當(dāng)航空部件屢屢出現(xiàn)故障，金屬3D打印技術(shù)攜手特種材料，交出了一份令人矚目的答卷。Vocus與獲得生產(chǎn)組織批準(zhǔn)（POA）的Materialise合作，通過(guò)重新設(shè)計(jì)一款問(wèn)題頻發(fā)的消音器連接器，不僅成功獲得歐洲航空安全局（EASA）認(rèn)證，更將產(chǎn)品使用壽命提升至原始部件的十倍以上，為航空領(lǐng)域的高價(jià)值零部件修復(fù)與升級(jí)提供了全新范式。

痛點(diǎn)凸顯：傳統(tǒng)制造工藝難以滿足高性能需求

該連接器用于Ventus和Arcus M等雙座動(dòng)力滑翔機(jī)，位于發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)之間，負(fù)責(zé)降噪并承受持續(xù)的熱應(yīng)力與動(dòng)態(tài)應(yīng)力。原始部件采用傳統(tǒng)工藝制造，由23個(gè)零件焊接而成，存在熱膨脹控制難、密封性不足、生產(chǎn)一致性差等問(wèn)題，導(dǎo)致壽命短、交付周期長(zhǎng)、成本居高不下。

Vocus項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Stefan Gorkenant指出：“傳統(tǒng)制造工藝極為復(fù)雜，涉及多零件、多工序，難以全面管控。我們堅(jiān)信，通過(guò)增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)精度與可追溯性的跨越，從單件生產(chǎn)開始就打造出高精度、長(zhǎng)壽命的部件。”

技術(shù)破局：從逆向工程到一體化金屬打印

2020年，Vocus攜手具備EASA 21.G認(rèn)證的Materialise啟動(dòng)了這一具有行業(yè)開創(chuàng)性的項(xiàng)目。團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)高分辨率3D CT掃描獲取原始部件的完整幾何與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上建立精準(zhǔn)的CAD模型，并針對(duì)功能性與可制造性進(jìn)行深度優(yōu)化。關(guān)鍵突破在于將原先23個(gè)零件的焊接結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)為一體化打印方案，從根本上消除了原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)先后通過(guò)塑料原型驗(yàn)證與316L不銹鋼原型測(cè)試，最終選定因科鎳合金（Inconel）作為成型材料，其低反應(yīng)性能夠有效抵抗航空汽油中硫成分所導(dǎo)致的腐蝕問(wèn)題。

團(tuán)隊(duì)利用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建了精確的CAD模型。隨后開始優(yōu)化設(shè)計(jì)以改進(jìn)功能性和可制造性，例如減少銳邊和剛度突變。這也是他們將先前焊接部件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)——Vocus將把他們的模型作為一個(gè)整體打印，而不是23個(gè)零件，從而消除原始設(shè)計(jì)的弱點(diǎn)。

接下來(lái)是測(cè)試階段。團(tuán)隊(duì)首先3D打印了一個(gè)塑料模型，以確保符合性、尺寸精度和匹配度，并利用這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。他們優(yōu)化了負(fù)載半徑，加強(qiáng)了高應(yīng)力區(qū)域，從低應(yīng)力區(qū)域去除不必要的材料以減輕重量，并進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化以充分利用增材制造工藝的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在，它已準(zhǔn)備好進(jìn)行真正的測(cè)試：金屬3D打印。

我們最初用316L不銹鋼打印了原型，但發(fā)現(xiàn)它們?cè)谠疾考嗤膮^(qū)域斷裂了，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)使用航空汽油運(yùn)行，其中含有高濃度的硫——硫、鋼和水會(huì)產(chǎn)生硫酸，導(dǎo)致了嚴(yán)重的磨損。我們決定改用因科鎳合金，因?yàn)樗姆磻?yīng)性要低得多。

——Vocus項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Stefan Gorkenant

Materialise瑪瑞斯的認(rèn)證生產(chǎn)過(guò)程

因科鎳合金部件的生產(chǎn)在Materialise進(jìn)行，遵循ISO 9001和EN 9100標(biāo)準(zhǔn)，確保了過(guò)程的質(zhì)量和控制。這也使Vocus能夠使用Materialise的生產(chǎn)軟件：團(tuán)隊(duì)結(jié)合使用Materialise Magics和EOS Build Processor軟件進(jìn)行3D打印過(guò)程的數(shù)字化準(zhǔn)備。在此過(guò)程中，所有步驟都確保從創(chuàng)建到交付的文件記錄無(wú)縫銜接。

拿到第一批六個(gè)連接器后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了嚴(yán)格的地面和飛行負(fù)載測(cè)試，旨在驗(yàn)證結(jié)構(gòu)完整性和韌性。這些組件很快證明了其價(jià)值，滿足了所有必需的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)。剩下的就是尋求EASA的批準(zhǔn)。

"結(jié)果表明其生命周期至少是原始部件的十倍，而且這個(gè)數(shù)字還在不斷增加。"

長(zhǎng)效、具備飛行資質(zhì)的部件及EASA STC批準(zhǔn)

毋庸置疑，新版本的連接器達(dá)到了預(yù)期。一體打印帶來(lái)了負(fù)載平衡的大幅改善，而因科鎳合金的固有特性使其能夠輕松應(yīng)對(duì)熱應(yīng)力——最高可達(dá)華氏650度（攝氏343度），每次持續(xù)20秒。結(jié)果表明其生命周期至少是原始部件的十倍，而且這個(gè)數(shù)字還在不斷增加。

毫不意外，它迅速通過(guò)了EASA的批準(zhǔn)流程。Vocus獲得了所需的STC，可以生產(chǎn)和向航空公司提供該連接器，并實(shí)現(xiàn)了其目標(biāo)：一個(gè)通過(guò)金屬3D打印生產(chǎn)的、經(jīng)過(guò)認(rèn)證的、具備飛行資質(zhì)的第二類部件。

雖然這個(gè)過(guò)程在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但我們知道它絕對(duì)可行，得益于與Materialise團(tuán)隊(duì)的出色合作，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能完善、可認(rèn)證的解決方案，現(xiàn)已成功投入運(yùn)營(yíng)使用。"

很難想象這個(gè)過(guò)程始于2020年，Materialise在整個(gè)項(xiàng)目中給予了我們非常大的支持。EASA在認(rèn)證過(guò)程中也是如此。現(xiàn)在我們成功了。我們手中握有STC，我相信這是世界上獨(dú)一無(wú)二的流程。

——Vocus項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Stefan Gorkenant

增材制造在航空領(lǐng)域的光明未來(lái)

雖然焦點(diǎn)大多集中在過(guò)程、材料以及將它們整合在一起的EASA批準(zhǔn)上，但該項(xiàng)目成功的一個(gè)主要因素遠(yuǎn)在Vocus聯(lián)系Materialise之前就已存在：應(yīng)用識(shí)別。"重要的是要認(rèn)識(shí)到，并非每個(gè)部件都注定適合AM——有時(shí)傳統(tǒng)方法更合適，"Stefan解釋說(shuō)。"我們（對(duì)這個(gè)項(xiàng)目）的最初動(dòng)機(jī)是，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)我們知道適合AM的部件。我們希望與EASA接洽，了解認(rèn)證此類部件背后的流程，因?yàn)槲覀兇_信還有更多部件可以從這種改變中受益。"

在被追問(wèn)細(xì)節(jié)時(shí)，Stefan進(jìn)一步表示，主要驅(qū)動(dòng)因素之一是數(shù)量。汽車制造商可能一次需要數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)個(gè)零件，但在航空領(lǐng)域很少出現(xiàn)這種情況。"對(duì)于這個(gè)零件，我們每年大約需要100件——AM是理想的選擇。在航空領(lǐng)域，有許多零件你每年需要的數(shù)量不超過(guò)1000件，這使得它成為該行業(yè)一種非常有趣的生產(chǎn)方法。"

編譯整理：南極熊