詳解空客A350 XWB上首個3D打印的鈦部件
金屬激光熔融技術在飛機制造業中的地位日益重要。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的重要依據。如今，該技術在飛機“輕量化結構”和“仿生學”方面的突出表現，讓這一趨勢更加顯而易見：金屬激光增材制造技術正在改變我們的設計思維。在未來的飛機設計中，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、節約資源、改善成本結構，從而魚和熊掌可以兼得。
Concept Laser 有限公司創始人兼首席執行官Frank Herzog先生、漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執行官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和生產。以前，該部件由鋁（Al）材銑削加工而成。現在，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打印的生產方式，在2014年入圍了“2014 年德國經濟創新獎”的最終評選。評審團的評定意見：這種跨行業的開發形式，徹底改變了飛機構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親自頒發的榮譽證書。
圖1：空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架，入圍了“2014 年德國經濟創新獎”的終選。該部件采用鈦（Ti）材料，運用金屬激光熔融技術（LaserCUSING）打印而成。
圖2：Concept Laser 有限公司創始人兼首席執行官Frank Herzog先生（右一）、漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生（左一）和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執行官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Joachim Gauck（右二）親自頒發的榮譽證書。
新的飛機構件設計方法
支持在飛機制造業中采用金屬激光熔融技術的論點是，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，將有助于實現更低的燃料消耗，或者提升飛機的裝載能力。設計新的飛機時，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計人員快速生產出新的設計結構，而且生產出的部件重量要比常規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 數據作為基礎，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部件特性的原型件，極大節省模具成本。基于此，采用金屬激光增材制造技術在設計早期就可發現錯誤原因并優化項目流程。漢堡空客新興技術與概念負責人Peter Sander先生介紹說：“以前，進行部件開發時，我們需要安排大約六個月的時間，現在只需要一個月。”
“綠色技術”節約資源
飛機零件在銑削過程中會產生高達 95% 的可回收廢料。而采用激光熔融技術，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值。在對能量效率進行衡量時，這一數值當然也體現出積極的一面。”漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）說。尤其是應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約了時間，改善了成本結構，有針對性的能源投入和節約資源是激光熔融技術的一大特點。位于德國利希滕費爾斯地區的Concept Laser 有限公司首席執行官 Frank Herzog先生認為：“LaserCUSING 是一項‘綠色技術’，可改善制造過程中的生態足跡。”
飛機制造是變革的動力
一般來說，在小量乃至中等數量的生產中，激光熔融技術總能帶來有利的制造成本效應。Peter Sander先生介紹：“在飛機制造過程中，若要實現規模效應，每一批次產品生產規模的大小比大批量生產更為重要。”而采用激光熔融技術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制造方法更高的造型自由度。像制作凹槽和內部的通道，例如冷卻通道。在航空工業中，飛機制造商已經在考慮用該工藝生產電子設備的冷卻元件和智能的液壓部件。Emmelmann 教授（工程博士）說：“我覺得這種技術尤其對一米以下的構件，以及推進裝置區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，創造出更加能夠提升部件尺寸的接合方法。但激光熔融技術首次將前所未有的幾何形狀與功能性聯系在一起，依然成為目前最吸人眼球的技術。該技術可以讓部件內的能量通量在 CAD 設計階段就能夠非常精確地確定。總的來說，利用激光熔融技術能夠開發出的安全性部件，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，但經過正確的熱處理之后，還是可將其重新提升。”
備件供應 2.0：及時、分散且“按需供應”
“創成式航空”的另一個關聯應用是在備件領域：未來將可分散地、“根據需求”貼近應用地制造備件，而且還無需模具。在部件出現故障的情況下，可以直接現場制造備件。因此，分散式的制造網絡將可能興起，使得全球性戰略和地區性戰略能夠成為現實。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時間。 其結果是，維護造成的飛機停運時間和檢查時間將縮短。對于現在因為飛機壽命周期長，而不可避免地建設大型備件倉庫儲備那些極少使用的零件的現狀，在未來將可以緩解，這些倉庫的規模可明顯縮小。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。在航空業都面臨成本壓力的情況下，這具有極大的吸引力。
部件設計或者產品設計中的仿生學
采用金屬激光熔融技術可制造出極為精細的結構，甚至是骨狀的，也就是多孔的結構。“因此，未來的飛機部件將是‘仿生’的。”Emmelmann 教授（工程博士）估計。自然界在數百萬年間優化發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。空客公司目前正在有組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，讓其結構、強度和表面質量達到要求。Peter Sander先生介紹說：在考慮了所有相關安全要求的情況下，首批原型體現出了仿生法的巨大潛力。這種方法可能會帶來設計和制造方面的某種思想轉變。”
疲勞強度作為特性參數
“目前的技術極限是因表面質量的妥協而產生的，但該質量仍然與鑄造部件的表面質量具有可比性。”Emmelmann 教授（工程博士）說。這會導致材料的疲勞強度嚴重下降，例如鈦。而它恰恰是飛機結構中高負荷構件的關鍵特性參數。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：“最終結果是，達到了軋制材料的疲勞強度值。”
質量是重要的參數
對于飛機制造商來說，部件制造階段的質量控制是最重要的工業化模塊之一。Peter Sander先生介紹：“帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內嵌過程監控（Inline Process Monitoring）系統，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 這樣的質量管理模塊是主要的主動質保工具。它們對激光功率、熔池、金屬粉末的層結構進行測量，并且不間斷監控以及記錄整個制作過程。質量管理模塊的另一個特征是，在封閉系統中工作，以保證監控過程無塵、無污染。這樣可消除對過程可能產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、具有重復精度和過程穩定的制造方法。”Emmelmann 教授（工程博士）強調：“質量管理模塊讓我們能夠監控并記錄重要的數據，例如激光參數、熔池特性以及保護氣體的成分。污染導致的干擾變量可以減弱。在最新的一個研究項目中，我們正在開發自己的質保方案，光學相干斷層掃描是其基礎之一。”
圖3：帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內嵌過程監控（Inline Process Monitoring）系統，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控，并將這個過程記錄下來。
背景知識：
飛機要承受的干擾變量或者負荷
如果客機在長達 30 多年的壽命周期內一直處于運行狀態。飛機在運行中要面臨各種各樣且極其復雜的負荷。例如，除了基本的靜態負荷之外，飛機還要承受地面運行和飛行之間的極端溫度波動。關鍵的是持續性負荷，它們對所涉部件的要求最高，如飛機的起降，持續的在渦流中飛行等情況，其中在渦流中飛行可導致翼尖產生數米的彎曲。但是，在設計固定構件（托架）的時候，首先要考慮的只是靜態負荷。
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