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增材制造的魔力:柯林斯宇航为何如此看重这项技术?

文章和图片来源:        时间:2024.09.23        点击率: 1045


柯林斯航空航天(Collins Aerospace)的总经理Renee Begley与TCT内容团队在论及该公司最新的机器安装情况时表示:“我们的确深信增材制造乃是航空航天技术的未来所在。”



柯林斯宇航作为技术领先的智能化解决方案的领导者,服务于全球航空航天和国防产业,自 2016 年起一直致力于在位于爱荷华州西得梅因的厂址投资增材制造技术。去年更是斥资1400万美元,拓展增材制造业务。一年前,该公司在北卡罗来纳州的园区开设了另一个增材制造中心。


*增材制造中心扩建项目剪彩

Begley解释道,该技术为客户带来了诸多不同的裨益:例如缩短交货期、自由部件整合等。我们开展了大量的钎焊与焊接作业,而在针对增材制造进行设计时,便可省去部分钎焊接头和焊接接头。有些设计唯有通过增材制造方可达成,并且能够设计出独特且复杂的特性,以满足客户的需求。

在短短两年时间里,该公司便交付首个增材制造量产部件,并且最终将自身设备规模拓展至三台单激光打印机及内部辅助装置,从而能够在其面积达 9000 平方英尺的厂房中完成从文件到成品打印部件的生产作业。


柯林斯是率先对增材制造技术进行投资的公司之一,那时,在增材制造行业中,粉末床系统配置更多激光的趋势占据主导地位。该公司在 2022 年装备了Nikon SLM Solution 12激光NXG XII 600,该设备打印尺寸达 600×600×600 毫米,最终将其投入生产飞机发动机部件,当下正处于材料特性鉴定阶段。Begley指出,这对于优化机器的性能和生产成本极为关键。

今年年初,该公司决定进一步加大投资力度,购置了第二台 NXG XII 600 设备。规划为在每个平台运行不同的材料,更加灵活机动地生产零件。


*对更大构建体积的需求驱动了柯林斯在增材制造方面的投资。


针对增材制造进行投资并不是一个轻易的决策。打印部件的繁杂性,从制作成本颇高的内部晶格特征,至耗时的清除支撑结构的后处理环节,这表明将其与铸造或机加工产品进行单纯比较并非总是行之有效的。Begley指明,我们需要思量诸多其他的要素,审视当下的内部以及供应基础能力,以查看增材制造能否助力解决相关的难题。


“我们聚焦于整体成本模型,实则涵盖了整个流程。工厂的全部成本究竟是多少?在增材制造领域,我们探究增材制造所具有的一些优势是什么?是释放产能去从事其他事务还是聚焦零件质量问题?当我们剖析这个商业实例以及探究我们能够为客户赋予何种价值时,不管是减轻重量,还是降低库存,亦或是缩短交货期限这些均是我们需要考量的因素。”

鉴于上述因素,柯林斯意欲在航空发动机部件领域探寻未来的增材制造应用,尤其是在减轻重量这一方面,这有益于为减少燃料消耗以及为航空航天领域提供更具可持续性的替代方案等目标。


然而,尽管柯林斯在这一领域展现出积极的探索态势,但其他增材制造企业在航空航天领域的实践也不容忽视。




液压歧管实际上非常适用于增材制造 (dfAM) 设计,因为它们具有内部管道和复杂的特征,此外,3D打印带来的液压歧管重量/体积优化无疑是另一个重要的优势。


*3D科学谷白皮书


设计从用于军事应用的现有歧管开始,该歧管材料为2024 铝合金,使用 CAD 根据DfAM思路进行了重新设计,目的是去除不必要的质量并提高加压油通道的流体动力学性能。起始约束由空腔、端口和固定点的定位和大小表示, DfAM 设计方法允许移除辅助部分,例如插头部分。

在该案例中,使用3D打印软件(Materialise® 的Magics 3D)定义支撑和打印部件摆放,使用3D打印机(EOS M290, 52)的专有软件,定义了构建室的工艺参数(例如,底板温度、氩气流速、刮刀速度等)。



*用于重新设计增材制造液压歧管的自动化 CAD 步骤。(a) 常规歧管的初始管道;(b) AM 增材制造的设计优化:重新设计的通道(蓝色);要移除的插头(红色);(c)AM 增材制造的最终管道设计

在3D打印的液压歧管组件合格的情况下,进行了耐压、忍耐力、耐冲疲劳、脉冲疲劳、爆破压力、泄漏测试。当前设计活动的结果是比传统 CNC 加工的初始解决方案轻40%。此外,增材制造重新设计的歧管的流体动力学性能等于或优于 CNC 生产的具有直通道设计的流体动力学性能。虽然在3D打印条件下通道内的粗糙度较高,因此可能会导致更大的压降,但这将被流畅的连接通道产生的较低压降充分补偿。



漫格根据客户的需求,利用其自主研发的一款仿真软件VoxelDanceEngineering(VDE)对他们的封闭叶轮模型进行了仿真优化。


考虑到添加支撑的数量和后处理时去除支撑的困难,以及打印设备尺寸等因素,漫格将模型倾斜45°摆放,并用VoxelDance Manufacturing(VDM)软件设计支撑方案(图1)。该方案为全支撑方案(零件的底部加满支撑),打印虽然会成功,但难免会造成材料和打印时间上的浪费。因此,出于对成本以及方案可行性的考量,客户要求在保证打印成功的前提下尽可能的减少支撑。



*封闭叶轮全支撑打印方案


此案例中,漫格使用了汉邦激光的打印设备HBD-200D机型进行打印。HBD-200D配备外置净化循环系统,与主机实现实时通讯,实时监控及反馈成形氛围;滤芯使用总寿命可达2000 小时以上,满足高强度、长时间、连续性生产的打印任务执行。


VDE实现了过程可视化,可以及时预测出打印过程中可能出现的问题并对支撑方案进行进一步优化调整,最终得到可靠的方案以确保打印成功。


随着技术的不断进步和应用的拓展,相信增材制造将在未来发挥更加重要的作用,推动航空航天产业朝着更加高效、可持续的方向发展。在国内,增材制造技术在航空航天领域也呈现出蓬勃发展的趋势。越来越多的企业和研究机构加大了对增材制造的研发投入,不断突破技术瓶颈,提高制造精度和效率。



TCT Asia 2025
时间与地点

3月17日 09:00 - 17:30
3月18日 09:00 - 17:30
3月19日 09:00 - 15:00

国家会展中心(上海)7.1&8.1馆