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3D打印一步解决 航空航天制造的难题

航天航空技术是当今世界最具影响力的高新科技之一,而航天航空制造技术是航天航空技术的重要组成部分,其发展水平对于飞机、火箭、导弹和航天器等航天航空产品的可靠性增强与使用寿命延长,综合技术性能的完善,研制和生产成本的降低,甚至总体设计思想能否得到具体实现,均起着决定性作用。而3D打印技术的首要应用领域的就航空航天领域,例如飞机机翼的制造、复杂零部件制作、无人驾驶航空系统等等方面。

下面为大家介绍一下3D打印技术如何航空航天领域发光发彩的。

1近距离了解CE通过3D打印的飞机殷勤
要说3D打印在涡轮螺旋桨发动机领域的应用突破莫过于GE要在2018年试飞的ATP飞机发动机了。这为通过增材制造可以实现的可能性打开了新的空间。 GE公司先进的涡轮螺旋桨发动机(ATP)发动机中,三分之一以上的部件是由3D打印来完成的,其额定功率为1300马力,该发动机为Textron Aviation推出的10人座商用飞机Cessna Denali提供动力。本期,与网友一起近距离来了解这款发动机的特点。
与喷气发动机不同的是,涡轮螺旋桨飞机通常为小型商业飞行器和个人飞机提供动力,但这仍然代表着数十亿美元的市场。基于3D打印技术特点,设计师将855个独立部件减少到12个。不仅如此,3D打印通过降低ATP发动机的重量来降低成本。发动机轻5%,这意味着它将使飞机减少燃油消耗,此外设计变更将使ATP的发动机提高燃油燃烧效率,从而能够减少20%的燃油消耗,并且比传统加工方式制造的发动机多10%的功率。

GE ATP计划负责人Gordie Follin说:“这台发动机是革命性的。因为GE将大型商业发动机中验证的最先进的技术移植到涡轮螺旋桨发动机的设计与制造中来。”

ATP发动机的革新之处包括3D空气动力学、可变定子叶片和完全集成的数字引擎和螺旋桨控制系统。 Follin说:“我们正在使得Textron可以拥有更高的动力以承载更大、更豪华的客舱,并且发动机提供满足客户期望的巡航速度,并且飞行员将坐在更简洁明快的喷气式驾驶舱中。”

经过十多年的研究和开发,GE通过几个流程的衔接来生产发动机零件,包括直接金属激光熔化3D打印技术。由于3D打印非常适合加工高度复杂的零件,这使得ATP发动机比传统的涡轮螺旋桨发动机减少了约30%的零件,同时减少了发动机制造中涉及的组装步骤和检查次数。通过完全消除接头的需要,该设计还消除了接头损失和泄漏的风险。

GE的子公司Avio Aero的工程主管Giorgio Abrate说:“这不是简单地用另一种方法替代一种生产方法,而是重新设计和设计航空发动机的方式。”除了大量的采用增材制造技术之外,ATP还是世界上第一个“数字原生”航空发动机。 ATP的设计师不是依靠2D原理图,而是使用先进的3D建模。引擎中的传感器将收集数据,并允许用户构建所谓的ATP数字双胞胎。此外,引擎的虚拟模型将会根据实际情况来考虑磨损,帮助操作人员预测正确的维护时间,从而使得飞机将更多的时间用于飞行。该发动机还将配备通过单个控制杆控制发动机和螺旋桨的技术,使得飞行员能够像驾驶喷气式飞机一样来驾驶Denali飞机。

在发动机内部,燃烧室和许多结构元件通过3D打印技术来完成,这带来更简洁、更轻和更紧凑的发动机,具有最佳的16:1的工业级总压力比(OPR )。与竞争对手相比,这使其能够节约15%的燃料(仅仅通过设计提高的燃料燃烧效率带来的节约)和提高10%的巡航功率。
总的来说,3D打印技术完成了目前Denali发动机最关键的部件,包括ATP的动力齿轮箱。不仅如此,3D打印技术还使得设计工程师能够采用以前无法使用的材料组合,包括新的合金。

3D打印技术也用于设计和生产ATP燃烧器,其围绕式逆流配置,从而最大限度地缩短发动机长度,同时改善整体发动机的重量和安装。并且3D打印还以更低的成本使得工程师对大量的设计概念进行原型制造和功能测试,这一过程如果通过传统的常规制造过程将耗费过高的时间和成本。
此外,ATP发动机的开发团队来自世界各地,包括GE位于意大利、波兰、德国和捷克共和国。ATP发动机的正式生产将于明年开始,搭载ATP发动机的Cessna Denali预计在2019年底将从跑道起飞。

2.3D打印创造新世界
3D打印技术出现前,我们想象不到也从未体验过三维物体被打印出来的奇妙感觉。而现在,这一切都近在眼前。

近日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室发明了全新碳纤维3D打印技术,通过他们开发出的全新微挤出技术成功实现了航空级碳纤维复合材料的3D打印,该实验室成为全球最先取得这一成就的机构。众所周知,碳纤维被称为“未来的超级材料”,强度非常高,但重量却很轻,同时具备极高的耐热性和极佳的导电能力,所以在很多方面都大有用武之地,但将它制成复杂形状却不容易。这项新技术成功摆脱了束缚,能够打印出高性能飞机机翼、单侧绝缘卫星组件以及绝缘可穿戴设备等。

除了能印出航空航天领域的高精度组件外,3D打印技术还能实现重金属的打印。此前,德国联邦教育研究部就与全球知名的机器人制造商合作启动了一项新的金属3D打印项目。此项目会重点研究激光金属沉积技术,然后将其与工业级机械臂融合,最终开发出一种能在复杂表面打印多种材料、打印速度达到每小时1至2千克的更强金属3D打印系统。

在医疗领域,3D打印技术也能为人们做出贡献,可谓骨折病人的“福音”。日前,世界首款3D打印用低温热塑性耗材在英国问世。英国某公司研发出了世界上第一款可以3D打印用低温热塑性耗材,可以使骨折病人的伤病处理状况得到改善。这种化合物在一定温度时可以重新变成合适的形状,而这种变形在人体温度下不会发生。医生可以利用这种增材制造的方式为病人打印假体、夹板等医用设备,并可以为特殊病人进行定制,确保病人有安全舒适的体验。