3D打印如何改变航空业？

导读：目前航空业持续面临两个问题，成本上升和长期环境可持续性，增材制造技术可以解决这两个问题。飞机零件的3D打印已经成为现实，它不仅有助于减少排放，还提供了一种比传统制造更经济的替代方案。波音表示，当使用 3D 打印部件时，每架飞机可节省300万美元。目前，3D打印通常仅限于原型制作和制造不太重要的部件，但随着技术的快速发展，这种情况可能会改变。那么，3D打印会对安全关键部件和系统产生什么影响呢？在装配线上使用3D打印如何改变整个航空业？



3D 打印飞机零件的优势
在飞机上使用 3D 打印部件的优势不仅限于节省成本，还可以增强原型设计的能力、进行更快和更精确的制造以及减小碳足迹。

使用 3D 打印部件创建原型可以节省数千小时的工作时间，因为新的原型或模型可以在几分钟内打印出来。与传统制造相比，使用 3D 打印进行更改也很容易，因为用户可以使用更便宜的材料快速创建和查看低成本原型。换句话说，研发人员可以实时看到飞机部件，并使用比最终产品更轻、成本更低的材料进行空气动力学测试和分析，在进行金属部件的制造之前能够进行大量调整。


△CFM LEAP 发动机的 3D 打印燃料喷嘴将多个部件整合为一个组件。图片由 CFM 提供。

3D 打印还使制造速度更快、更精确，特别是在有助于制造过程的固定装置领域。为了减少从一个零件到另一个零件的变化和错误余量，传统制造制造的零件需要在加工过程中使用固定装置（如金属销）固定到位。但制造数千个夹具所需的时间或购买成本，对传统制造商来说是一个很大的挑战。相比之下，3D 打印使制造商能够以传统制造所需成本和工作量的 40%来制造数千个固定装置。

最后，在原型制作和制造中节省所有时间和精力意味着可以用更少的能源和浪费制造更多的零件。由于制造业和生产占世界总碳排放量的五分之一以上，因此应该优先考虑更可持续的制造业。3D 打印可以减少高达 90% 的材料消耗，这使得碳足迹大大减少。

航空领域的3D打印安全吗？
虽然3D打印有很多优势，但由于流程的工作方式，3D 打印仍存在一些安全问题。3D 打印依靠分层轻质材料来形成零件，而不是从厚重、坚固的材料块上切割零件。分层过程通常会导致最终产品更脆弱、多孔或易碎（力学性能不好）。由于零件的特性往往要求严格，美国联邦航空局最初对 3D 打印部件的认证速度较慢，这些部件比传统制造的部件更容易损坏或受损。现在，随着新技术的发展，实现了钛3D 打印，材料和最终产品比以往任何时候都更坚固，认证可能会更快地向前推进。

围绕3D打印飞机及其部件的安全协议和法规足够全面，可以确保最终出现在飞机上的任何 3D 打印材料不会对安全产生负面影响。DO-254 和航空硬件的相关标准已经要求进行深层次的测试和质量保证，这有助于确保 3D 打印要么仅适用于非安全关键部件，要么需要足够的检查和测试以保持人员和飞机安全。

3D打印在航空业的趋势
3D 打印只是航空电子设备变革的一小部分。但3D打印技术可能有助于实现全新的航空旅行系统，并改变飞机制造商考虑合规性和认证的方式。3D打印还可以帮助克服当前飞机制造的一些供应链挑战。因此，它可以帮助为城市空中交通 (UAM) 提供动力。UAM 的概念是，有一天我们可能都会使用空中出租车来代替传统汽车，或者在传统汽车之外使用。但要让 UAM 发挥作用，我们需要更多的小型飞机，3D 打印可以促进这一过程。

例如，垂直起降飞机 (VTOL) 是 UAM 的一项重要技术，因为它们不需要大跑道并且可以轻松地在低空飞行。开发人员目前正在为这些飞机开发 3D 打印部件。2023年2月，Horizo​​n Aircraft 的一架新型 VTOL 飞机原型飞上了天空，其中包含近800 个 3D 打印部件。


△Horizo​​n Aircraft 原型。图片由地平线飞机提供。

3D打印在未来可以促进飞机制造像'搭积木'一样，具体来说，3D打印在航空电子设备的软件和硬件合规性和认证方面采用了一种“装配线”思维方式。例如，模板是合规性和认证的重要组成部分，因为它们允许制造商和飞机开发商以高效和可重复的方式认证新设计。因此，3D打印提供了一种基于构建块的方法来制作原型和制造零件，有多种类型的模板可以作为公司设计、制造和开发新飞机的构建块，并确保符合DO- 178C用于软件，DO-254 用于硬件。

3D打印将继续在航空和其他领域的发展中做出贡献，也许有一天你会乘坐一架100% 3D打印的飞机！