•    空客 A350 XWB 的連接件入圍“2014 年德國經(jīng)濟創(chuàng)新獎”終選
•    包括Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生在內(nèi)的三位項目合伙人在“2015德國未來獎”中，被共同授予“最佳團隊”的榮譽
•    增材制造技術(shù)正在飛機制造業(yè)中普及
•    未來 3D 金屬打印可實現(xiàn)“仿生”飛機構(gòu)造和輕量化結(jié)構(gòu)

金屬激光熔融技術(shù)在飛機制造業(yè)中的地位日益重要。更短的交付周期、更合適的部件和前所未有的成型自由度，這些都是選擇這一技術(shù)的重要依據(jù)。如今，該技術(shù)在飛機“輕量化結(jié)構(gòu)”和“仿生學(xué)”方面的突出表現(xiàn)，讓這一趨勢更加顯而易見：金屬激光增材制造技術(shù)正在改變我們的設(shè)計思維。在未來的飛機設(shè)計中，部件將能夠有針對性地吸收力線，同時又符合輕量化要求。耐久、節(jié)約資源、改善成本結(jié)構(gòu)，從而魚和熊掌可以兼得。

Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生、漢堡空客新興技術(shù)與概念負責(zé)人Peter Sander先生和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）共同參與了空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架3D金屬打印項目的研發(fā)和生產(chǎn)。以前，該部件由鋁（Al）材銑削加工而成。現(xiàn)在，它則可以用鈦（Ti）材料打印而成，減重幅度大于 30%。

空客 A350 XWB 的連接件采用3D打印的生產(chǎn)方式，在2014年入圍了“2014 年德國經(jīng)濟創(chuàng)新獎”的最終評選。評審團的評定意見：這種跨行業(yè)的開發(fā)形式，徹底改變了飛機構(gòu)件的制造方式和民用飛機的“輕量化”途徑；2015年12月2日，參與該項目的三位成員在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎”中，又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號，并接受了由德國總統(tǒng)親自頒發(fā)的榮譽證書。
  
圖1：空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架，入圍了“2014 年德國經(jīng)濟創(chuàng)新獎”的終選。該部件采用鈦（Ti）材料，運用金屬激光熔融技術(shù)（LaserCUSING）打印而成。[圖片來源：空客公司]

圖2：Concept Laser 有限公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Frank Herzog先生（右一）、漢堡空客新興技術(shù)與概念負責(zé)人Peter Sander先生（左一）和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（左二）于2015年12月2日，在德國柏林舉辦的“2015德國未來獎”中，又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號，并接受了由德國總統(tǒng)Joachim Gauck（右二）親自頒發(fā)的榮譽證書。[圖片來源：Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]
新的飛機構(gòu)件設(shè)計方法

支持在飛機制造業(yè)中采用金屬激光熔融技術(shù)的論點是，自由成型和減重。其中“輕量化”特點可有效幫助航空公司在飛機運營中取得更為經(jīng)濟的效果。固定元件（托架）所能取得的減重效果，將有助于實現(xiàn)更低的燃料消耗，或者提升飛機的裝載能力。設(shè)計新的飛機時，需要用到成千上萬個小量制造的 FTI（飛行測試安裝）托架。金屬增材制造（Layer Manufacturing）方法不僅可以幫助設(shè)計人員快速生產(chǎn)出新的設(shè)計結(jié)構(gòu)，而且生產(chǎn)出的部件重量要比常規(guī)的鑄造件或者銑削件輕 30% 以上。此外，金屬激光增材制造工藝直接以 CAD 數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，省略了模具，降低了成本，讓部件可以更快的速度投入使用，最多可節(jié)省 75% 的時間。同時，利用該工藝無模具的特點，在早期即可制造出具有接近量產(chǎn)部件特性的原型件，極大節(jié)省模具成本。基于此，采用金屬激光增材制造技術(shù)在設(shè)計早期就可發(fā)現(xiàn)錯誤原因并優(yōu)化項目流程。漢堡空客新興技術(shù)與概念負責(zé)人Peter Sander先生介紹說：“以前，進行部件開發(fā)時，我們需要安排大約六個月的時間，現(xiàn)在只需要一個月。”

“綠色技術(shù)”節(jié)約資源
飛機零件在銑削過程中會產(chǎn)生高達 95% 的可回收廢料。而采用激光熔融技術(shù)，操作者不僅可得到“接近最終輪廓的部件”，且廢料只有約 5%。“在飛機制造業(yè)中，我們將其稱為‘成品原料比’（buy to fly ratio），90% 在這里是一個了不起的數(shù)值。在對能量效率進行衡量時，這一數(shù)值當然也體現(xiàn)出積極的一面。”漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執(zhí)行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）說。尤其是應(yīng)用在像鈦這樣的高級且昂貴的飛機制造材料上時，這種方法更具吸引力。無模具的制造方法節(jié)約了時間，改善了成本結(jié)構(gòu)，有針對性的能源投入和節(jié)約資源是激光熔融技術(shù)的一大特點。位于德國利希滕費爾斯地區(qū)的Concept Laser 有限公司首席執(zhí)行官 Frank Herzog先生認為：“LaserCUSING 是一項‘綠色技術(shù)’，可改善制造過程中的生態(tài)足跡。”

飛機制造是變革的動力
一般來說，在小量乃至中等數(shù)量的生產(chǎn)中，激光熔融技術(shù)總能帶來有利的制造成本效應(yīng)。Peter Sander先生介紹：“在飛機制造過程中，若要實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，每一批次產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的大小比大批量生產(chǎn)更為重要。”而采用激光熔融技術(shù)無需高額的鑄模投資成本和模具成本。此外，激光增材制造方法還可提供比常規(guī)制造方法更高的造型自由度。像制作凹槽和內(nèi)部的通道，例如冷卻通道。在航空工業(yè)中，飛機制造商已經(jīng)在考慮用該工藝生產(chǎn)電子設(shè)備的冷卻元件和智能的液壓部件。

Emmelmann 教授（工程博士）說：“我覺得這種技術(shù)尤其對一米以下的構(gòu)件，以及推進裝置區(qū)域的部件來說具有巨大潛力。”雖然在未來，人們可能窮盡物理的邊界，創(chuàng)造出更加能夠提升部件尺寸的接合方法。但激光熔融技術(shù)首次將前所未有的幾何形狀與功能性聯(lián)系在一起，依然成為目前最吸人眼球的技術(shù)。該技術(shù)可以讓部件內(nèi)的能量通量在 CAD 設(shè)計階段就能夠非常精確地確定?？偟膩碚f，利用激光熔融技術(shù)能夠開發(fā)出的安全性部件，比今天的部件更好、更輕且壽命更長。此外，材料特性稍有不同，Emmelmann 教授（工程博士）表示：“激光增材制造的材料具有更高的強度，雖然延展性較低，但經(jīng)過正確的熱處理之后，還是可將其重新提升。”

備件供應(yīng) 2.0：及時、分散且“按需供應(yīng)”
“創(chuàng)成式航空”的另一個關(guān)聯(lián)應(yīng)用是在備件領(lǐng)域：未來將可分散地、“根據(jù)需求”貼近應(yīng)用地制造備件，而且還無需模具。在部件出現(xiàn)故障的情況下，可以直接現(xiàn)場制造備件。因此，分散式的制造網(wǎng)絡(luò)將可能興起，使得全球性戰(zhàn)略和地區(qū)性戰(zhàn)略能夠成為現(xiàn)實。這樣可以最大化地縮小運輸距離，更重要的是可以縮短供應(yīng)時間。 其結(jié)果是，維護造成的飛機停運時間和檢查時間將縮短。對于現(xiàn)在因為飛機壽命周期長，而不可避免地建設(shè)大型備件倉庫儲備那些極少使用的零件的現(xiàn)狀，在未來將可以緩解，這些倉庫的規(guī)?？擅黠@縮小。不僅減少了資金占用，提高了操作靈活性，更重要的是讓安全性部件更快地投入使用。在航空業(yè)都面臨成本壓力的情況下，這具有極大的吸引力。

部件設(shè)計或者產(chǎn)品設(shè)計中的仿生學(xué)
采用金屬激光熔融技術(shù)可制造出極為精細的結(jié)構(gòu)，甚至是骨狀的，也就是多孔的結(jié)構(gòu)。“因此，未來的飛機部件將是‘仿生’的。”Emmelmann 教授（工程博士）估計。自然界在數(shù)百萬年間優(yōu)化發(fā)展了各種功能原理和輕量化原理，巧妙地將資源投入最小化，這些都是值得效仿的?？湛凸灸壳罢谟薪M織地對這些自然解決方案的適用性進行分析。通過“智能曝光策略”，可以有針對性地往部件投射激光，讓其結(jié)構(gòu)、強度和表面質(zhì)量達到要求。Peter Sander先生介紹說：在考慮了所有相關(guān)安全要求的情況下，首批原型體現(xiàn)出了仿生法的巨大潛力。這種方法可能會帶來設(shè)計和制造方面的某種思想轉(zhuǎn)變。”

疲勞強度作為特性參數(shù)
“目前的技術(shù)極限是因表面質(zhì)量的妥協(xié)而產(chǎn)生的，但該質(zhì)量仍然與鑄造部件的表面質(zhì)量具有可比性。”Emmelmann 教授（工程博士）說。這會導(dǎo)致材料的疲勞強度嚴重下降，例如鈦。而它恰恰是飛機結(jié)構(gòu)中高負荷構(gòu)件的關(guān)鍵特性參數(shù)。在這里，人們必須考慮飛機在極長的壽命周期中（＞30 年）要承受的高負荷。但是，通過下游的表面處理，例如微噴砂，以及經(jīng)過正確的熱處理之后，疲勞強度將顯著提高。Emmelmann 教授（工程博士）說：“最終結(jié)果是，達到了軋制材料的疲勞強度值。”

質(zhì)量是重要的參數(shù)
對于飛機制造商來說，部件制造階段的質(zhì)量控制是最重要的工業(yè)化模塊之一。Peter Sander先生介紹：“帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質(zhì)量管理模塊的內(nèi)嵌過程監(jiān)控（Inline Process Monitoring）系統(tǒng)，可以在一個 1x1 mm² 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進行監(jiān)控，并將這個過程記錄下來。”在部件制造過程中，諸如 QMmeltpool、QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser 這樣的質(zhì)量管理模塊是主要的主動質(zhì)保工具。它們對激光功率、熔池、金屬粉末的層結(jié)構(gòu)進行測量，并且不間斷監(jiān)控以及記錄整個制作過程。質(zhì)量管理模塊的另一個特征是，在封閉系統(tǒng)中工作，以保證監(jiān)控過程無塵、無污染。這樣可消除對過程可能產(chǎn)生負面影響的所有干擾因素。Frank Herzog先生對此說道：“今天，我們可以說這是一種受控、具有重復(fù)精度和過程穩(wěn)定的制造方法。”Emmelmann 教授（工程博士）強調(diào)：“質(zhì)量管理模塊讓我們能夠監(jiān)控并記錄重要的數(shù)據(jù)，例如激光參數(shù)、熔池特性以及保護氣體的成分。污染導(dǎo)致的干擾變量可以減弱。在最新的一個研究項目中，我們正在開發(fā)自己的質(zhì)保方案，光學(xué)相干斷層掃描是其基礎(chǔ)之一。”
 
 

圖3：帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質(zhì)量管理模塊的內(nèi)嵌過程監(jiān)控（Inline Process Monitoring）系統(tǒng)，可以在一個 1x1 mm² 的極小面積上通過攝像頭和光電二極管進行監(jiān)控，并將這個過程記錄下來。[圖片來源：Concept Laser]