美國飛機巨頭波音的3D打印之路

作為在3D打印領域發(fā)揮主導作用的制造商，波音公司不僅僅是推動3D打印技術與應用端深度結合的踐行者，還對增材制造如何在制造價值鏈中發(fā)揮作用具備自己的關鍵洞察力。

與洛克希德·馬�。↙ockheed Martin）同為聯(lián)邦政府的兩大承包商，波音公司在2015年獲得了超過160億美元的訂單。在這些訂單的執(zhí)行過程中，3D打印正在扮演越來越重要的角色。2017年8月，波音宣布已經組建了新的波音增材制造（BAM）業(yè)務單元，以簡化和加速增材制造在整個波音企業(yè)內的應用，這也意味著3D打印的重要性提到正式議程。

在2003年，波音就通過美國空軍研究實驗室來驗證一個3D打印的金屬零件，這個零件是用于F-15戰(zhàn)斗機上的備品備件。當需要更換部件時，3D打印的作用顯現出來，因為通過傳統(tǒng)加工的時間太長了，并且通過3D打印加工鈦合金，替代了原先的鋁鍛件，而鈦合金的抗腐蝕疲勞更高，反而更加滿足這個零部件所需要達到的性能。（腐蝕疲勞是在腐蝕介質與循環(huán)應力的聯(lián)合作用下產生的。這種由于腐蝕介質而引起的抗腐蝕疲勞性能的降低，稱為腐蝕疲勞。）

波音企業(yè)技術戰(zhàn)略總監(jiān)Leo Christodoulou，當時這個零件是通過激光能量沉積的工藝加工金屬粉末來獲得的，這種定向能量沉積（DED）的工藝被首次應用到軍事飛機上。同時也打開了波音公司的3D打印應用之路。近14年后，波音公司現在已有超過50,000件3D打印的各種類型的飛機零件。

波音公司開始通過DED技術為其787夢幻客機生產結構部件。通過Norsk Titanium的快速等離子沉積技術，在結構件研發(fā)的過程中，雙方共同改進工藝，并進行了一系列嚴格的測試，最終在2017年2月獲得了首個3D打印鈦合金結構件的FAA認證。

波音和Norsk Titanium最初的合作是自2016年開始的，當初是試探性地合作，主要基于Norsk生產的零件是否能滿足波音的要求，然后是否符合聯(lián)邦航空管理局（FAA）的要求。Norsk Titanium先后滿足了這些嚴苛的條件，這些公司預計今年將獲得額外的FAA批準的物料和制造流程。

Norsk Titanium的快速等離子沉積技術屬于DED工藝，雖然與粉末床選擇性金屬熔化工藝不同的是，這種工藝并不適合加工十分復雜的幾何形狀，但是通過3D打印近凈形部件，然后再通過機加工將其加工到最終所需要的精度，可以縮短加工周期，減少材料浪費并降低成本。

根據Christodoulou，有些技術比DED工藝提供更好的復雜性，但DED工藝卻提供了另外一種價值。尤其是加工例如鈦合金這種昂貴的材料，所節(jié)約的材料的價值是顯而易見的。

波音選擇使用快速等離子沉積™3D打印技術進行鈦合金結構件的近凈成形制造，該工藝了替代鍛造等傳統(tǒng)制造工藝。Norsk Titanium公司表示通過快速等離子沉積™技術3D打印鈦合金結構件，將最終為每架Dreamliner飛機節(jié)省200萬美元-300萬美元的成本。

根據Christodoulou的說法，DED可能是波音公司為生產終端而首先采用的技術之一，不過顯然3D打印是一系列不同的制造技術的組合，包括塑料的3D打印，復合材料，金屬和陶瓷等不同材料的打印工藝，都各具特色，并且為工藝鏈創(chuàng)造獨特的價值。

在波音公司的3D打印”工具箱”中，有一項技術是Stratasys的FDM技術。Stratasys的Infintely build 3D打印系統(tǒng)是Stratasys推出的大尺寸塑料零部件3D打印設備，打印的零件高度達0.76米（30英寸），寬度達1米（40英寸），Infinite-Build系統(tǒng)能自動檢測出材料的剩余量，材料耗盡之后由機械臂自動更換材料罐，從而實現不間斷的無人操作。

打印大型的塑料零件還有BAAM技術，去年，波音和橡樹嶺國家實驗室（ORNL）贏得了吉尼斯世界紀錄，他們合作3D打印了飛機機翼的夾具，這個夾具用于固定777X復合翼面以進行鉆孔和加工。

不過雖然飛機零件制造商對嘗試一種新的技術保持開放的心態(tài)，但要進入到生產體系是需要經過嚴格的驗證的，波音公司不僅僅使用新的3D打印技術，以創(chuàng)造出新穎性的零件。根據Christodoulou的說法，每個技術和零件都需要經過嚴格的質量控制過程。

“一些技術比其他技術更成熟，所以它比其他技術更有可能滿足波音的要求，”根據Christodoulou，“波音有充分的開放心態(tài)來捕捉新技術的好處，但落實到生產領域的實施必須是基于使用穩(wěn)定的技術和反復驗證的可靠性。”

Christodoulou表示，波音公司擁有非常嚴格的過程規(guī)范，以便在獲得一致的零件生產能力。一旦在多臺機器和全球各地的多個安裝中的過程中證明了穩(wěn)定性，波音就會開發(fā)一個數據庫來記錄零件的產品生命周期數據。這使得波音公司能夠擁有使用特定過程制造的特定零件的全部數據。

這不僅適用于制造工藝與流程，而且對于材料也是如此。最新的材料之一是波音公司正在試驗由Oxford Performance Materials（OPM）-牛津性能材料開發(fā)的一種激光燒結OXPEKK。波音公司將為波音船員太空運輸（CST）-100 Starliner航天器提供600多個零件。Starliner航天器最多可以攜帶七位乘客，也作為船員和貨物到達如國際空間站等低地軌道的交通工具。

與其他采用增材制造技術的航空航天公司不同，波音公司并不完全依賴內部生產，Christodoulou指出，波音企圖在內部工作和利用其供應鏈之間取得平衡。

根據Christodoulou，“65％的工作是由波音的供應商在波音之外完成的。但是波音必須在內部活動和供應鏈之間取得平衡。在很多情況下，波音的價值主張是與外部的供應基地合作，利用他們的專長和資本投入。例如，Norsk對其技術進行了大量資本投資，波音不一定要復制。而是寧愿和他們合作。波音重視并欣賞供應商的貢獻�！�

來源：3D科學谷
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