详解空客A350 XWB上首个3D打印的钛部件
金属激光熔融技术在飞机制造业中的地位日益重要。更短的交付周期、更合适的部件和前所未有的成型自由度，这些都是选择这一技术的重要依据。如今，该技术在飞机“轻量化结构”和“仿生学”方面的突出表现，让这一趋势更加显而易见：金属激光增材制造技术正在改变我们的设计思维。在未来的飞机设计中，部件将能够有针对性地吸收力线，同时又符合轻量化要求。耐久、节约资源、改善成本结构，从而鱼和熊掌可以兼得。
Concept Laser 有限公司创始人兼首席执行官Frank Herzog先生、汉堡空客新兴技术与概念负责人Peter Sander先生和汉堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席执行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）共同参与了空客 A350 XWB 采用的连接件，即所谓的托架3D金属打印项目的研发和生产。以前，该部件由铝（Al）材铣削加工而成。现在，它则可以用钛（Ti）材料打印而成，减重幅度大于 30%。
空客 A350 XWB 的连接件采用3D打印的生产方式，在2014年入围了“2014 年德国经济创新奖”的最终评选。评审团的评定意见：这种跨行业的开发形式，彻底改变了飞机构件的制造方式和民用飞机的“轻量化”途径；2015年12月2日，参与该项目的三位成员在德国柏林举办的“2015德国未来奖”中，又被共同授予“最佳团队”的荣誉称号，并接受了由德国总统亲自颁发的荣誉证书。
图1：空客 A350 XWB 采用的连接件，即所谓的托架，入围了“2014 年德国经济创新奖”的终选。该部件采用钛（Ti）材料，运用金属激光熔融技术（LaserCUSING）打印而成。
图2：Concept Laser 有限公司创始人兼首席执行官Frank Herzog先生（右一）、汉堡空客新兴技术与概念负责人Peter Sander先生（左一）和汉堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席执行官Claus Emmelmann 教授（左二）于2015年12月2日，在德国柏林举办的“2015德国未来奖”中，又被共同授予“最佳团队”的荣誉称号，并接受了由德国总统Joachim Gauck（右二）亲自颁发的荣誉证书。
新的飞机构件设计方法
支持在飞机制造业中采用金属激光熔融技术的论点是，自由成型和减重。其中“轻量化”特点可有效帮助航空公司在飞机运营中取得更为经济的效果。固定元件（托架）所能取得的减重效果，将有助于实现更低的燃料消耗，或者提升飞机的装载能力。设计新的飞机时，需要用到成千上万个小量制造的 FTI（飞行测试安装）托架。金属增材制造（Layer Manufacturing）方法不仅可以帮助设计人员快速生产出新的设计结构，而且生产出的部件重量要比常规的铸造件或者铣削件轻 30% 以上。此外，金属激光增材制造工艺直接以 CAD 数据作为基础，省略了模具，降低了成本，让部件可以更快的速度投入使用，最多可节省 75% 的时间。同时，利用该工艺无模具的特点，在早期即可制造出具有接近量产部件特性的原型件，极大节省模具成本。基于此，采用金属激光增材制造技术在设计早期就可发现错误原因并优化项目流程。汉堡空客新兴技术与概念负责人Peter Sander先生介绍说：“以前，进行部件开发时，我们需要安排大约六个月的时间，现在只需要一个月。”
“绿色技术”节约资源
飞机零件在铣削过程中会产生高达 95% 的可回收废料。而采用激光熔融技术，操作者不仅可得到“接近最终轮廓的部件”，且废料只有约 5%。“在飞机制造业中，我们将其称为‘成品原料比’（buy to fly ratio），90% 在这里是一个了不起的数值。在对能量效率进行衡量时，这一数值当然也体现出积极的一面。”汉堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席执行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）说。尤其是应用在像钛这样的高级且昂贵的飞机制造材料上时，这种方法更具吸引力。无模具的制造方法节约了时间，改善了成本结构，有针对性的能源投入和节约资源是激光熔融技术的一大特点。位于德国利希滕费尔斯地区的Concept Laser 有限公司首席执行官 Frank Herzog先生认为：“LaserCUSING 是一项‘绿色技术’，可改善制造过程中的生态足迹。”
飞机制造是变革的动力
一般来说，在小量乃至中等数量的生产中，激光熔融技术总能带来有利的制造成本效应。Peter Sander先生介绍：“在飞机制造过程中，若要实现规模效应，每一批次产品生产规模的大小比大批量生产更为重要。”而采用激光熔融技术无需高额的铸模投资成本和模具成本。此外，激光增材制造方法还可提供比常规制造方法更高的造型自由度。像制作凹槽和内部的通道，例如冷却通道。在航空工业中，飞机制造商已经在考虑用该工艺生产电子设备的冷却元件和智能的液压部件。Emmelmann 教授（工程博士）说：“我觉得这种技术尤其对一米以下的构件，以及推进装置区域的部件来说具有巨大潜力。”虽然在未来，人们可能穷尽物理的边界，创造出更加能够提升部件尺寸的接合方法。但激光熔融技术首次将前所未有的几何形状与功能性联系在一起，依然成为目前最吸人眼球的技术。该技术可以让部件内的能量通量在 CAD 设计阶段就能够非常精确地确定。总的来说，利用激光熔融技术能够开发出的安全性部件，比今天的部件更好、更轻且寿命更长。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强度，虽然延展性较低，但经过正确的热处理之后，还是可将其重新提升。”
备件供应 2.0：及时、分散且“按需供应”
“创成式航空”的另一个关联应用是在备件领域：未来将可分散地、“根据需求”贴近应用地制造备件，而且还无需模具。在部件出现故障的情况下，可以直接现场制造备件。因此，分散式的制造网络将可能兴起，使得全球性战略和地区性战略能够成为现实。这样可以最大化地缩小运输距离，更重要的是可以缩短供应时间。 其结果是，维护造成的飞机停运时间和检查时间将缩短。对于现在因为飞机寿命周期长，而不可避免地建设大型备件仓库储备那些极少使用的零件的现状，在未来将可以缓解，这些仓库的规模可明显缩小。不仅减少了资金占用，提高了操作灵活性，更重要的是让安全性部件更快地投入使用。在航空业都面临成本压力的情况下，这具有极大的吸引力。
部件设计或者产品设计中的仿生学
采用金属激光熔融技术可制造出极为精细的结构，甚至是骨状的，也就是多孔的结构。“因此，未来的飞机部件将是‘仿生’的。”Emmelmann 教授（工程博士）估计。自然界在数百万年间优化发展了各种功能原理和轻量化原理，巧妙地将资源投入最小化，这些都是值得效仿的。空客公司目前正在有组织地对这些自然解决方案的适用性进行分析。通过“智能曝光策略”，可以有针对性地往部件投射激光，让其结构、强度和表面质量达到要求。Peter Sander先生介绍说：在考虑了所有相关安全要求的情况下，首批原型体现出了仿生法的巨大潜力。这种方法可能会带来设计和制造方面的某种思想转变。”
疲劳强度作为特性参数
“目前的技术极限是因表面质量的妥协而产生的，但该质量仍然与铸造部件的表面质量具有可比性。”Emmelmann 教授（工程博士）说。这会导致材料的疲劳强度严重下降，例如钛。而它恰恰是飞机结构中高负荷构件的关键特性参数。在这里，人们必须考虑飞机在极长的寿命周期中（＞30 年）要承受的高负荷。但是，通过下游的表面处理，例如微喷砂，以及经过正确的热处理之后，疲劳强度将显著提高。Emmelmann 教授（工程博士）说：“最终结果是，达到了轧制材料的疲劳强度值。”
质量是重要的参数
对于飞机制造商来说，部件制造阶段的质量控制是最重要的工业化模块之一。Peter Sander先生介绍：“带有Concept Laser 公司QMmeltpool 质量管理模块的内嵌过程监控（Inline Process Monitoring）系统，可以在一个 1x1 mm2 的极小面积上通过摄像头和光电二极管进行监控，并将这个过程记录下来。”在部件制造过程中，诸如 QMmeltpool、QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser 这样的质量管理模块是主要的主动质保工具。它们对激光功率、熔池、金属粉末的层结构进行测量，并且不间断监控以及记录整个制作过程。质量管理模块的另一个特征是，在封闭系统中工作，以保证监控过程无尘、无污染。这样可消除对过程可能产生负面影响的所有干扰因素。Frank Herzog先生对此说道：“今天，我们可以说这是一种受控、具有重复精度和过程稳定的制造方法。”Emmelmann 教授（工程博士）强调：“质量管理模块让我们能够监控并记录重要的数据，例如激光参数、熔池特性以及保护气体的成分。污染导致的干扰变量可以减弱。在最新的一个研究项目中，我们正在开发自己的质保方案，光学相干断层扫描是其基础之一。”
图3：带有Concept Laser 公司QMmeltpool 质量管理模块的内嵌过程监控（Inline Process Monitoring）系统，可以在一个 1x1 mm2 的极小面积上通过摄像头和光电二极管进行监控，并将这个过程记录下来。
背景知识：
飞机要承受的干扰变量或者负荷
如果客机在长达 30 多年的寿命周期内一直处于运行状态。飞机在运行中要面临各种各样且极其复杂的负荷。例如，除了基本的静态负荷之外，飞机还要承受地面运行和飞行之间的极端温度波动。关键的是持续性负荷，它们对所涉部件的要求最高，如飞机的起降，持续的在涡流中飞行等情况，其中在涡流中飞行可导致翼尖产生数米的弯曲。但是，在设计固定构件（托架）的时候，首先要考虑的只是静态负荷。
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