梅爾德公司打印的3D鋁合金環(huán)件。
鈦合金在國外3D打印航空航天器產(chǎn)品中應用
航空航天器設備是3D打印最具前景的應用領域之一。第一，航空航天設備具有多品種、小批量的特點，尤其在試制階段許多零部件都需要單件定制，若采取傳統(tǒng)工藝則周期長、成本高，3D打印可以實現(xiàn)低成本快速成型；第二，出于減重與強度要求，航空航天設備復雜結構件或大型異構件的比例越來越高，若采用傳統(tǒng)的“鍛造＋機加工”方式，則所需工序繁多、工藝復雜，甚至根本無法直接加工，而3D打印在復雜部件加工方面具有明顯優(yōu)勢；第三，采用傳統(tǒng)工藝加工飛機零部件的原材料利用率僅約10%，其它部分都在鑄模、鍛造、切割和打磨過程中浪費了，而3D打印的增量制造原材料利用率可達到90%以上。
波音公司是率先將3D打印技術用于飛機設計和制造的國際航空航天器制造企業(yè)，已累計利用3D打印技術生產(chǎn)了300多個不同的小型零部件。
2012年，通用電氣公司收購了專門開發(fā)激光燒結金屬粉技術的莫里斯技術公司，用來為其Leap系列發(fā)動機制造零部件。普惠公司也投入數(shù)百萬美元聯(lián)合康涅狄格大學成立了增量制造中心。美國國家航天航空局正在使用3D打印機生產(chǎn)航天器的引擎部件，并計劃將打印設備發(fā)射到國際空間站，以期宇航員能夠自給自足，利用空間站上的原料直接生產(chǎn)所需品，改變完全依賴地面供給的補給模式。
2014年8月31日，美國宇航局的工程師們完成了3D打印火箭噴射器的測試，本項研究在于提高火箭發(fā)動機組件的性能，由于噴射器內(nèi)液氧和氣態(tài)氫一起混合反應，燃燒溫度可達約3315℃，可產(chǎn)生約9噸推力，驗證了3D打印技術在火箭發(fā)動機制造上的可行性。
制造火箭發(fā)動機噴射器需要精度高的加工技術，如果使用3D打印技術，就可以降低制造上的復雜程度，在計算機中建立噴射器的三維圖像，打印的材料為金屬粉和激光，在較高溫度下，金屬粉可被重新塑造成我們需要的樣子。火箭發(fā)動機中的噴射器內(nèi)有數(shù)十個噴射元件，要建造大小相似的元件需要高的加工精度，該技術測試成功后將用于制造RS-25發(fā)動機，作為美國宇航局太空發(fā)射系統(tǒng)的主要動力，該火箭可運載宇航員超越近地軌道，進入更遙遠的深空。馬歇爾中心工程部主任克里斯認為，3D打印技術在火箭發(fā)動機噴油器上應用只是第一步，我們的目的在于測試3D打印部件如何能徹底改變火箭的設計與制造，并提高系統(tǒng)的性能，更重要的是可以節(jié)省時間和成本，不太容易出故障。
2014年9月，美國國家航空航天局（NASA）預計完成首臺成像望遠鏡，所有元件幾乎全部通過3D打印技術制造。NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術制造整臺儀器的單位。這款太空望遠鏡功能齊全，其50.8mm的攝像頭使其能夠放進立方體衛(wèi)星（一款微型衛(wèi)星）當中。據(jù)了解，這款太空望遠鏡的外管、外擋板及光學鏡架全部作為單獨的結構直接打印而成。
這款長50.8mm的望遠鏡將全部由鋁和鈦制成，而且只需通過3D打印技術制造4個零件即可，相比而言，傳統(tǒng)工藝所需的零件數(shù)是3D打印的5-10倍。此外，在3D打印的望遠鏡中，可將用來減少望遠鏡中雜散光的儀器擋板做成帶有角度的樣式，這是傳統(tǒng)制作工藝在一個零件中所無法實現(xiàn)的。
2018年12月3日，一臺名為奧根納特的突破性3D打印裝置，被執(zhí)行“58號遠征”任務的“聯(lián)盟MS-11”飛船送往國際空間站。打印機由英維特羅的子公司“3D生物打印解決方案”公司建造。英維特羅隨后收到了從國際空間站傳回的一組照片，通過這些照片可以看到老鼠甲狀腺是如何被打印出來的。
2021年3月，法國賽峰集團旗下賽峰起落架系統(tǒng)公司使用SLM解決方案公司的選區(qū)激光熔化（SLM）技術制造了公務機前起落架的組件，為公務機打造首個3D打印的大型鈦合金前起落架殼體。
具體來說，他們使用金屬增材制造來制作將載荷從機輪傳遞到飛機結構的組件之一，該組件在起飛后將收回機身內(nèi)，尺寸為455mm×295mm×805mm，對于金屬增材來說是相當大的體積。采用該生產(chǎn)方法后，賽峰集團將組件的總重量降低了15%，同時又保持了力學性能。該組件是由鈦材料3D打印的，并承受高應力。
飛機的起落架顯然具有一些關鍵功能，即用于起飛、著陸和制動。賽峰集團著陸系統(tǒng)公司特別感興趣的是制造一種必須能夠承受機輪傳遞應力的組件，是一個承受很大壓力的結構元件：它必須能夠在樞軸上旋轉，以使起落架在飛機下方收回，并且它必須吸收來自飛機機輪的機械應力。在這種性質(zhì)和尺寸下的一個零件上使用增材制造是世界首次。
該3D打印組件是鈦合金起落架殼體，并在SLM解決方案公司金屬機床SLM 800上打印，該機床以其四激光技術和可靠性而聞名。團隊使用增材制造，不但總質(zhì)量降低了15%，還縮短了生產(chǎn)時間。
在材料方面，選擇鈦是因為其堅固性和耐腐蝕性。傳統(tǒng)上，零件是用鋁材設計、通過鍛造工藝制造的，但是考慮到選擇面向3D打印的設計，這種金屬是不合適的。零件的70%的表面沒有經(jīng)過機械加工，僅加工了功能性表面，增加了箱體的壽命。目前，賽峰集團起落架系統(tǒng)公司計劃在2022年測試3D打印組件，這是認證過程中的關鍵一步。
中國3D打印的鈦合金航空航天器產(chǎn)品
中國的大型鈦合金結構件激光成形技術具有國際領先水平，是目前世界上唯一掌握了飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成型技術并實現(xiàn)裝機應用的國家。另據(jù)媒體報道，在艦載機、四代機等新型軍用飛機的研制過程中，3D打印技術已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，承擔了包括起落架在內(nèi)的鈦合金主承力構件的試制任務。
2020年5月5日，中國首飛成功的長征五號B運載火箭上，搭載著新一代載人飛船試驗船，船上還搭載了一臺“3D打印機”。這是中國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強復合材料的3D打印實驗。
3D打印的鋁合金航空航天器產(chǎn)品很多，有鋁合金的，也有鋁基復合材料的，簡述幾則產(chǎn)品如下：
1. 美國梅爾德公司的大型部件。該公司于2019年采用其獨創(chuàng)的3D打印技術以6061鋁合金粉打出直徑超過1400mm的大型環(huán)件（如圖），在3D打印零件領域具有里程碑意義。所采用的技術為一種固態(tài)工藝，在加工過程中材料不會達到熔化溫度，產(chǎn)品中的殘余應力很低，具有精準的尺寸與外形。
2. 2015年6月俄羅斯技術集團公司以3D打印技術打造出一架鋁材無人機樣機，打印時間31小時，質(zhì)量3.8kg，翼展2400mm，飛行速度90km/h-100km/h，續(xù)航能力1-1.5小時。
3. 10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件，2021年1月，國家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學盧秉恒院士團隊利用3D打印技術制成了世界上首件10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件。該樣件利用電弧熔絲增減材一體化制造技術，在整體制造的工藝穩(wěn)定性、精度控制及變形與應力調(diào)控等方面均實現(xiàn)了重大技術突破。
10米級超大型鋁合金環(huán)件是連接重型運載火箭貯箱的簡段、前后底與火箭的箱間段之間的關鍵結構件。該樣件重約1噸，創(chuàng)新采用多絲協(xié)同工藝裝備，制造工藝大為簡化、成本大幅降低，制造周期縮短至1個月。
目前，采用增減材一體化制造技術成功完成超大型環(huán)件屬國際首例，該成果將會助力增材制造為中國航天事業(yè)發(fā)光發(fā)熱，同時，為中國航天事業(yè)中重大零件的快速制造提供了技術支撐。
