinite-Build系統能自動檢測出材料的剩余量,材料耗盡之后由機械臂自動更換材料罐,從而實現不間斷的無人操作。

打印大型的塑料零件還有BAAM技術,去年,波音和橡樹嶺國家實驗室(ORNL)贏得了吉尼斯世界紀錄,他們合作3D打印了飛機機翼的夾具,這個夾具用于固定777X復合翼面以進行鉆孔和加工。

不過雖然飛機零件制造商對嘗試一種新的技術保持開放的心態,但要進入到生產體系是需要經過嚴格的驗證的,波音公司不僅僅使用新的3D打印技術,以創造出新穎性的零件。根據Christodoulou的說法,每個技術和零件都需要經過嚴格的質量控制過程。

“一些技術比其他技術更成熟,所以它比其他技術更有可能滿足波音的要求,”根據Christodoulou,“波音有充分的開放心態來捕捉新技術的好處,但落實到生產領域的實施必須是基于使用穩定的技術和反復驗證的可靠性。”

Christodoulou表示,波音公司擁有非常嚴格的過程規范,以便在獲得一致的零件生產能力。一旦在多臺機器和全球各地的多個安裝中的過程中證明了穩定性,波音就會開發一個數據庫來記錄零件的產品生命周期數據。這使得波音公司能夠擁有使用特定過程制造的特定零件的全部數據。

這不僅適用于制造工藝與流程,而且對于材料也是如此。最新的材料之一是波音公司正在試驗由Oxford Performance Materials(OPM)-牛津性能材料開發的一種激光燒結OXPEKK。波音公司將為波音船員太空運輸(CST)-100 Starliner航天器提供600多個零件。Starliner航天器最多可以攜帶七位乘客,也作為船員和貨物到達如國際空間站等低地軌道的交通工具。

與其他采用增材制造技術的航空航天公司不同,波音公司并不完全依賴內部生產,Christodoulou指出,波音企圖在內部工作和利用其供應鏈之間取得平衡。

根據Christodoulou,“65%的工作是由波音的供應商在波音之外完成的。但是波音必須在內部活動和供應鏈之間取得平衡。在很多情況下,波音的價值主張是與外部的供應基地合作,利用他們的專長和資本投入。例如,Norsk對其技術進行了大量資本投資,波音不一定要復制。而是寧愿和他們合作。波音重視并欣賞供應商的貢獻。”


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