航空巨頭霍尼韋爾全面解讀3D打印技術
美國亞利桑那州鳳凰城，霍尼韋爾總部增材制造技術中心，記者在一間干凈而不大的生產車間，拿到了一包長寬高都不到十厘米的小樣件，包括一個等比例縮小后的發動機模型、一個網格狀的立方體、一個橫切面和一個鑰匙鏈。
這些都是霍尼韋爾通過3D打印出來的零部件，最近幾年，如何將3D打印技術應用于生產飛機零部件，是Donald Godfrey一直在從事的工作。
Donald Godfrey是霍尼韋爾航空航天集團研究員級工程師，就在去年，他見證了霍尼韋爾首次使用3D打印技術生產出了HTF7000發動機的一個部件, 這一發動機型號廣泛應用于一系列中遠程公務機，包括在國內較為常見的達索獵鷹、龐巴迪挑戰者、灣流等機型。今年，公司還計劃將6~7個3D打印部件裝入TPE331發動機。
盡管技術門檻非常高，但如今3D打印在航空制造業的研究已經開始由最初的實驗室階段逐步向實際使用階段過渡。
降低時間成本
霍尼韋爾航空航天集團是從2010年進入3D打印領域的。2010年6月，霍尼韋爾首次采用718鎳合金3D打印了一個切向注入噴嘴(TOBI)，并將其安裝在了霍尼韋爾飛行試驗臺上。2012年1月，霍尼韋爾使用同種材料打印了旋流發生器，并在客戶的飛行試驗臺上進行了測試。
2015年1月，霍尼韋爾運用3D打印技術生產出了HTF7000發動機的一個部件。2016年內，公司計劃將6~7個3D打印部件裝入TPE331發動機。
看起來，3D打印飛機配件的進度并不快，對此，Donald Godfrey對記者介紹，這是由于建立生產粉末、存儲粉末、熔化粉末及后處理工藝的“固定流程”需要相當長的時間，因此日程安排成為了主要挑戰之一，而且這一日程安排還需要獲得美國聯邦航空管理局(FAA)、客戶，以及霍尼韋爾首席工程部門與霍尼韋爾營銷部門的批準。“一旦獲得了這些批準，只要使用同樣的機器和粉末，打印其他部件將非常迅速，事半功倍。”
Donald Godfrey介紹，無論使用何種機器，3D打印的工作原理都是通過軟件建模，將要打印的部件切割成無數層切片，在此過程中，每一層實體切片需要不斷與電腦建模的數字切片對比，發現偏差后進行修正。
霍尼韋爾是第一家使用電子束熔煉(EBM)技術(3D打印技術的一種)，利用鉻鎳鐵合金718這種鎳基超合金生產航空航天零部件的企業。電子束熔煉技術使用的是電子束，而非被稱為直接金屬激光燒結(DMLS)的多次金屬燒結/熔化過程中發現的激光束。
“電子束熔煉技術的優勢有四個方面，不需要模具，可以減少時間成本，任何金屬材質都可以加工，并且能夠支持各種復雜的幾何結構，設計上更為靈活。”Donald Godfrey告訴記者，在霍尼韋爾看來，從嚴格意義上講，電子束熔煉技術才是真正的3D打印技術。
之所以要花費精力研究多年，是因為3D打印飛機配件，不僅可以降低制造成本，還可以縮短生產和交付時間。
比如霍尼韋爾首次使用3D打印技術生產HTF7000鎳基超合金發動機的管腔，就有望降低50%的制造成本。過去，通過傳統工藝研制渦輪葉片的樣件需要3年的時間，而如果采用了3D打印技術則僅需短短9周，與過去相比，為整個供應鏈節約了70%的時間。
“成本的節約來自于幾個方面：一是在設計上可以將8個不同部件編號組合成只有1個部件編號;二是3D打印技術可以幫助航空制造商減少工裝模具的使用，在生產少量樣件時，設計也可以更加靈活，這使得生產零部件的固定投入成本大幅下降。”Donald Godfrey對記者介紹，比如，用3D打印技術生產的燃燒室保護罩就可以降低40%的成本。此外，通過該技術還可以減輕零件的重量，這直接關系到飛機的燃油經濟性。過去，對于大型復雜構件，制造商用傳統工藝無法完成，就拆為幾個部件，然后再進行組合，如今3D打印可以實現零部件一次成型，這不僅增加了零部件的強度，同時也減輕了零部件的重量。此外，3D打印技術還有助于提升零部件質量，提高流通合格率，減少庫存。
大批量生產尚需時日
不過，包括Donald Godfrey在內的多位霍尼韋爾人士都對記者坦陳，目前3D打印技術還主要用于產品原型設計和樣品測試，并沒有用于大批量生產。
Donald Godfrey指出，目前采用3D打印技術生產部件可以節省時間，但成本更高，需要技術更廣泛地推開才能降低成本。此外，航空器的組裝過程也較為復雜，3D打印技術還不足以代替傳統的組裝程序，一些3D打印技術能夠支持的部件大小有限。
“目前，增材制造在經濟效率上還不能與更具經濟型的簡易鑄造技術相匹敵。” Donald Godfrey告訴記者，不過，在未來幾年，霍尼韋爾等公司將開始打印而非鑄造小批量但高價值的部件。“當客戶所需的生產數量較低時，零部件制造的成本會迅速上漲，疊加制造則是解決這一問題的好辦法，使用打印技術生產小批量鑄件，可以節省客戶的成本和時間。”
如今，霍尼韋爾正在四個增材制造技術中心開展3D打印飛機配件的研究，這四個技術中心分別位于美國鳳凰城、印度班加羅爾、捷克布爾諾和中國上海。其中，上海的實驗室可以打印出長寬高最大為25cm、25cm、32.5cm的部件。公司計劃到2020年實現40%的部件都具備采用3D打印技術生產的能力。
正在研究3D打印技術應用到飛機上的不只是霍尼韋爾。在去年交付的A350采用了部分3D打印部件后，空客計劃今年將把3D打印的客艙隔板裝入客艙，并計劃2018年為飛機機翼裝上3D打印的擾流罩。
與高校合作也成為制造商們進行3D打印技術研究的共同模式。霍尼韋爾航空航天集團就與美國的4所大學簽署了合作協議，波音、空客等民機整機制造商也都選擇與大學進行合作，進行3D打印技術的研究。
值得一提的是，中國也已參與到該技術的研究中來。比如西北工業大學就與空客簽署了合作協議，共同探索3D打印技術在航空領域的應用，項目重點研究激光3D打印技術在飛機部件制造中一次打印成型、減少加工余量以及材料在成型過程中變形等難題。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室承擔樣件制造，空客承擔樣件的測量和評估工作。
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