2022年預測：3D打印正在改變航空航天業
從波音、洛克希德馬丁和 SpaceX 等企業巨頭到早期風險投資，世界各地的公司都在利用 3D 打印硬件、材料和軟件，同時推動對 AM 的頂級技術投資。因此，在 2021 年，我們看到整個行業都接受了大流行所實施的 3D 打印技術，而 2022 年有望獲得回報。3D 打印正在徹底改變飛機生產。因此，在 2021 年，我們看到航空航天原始設備制造商 (OEM) 投資于大型 AM 機器和項目，以增強高性能、關鍵任務金屬部件，從而實現對新一代飛機前所未有的部件整合要求。
“在 2021 年，我們看到 AM 行業認識到預測建模是首次質量的關鍵，而啟用數字線程對于規模和控制質量至關重要，”波音 AM 副總裁 Melissa Orme 說。 “這種認識導致了用于 AM 過程建模、創建數字雙胞胎以及為數字線程歸檔數據的平臺的軟件公司的成熟和出現。”
與其許多競爭對手一樣，波音公司在 2021 年保持其 AM 部門非常活躍，建立了一個完全受控的分布式 3D 打印網絡，以直接在 EOS 3D 打印機上遠程安全地生產零件，并 3D 打印航空航天級材料以制造其飛機的組件。 Orme 指出，該公司仍然專注于 AM 的數字方面，已經將其大約 40% 的價值流連接到數字線程，并通過模擬引導 AM 構建以取得首次成功。“我們的自動數據流以通用格式存檔到我們的 AM 數據庫中，這使得我們可以訪問和使用執行我們的 AM 分析以不斷優化我們的價值流。”
波音公司展示了 3D 打印設計的自由度。
3D 打印設計自由度：打印零件的能力開啟了創建更高效機械設計的可能性。圖片由波音公司提供。
用于航空航天的 3D 打印材料取得了巨大進步。 Nexa3D 的首席執行官兼聯合創始人 Avi Reichental 表示，雖然金屬 3D 打印在航空航天領域占據了大部分的焦點，但聚合物在這里擁有龐大且不斷增長的市場。認為許多將金屬增材制造納入其運營的航空航天制造商也投資于聚合物解決方案，因為他們對增材制造整體變得更加熟悉。更重要的是，擁有更多先進制造解決方案組合為下一代航空航天制造開辟了更多機會。“我們將繼續看到 AM 的輕量化能力在航空航天領域發揮作用，包括用于與人類接觸更多的機艙和內部組件，”Reichental 相信。
配備 NXE 400 3D 系統的 Nexa3D 客戶體驗中心。圖片由 Nexa3D 提供。
Velo3D 的創始人兼首席執行官本尼·布勒 (Benny Buller) 對明年航空航天 3D 打印將如何發展有著非常特殊的看法。根據 AM 專家的說法，增材制造設計或 DfAM——調整設計以使其更便宜、更快或更有效的過程——迫使航空航天工程師以可制造性的名義做出讓步，而不是設計最好的部分可能用于下一代系統。他指出，AM 的承諾一直是實現設計自由而不是限制它，幫助航空和航天組織不斷達到創新的新高度。然而，他認為這個承諾已經被打破了。“到 2022 年，這些工程師將看到 DfAM 的桎梏被移除，使他們能夠打印他們想要和需要的零件，包括更輕的零件、性能更好的零件以及將多個零件合并為單個組件的零件。它還將使航空航天公司能夠復制無法通過其傳統供應鏈采購的遺留部件，而無需為增材制造進行設計。一旦我們消除了這些限制，工程師將從頭開始制造新的航空航天系統，以優化性能，而不受曾經不可能的限制，”布勒透露。充分發揮設計最佳零件的能力是推動航空航天和太空 3D 打印向前發展的關鍵，而 Buller 并不是唯一一個認為 Dfam 限制該領域的人。 2021年，其他行業專家也表示需要放棄Dfam，擁抱設計自由。
XB-1 將搭載在 Velo3D 的 Sapphire 系統上制造的鈦 3D 打印組件。圖片由 Boom Supersonic 和 Velo3D 提供
除了 Buller 渴望的設計自由之外，Omren 還預測到 2022 年，可持續性將成為關注的重點。越來越多的制造商正在采用可持續的 3D 打印實踐，但許多制造商希望將其提升到一個新的水平。例如，波音公司最近發起了一項 AM 可持續性計劃，以定量檢查不同制造過程場景和零件類型的可持續性優勢。
它還加倍回收其粉末和過濾器冷凝物，研究支撐結構的回收利用，在設計零件時變得更智能，以便不需要支撐結構，并使用模擬來減少消耗電力和產生浪費的構建迭代。據 Omren 稱，客戶和監管機構對更可持續制造的需求將推動更環保的 3D 打印技術。“與大多數傳統制造工藝相比，增材制造使用的材料要少得多，因此價值流的前端——開采原材料、轉化為可印刷材料并運輸到印刷點——大大減少，從而減少了這些方面的碳足跡價值流，”奧姆倫說。 “AM 還允許優化零件，使其重量更輕，并可以在更小的體積空間內執行預期功能，這意味著 AM 可用于優化車輛，使其更加流線型，減少阻力，并需要更少的燃料在服務中。”
在航空航天領域，波音、空中客車公司、諾斯羅普格魯曼公司和雷神公司等公司正在從為飛機生產數萬個 3D 打印部件中獲益，航天公司也是如此。 3D 打印可以解決復雜的工程問題并制造專門的零件，我們已經看到 2021 年空間增材制造的激增。例如，Relativity Space 聯合創始人 Jordan Noone 估計，2021 年進入市場的每個新火箭發動機上都有 3D 打印組件。他說，這是發動機的新基準。這位航空航天工程師還看到許多初創公司站出來解決下一代粉末床打印機的開發問題，以及粉末床打印生態系統的元素，如材料開發、后處理和檢查。
Relativity Space 聯合創始人 Jordan Noone（右）。圖片由相對論空間提供。
現在有如此多的空間技術使用 3D 打印作為其制造過程的一部分，我們也看到了與純 AM 公司的大量合作。 EOS 北美金屬技術高級經理 Ankit Saharan 表示，去年，這導致 3D 打印在航天工業中得到了更大的應用。在內部，從購買的角度來看，EOS 有相當多的活動，因此 Saharan 預計隨著我們進入新的一年，空間適應的使用量將繼續增長。
“我們看到了半導體、消費電子和可再生能源等新應用領域和垂直領域的多元化，重新關注產品開發和生產——其中一些可歸因于大流行引起的供應鏈問題。我們預計 2021 年的趨勢將持續到 2022 年，并有一些額外的增長機會，特別是隨著新材料繼續上線。首先，銅和銅合金正在成為一種關鍵材料，并且只會在增材制造行業中變得越來越重要，因為它對許多高度工程化的應用至關重要，”Saharan 解釋道。
雖然銅可能很難處理，但 EOS 聲稱它已經完善了 3D 打印成功所需的流程。到 2022 年，該公司預計 H13 等工具鋼以及用于各種應用的純鎳和鎢等純金屬將重新引起人們的興趣。
EOS 北美金屬技術高級經理 Ankit Saharan。圖片由 EOS 提供。
從更廣泛的意義上講，Noone 預計發射市場將在 2022 年出現過度飽和，許多玩家都在爭奪他們在啄食順序中的位置。這意味著許多發射器是第一次飛行，而打印可能是其中許多人的關鍵優勢。“3D 打印行業將見證圍繞零件設計的持續低于標準的數字工程工具，特別是用于打印。作為一個行業，我們使用 1970 年代計算機的文件格式，我們使用在發明打印之前開發的 CAD 工具，將零件從設計到加載到打印機的工作流程非常費力和手動，”Noone 解釋說。
注意到當前的工具不足，這位專家與風險投資公司 Embedded Ventures（他與 Jenna Bryant 共同創立）開始了新的旅程，將三分之一的初創公司投資組合集中在數字工程工具上，為高級硬件設計提供解決方案，包括它孵化的公司 KittyCAD。這些進步將有助于推動該領域進一步采用 3D 打印。“3D打印是不可避免的，尤其是在價值對齊如此強烈的太空中。太空部件希望重量輕，打印的部件越輕，制造起來就越便宜、越快。產品越優化，成本和交貨時間就越低。這在其他任何地方都是聞所未聞的，”Noone 說。 “隨著越來越多的航天公司獲得融資，迭代速度是關鍵。隨著該行業進一步飽和，通過打印等靈活工具對迭代速度進行投資將變得更加重要。”
中國3D打印網點評：按照這個速度，在接下來的十年中，航空航天業將繼續重新構想自己，同時推動增長和提升價值，采用增材制造的當前趨勢并推動進一步投資。隨著 3D 打印的發展，它將推動飛機制造商和地球外夢想家的創新。
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