金属激光熔炼技术在飞机制造中越来越重要，因为它具有更快的生产速度、高性价比的零部件以及迄今难以想象的设计自由度。然而，一系列新的好处正变得越来越明显。
Leslie Langnau•执行编辑
新的好处包括轻量化结构、仿生学和一种新的设计方法。空客A350 XWB上使用的支架连接器就是这些趋势的一个例子。它曾荣膺“2014年德国工业创新奖”的决赛选手。此前支架是铝制(Al)的铣削件;现在它是由钛(Ti)制成的打印部件，比以前轻了很多。
的使用问题被提交给一个行业专家小组加法制造在航空航天行业。这些专家是:dr . ing教授。克劳斯·埃梅尔曼(Claus Emmelmann)，德国汉堡激光中心Nord公司CEO;Frank Herzog, Lichtenfels Concept Laser公司CEO;以及Peter Sander，空客汉堡新兴技术和概念主管。
1.增材制造技术的使用，如金属的激光熔炼和聚合物的激光烧结，如何影响飞机上使用的结构元素的设计?
砂光机:以激光熔化金属形式的增材制造使我们能够设计出全新的结构，比使用铸造或铣削工艺的传统设计轻30%以上。另一个因素是，我们可以直接从3D设计进行到打印机，也就是激光熔化系统。通常情况下，制造飞机部件需要工具，但现在对我们来说不再是这样了。这既节省了资金，又将部件可用的时间缩短了75%。引用一个令人印象深刻的数据:以前我们预算开发一个组件大约需要6个月——现在，它减少到一个月。
Emmelmann:用于飞机的结构元件的优势是显而易见的。与传统方法相比，设计的高度几何自由度使得更有效的轻量化结构成为可能。对于我们目前关注的支架来说，这意味着相当大的减重，进而转化为更低的燃油消耗和增加飞机载重能力的潜力。这些都代表着迈向更可持续解决方案的重要步骤。
2.添加过程如何改变项目过程?
Emmelmann:由于过程中不需要工具，所以在早期阶段就可以生产非常接近于准备好进行系列化生产的组件功能样品，而不会产生高昂的工具成本或其他前期生产费用。误差的来源可以在设计过程的早期就被识别出来，这样就可以在整个项目内部进行流程优化。
3.从铣削或铸造零件到印刷零件会产生哪些影响?
砂光机:铣削飞机零件可以产生高达95%的可回收废物。通过激光熔炼，我们生产出了接近最终轮廓的部件，这只会产生约5%的废物。这使得该工艺在使用贵重昂贵的飞机材料(如钛)时尤其具有吸引力。与铸造相比，另一个优点是不需要任何铸造工具。此外，额外的安全考虑与铸造零件有关，如空腔。最后但并非最不重要的是，它们比打印部件更重。
赫尔佐格:除了减少资源消耗，你还可以确定微观结构的质量。另一个基本的质量特征是确定构件内部的力分布的能力，这通常是传统部件不可能实现的，或者是相当难以实现的。当涉及到与安全相关的部件时，这是一个重要的论点。Concept laser的QM模块集成到系统技术中，使用户可以利用实时、内联的质量控制。此外，工艺映射是确保质量的关键工具。它使逆向工程成为可能，并为无缝记录过程服务。在环境方面，减少能源和资源消耗是激光熔炼过程的特点。
Emmelmann:金属增材制造通常可以降低小到中型单位数量的成本。例如，铸造模具相对较高的投资成本被消除，以及可能需要的工具的任何成本。此外，激光增材制造提供了更大的设计自由，因为底边和内部通道(通常用于冷却)可以在制造过程中实现。以前无法想象的几何形状可以与功能相结合。而且，材料的性质也略有不同。采用激光增材制造生产的材料具有更大的刚度，但同时延展性较差;然而，通过正确的热处理，这一点可以得到增强。
4.3D打印技术为飞机制造和飞机上使用的结构元素提供了哪些潜在的应用?
砂光机:在这方面需要考虑两个方面:一方面是工艺优化，另一方面是产品设计。对我们来说，工艺优化意味着我们不再需要任何铸造、注塑或预生产工具。我们可以直接从3D设计系统中打印零件。这使我们的生产时间减少了75%，一次性费用大大降低。例如，我们在第一架测试飞机上安装了几吨的测试设备。这需要以小单位数量生产数千个飞行试验装置(FTI)托架。
备件是一个额外的，令人兴奋的领域。在未来，我们将能够在需要它们的地方附近生产它们，不需要工具，而且是在“按需”的基础上——而不必为大型仓库提供资金，在世界各地储存很少需要的备件。
由于激光熔化可以制造非常精细甚至像骨头一样的多孔结构，未来的飞机部件看起来将是“仿生的”。大自然在数百万年的时间里优化了功能和轻量化的建造原则，以巧妙的方式将所需的资源最小化。最初的原型显示了这种方法的巨大潜力。这一过程有望在设计和生产方面引发某种范式的转变。
赫尔佐格:多激光的使用将在未来发挥作用。通过依靠“智能曝光策略”，激光器可以战略性地对组件进行分层，在结构、刚度和表面质量方面产生定制特性。这一领域的质量和速度为飞机制造商提供了相当大的潜力。
5.该技术在什么时候达到安全相关组件的极限?
砂光机:一般来说，在飞机建造中是不会妥协的，因为安全是首要考虑的。特别是考虑到我们的产品可以在空中停留30年之久。我们仍然必须学习如何在组件设计中最好地利用实现新的几何自由的优势。为此，我们将不得不在未来几年进行许多结构测试和试验。其结果将是一种新颖的“仿生”飞机设计。
Emmelmann:目前，表面质量是有限制的。然而，这些限制与铸造部件中的明显限制相当。但结果是疲劳强度降低，特别是钛，这是一个值得关注的问题，因为它是飞机制造中暴露在高应力下的结构组件的关键。下游表面处理，例如使用微波辐射的表面处理，如果结合适当的热处理，可以显著提高疲劳强度。最终，在必要时可以达到与轧制材料相当的值。
6.你们用什么方法或仪器来监控和验证LaserCUSING的过程?
砂光机:Concept Laser使用其QMmeltpool QM模块提供的“内联过程监控”。该系统使用摄像头和光电二极管在1 x 1毫米²的非常小的区域内监测过程。然后记录下整个过程。
7.增材制造方法是否改变了飞机制造的设计思路?
砂光机:下一代飞机工程师将理解3D打印和它带来的所有机会。目前，围绕设计和生产的思考正在发生变化。我也会称之为范式转变。我们应该记住，对新事物的抗拒只能慢慢克服。我们的生产工程师目前在铸造和铣削方面训练有素，所以我们需要新的洞察力和经验。最后但并非最不重要的是，一些倡导工作必须以我们可以在飞机制造中指出的实际例子的形式来完成。总的来说，激光熔化技术能够开发出比现在可用的组件更好、更轻、更耐用的安全相关组件。
Emmelmann:随着空客的项目已经完成，我们已经确定，激光增材制造提供的机会已经从根本上带来了新的思维方式和轻型建筑解决方案。特别是对于结构优化的组件，它们通常具有高度的几何复杂性，可以通过非常直接的方式实现形式，以实现高度的轻量化结构。在过去，由于传统制造的限制，与轻量化结构的妥协是必要的——我们现在能够优雅地避免这些限制。
8.在你看来，飞机制造业的3D策略产生了哪些普遍的变化?
砂光机:最初的研究表明，必要的制造步骤减少了一半，因为该过程产生的是接近最终轮廓的空白。由多个部件组成的焊接部件也很有吸引力，因为它们现在可以在没有焊接设备的情况下进行单道工序的制造。添加剂3D打印为组件开发和施工过程提供了新的、更快的速度，大大缩短了以前的开发时间线。我们项目的成本结构也在发生显著变化。新的方法使轻质建筑得以进一步发展。它还带来了新的设计视角，这将在使用的不同几何图形中得到明显体现。
Emmelmann:由于我们在增材制造过程中不需要任何特殊的工具或夹具，我们可以直接从3D CAD数据生产组件。这一时间因素确保了在许多情况下，我们可以比传统制造工艺工作得更快。说到生产成本:如果将制造一个铣削组件的直接成本与使用激光增材制造制造相同组件的成本进行比较，通常会发现增材工艺的成本效益较低。然而，当组件由于新的设计可能性而被重新设计和改进时，例如使其更轻或具有更高的功能性能特征，已经有很多例子表明，使用增材制造工艺可以带来成本优势。
9.你认为将各种功能，比如冷却功能，整合到未来的组件中有什么机会?
赫尔佐格:激光熔化是功能集成和附加值的代名词。附加值体现在卓越的元器件质量上。近轮廓冷却在注塑工具结构中就是我们在过去十年中开始的一种应用。在航空领域，这些冷却元件可用于电子系统或液压元件。在飞机设计方面，未来的部件可以在战略上适应力矢量。
Emmelmann:激光增材制造的主要优势之一是将整个组件作为单个部件生产，并将附加功能集成到一个组件中。因此，激光增材制造的重要性将继续增加，特别是在我们利用几何自由设计和功能集成能力的领域。然而，这种设计自由所带来的选择应该在设计过程的早期就考虑到，以便将其与传统的生产策略区分开来。目前，由于工程师和生产专家对这一生产过程的能力缺乏了解，设计和开发往往会失败。
10.飞机制造的特点是生命周期长，批次规模相对较小。这对增材制造策略有什么影响?
Emmelmann:飞机制造中涉及的相对较小的单位数量有利于激光增材制造技术。与其他生产方法不同，增材制造工艺不允许我们利用任何规模经济。具体来说，这意味着单位成本只会随着产量的增加而发生非常微小的变化。相反，传统的生产方法，如压力铸造，在生产大单位数量时更具有成本效益。
赫尔佐格:我同意。批量方面，以及安全考虑和耐用性构成了飞机制造的特殊要求。激光熔炼的优势还在于:不需要工具，按需生产，快速，高性价比，高质量。
砂光机:让我们考虑两个方面，一是质量，这是通过内联工艺监控来保证的，二是几何自由度，这是通过能够摆脱构成零件轮廓的辅助来实现的;这使得使用3D打印金属制造的飞机部件更好、更轻、更容易获得，最重要的是，更安全——更不用说成本优势了。
11.使用增材制造技术生产的哪些部件在未来十年的飞机制造业中可以想象得到?
砂光机:如果以类似的方式继续发展，我认为没有技术限制。最终的决定将基于成本效益和金属粉末和高速机器的工业可用性。
Emmelmann:即使在10年内，我们也无法打印出完整的飞机。但我有信心，在未来，激光增材制造将能够以低成本的方式生产越来越大、越来越复杂的部件。这将成为可能，因为系统技术正在以快速的速度进一步发展，以及与这些进步相关的生产率的提高。我看到了巨大的潜力，特别是对于尺寸高达1米的结构部件，以及发动机部件。
概念激光
concept-laser.de
了下:航空+国防,3D打印•增材制造•立体光刻,法兰•支撑•支架•支架,快速原型
