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增材制造在航空航天工业中的市场趋势、制造优势、应用范围及研究现状

作为高附加值产品产业,航空航天工业一直对先进制造技术开发和采用具有强大推动力。随着航空业对节能减排、轻量化、可靠性和舒适性的要求越来越高,飞机制造需要越来越多的高性能材料和新设计。传统的制造工艺已经达到了满足要求的极限。

增材制造在航空航天工业中的市场趋势

增材制造的快速发展为满足这些行业需求提供了可能性,因为增材制造提供了独特的优势和可行性,可以克服几何形状、材料、性能和功能方面的限制。它为制造具有高精度复杂、复合和混合结构提供了前所未有的设计自由,这是传统制造路线无法实现的。增材制造的上述优势在航空、汽车、电子、医疗、军事、建筑等领域的广泛工业领域正在得到应用。全球增材制造市场规模从2013年的约30亿美元迅速增长,至2021年市场规模达到152.44亿美元。3D打印技术参考根据历年来的Wohlers报告,随着增材制造行业市场规模的不断扩大,增材制造技术在航空航天工业中的市场规模也迅速增长,在该领域所产生的市场价值所占整个增材制造市场规模的比例在2019-2021年分别为14.7%、15.9%和16.8%,到2021年,达到25.6亿美元。

增材制造在航空航天工业中的制造优势

由于以下优势对该行业的适用性,增材制造在航空航天工业中的应用是整个增材制造市场最重要的组成部分。

(1)几何设计和优化自由。增材制造能够将材料转换为自由形式的3D组件,例如复杂的外部形状和内部几何结构,还允许拓扑优化制造轻质组件,通过使用晶格结构,可实现同等甚至更高的机械性能。

(2)功能整合和零件整合。增材制造能够生产具有定制材料组成的集成多功能部件,如功能梯度材料。由增材制造工艺生产的功能性多材料燃烧室,通过将镍基高温合金沉积在铜合金表面,可以简化传统制造工艺,同时增强部件功能。此外,增材制造也可实现零件整合,在功能集成的同时提高了可靠性和性能。复杂的航空航天部件传统上由多个简单部件组装在一起,与激光增材制造整合部件相比,这可能会降低可靠性和几何精度,同时增加维护成本。3D打印技术参考曾经介绍,Launcher采用SLM技术制造了世界上最大的单体燃烧室,为小型卫星发射提供最低的推进剂消耗和发射成本,将多个部件合并为一个部件可以降低成本并实现高性能的再生冷却设计。此外,伯明翰大学的AMP实验室还研究了使用SLM技术将数千个发动机部件整合成几个部分的可行性。

(a) 铜-镍多材料燃烧室(b) SLM打印的Launcher E-2大型单体燃烧室,高 86 cm,喷嘴直径41 cm (c) 伯明翰大学AMP实验室SLM制造的引擎;(d) GE 3D打印的喷嘴和(e)燃烧器;(f)SLM技术生产的In718 喷嘴环

(3)材料和能源效率。在材料使用方面, SLM技术的材料浪费约为 5%,远低于传统减材制造,后者可产生高达95%的材料浪费。GE基于SLM技术设计和制造了燃料喷嘴,重量减轻了25%,并降低燃料消耗,成本效率提高了30%。GE采用激光增材制造的燃烧器和喷嘴环是典型的近净成形的节材案例,与传统的锻造钢锭加工相比,后者将浪费大部分材料。此外,使用激光增材制造实现飞机部件的轻量化是降低油耗的非常有效的措施。据报道,商用飞机每减轻一公斤重量,每年大约可节省价值约3000美元的燃料,并大量减少碳排放。

(4)定制和小批量生产。与传统制造工艺相比,激光增材制造的大批量生产成本往往更高。然而,考虑到模具制造、加工工具和库存的高投资成本,该工艺对于航空航天工业中常见的小批量定制零件更具成本效益。

(5)缩短制造周期。近净成形激光增材制造组件所需的加工时间较短,可以减少产品制造提前期。罗罗报告称,使用激光增材制造可以节省 30% 的生产时间,而波音公司声称零件数量的减少将使总安装时间减少50%。利勃海尔航空航天用增材制造部件取代了传统的主飞行高压液压阀块部件,重量减轻了35%,部件数量减少了10个,所需的制造时间减少了75%以上。

增材制造在航空航天工业的应用范围和研究现状
在上述优势的推动下,航空航天业一直在探索使用增材制造生产飞机零件,包括各种铰链、支架、内部组件、轻量化机身等,甚至发动机部件,如带有内部冷却通道的涡轮叶片、燃料喷嘴和压缩机以及集成管道系统。值得注意的是,航空发动机是飞机的心脏,也是现代工业皇冠上的明珠。

波音787飞机的GE CF6涡轮发动机中的材料分布

航空发动机使用最广泛的高价值材料主要包括钢、镍基高温合金和钛合金,对后两种材料,3D打印技术参考也曾进行过详细介绍,尽管增材制造学术界对这三种材料进行了广泛研究,但没有对增材制造高强度钢进行全面审查,也没有对钛合金和镍基高温合金的最新进展进行审查。例如,最近对镍基高温合金的评论仅集中在In718,新开发的镍基高温合金,如WSU 150和单晶高温合金还有重要的研究机会。尽管已有大量关于Ti6Al4V增材制造研究,但对于这种材料和其他钛合金的典型微观结构、静态力学性能和疲劳性能仍然缺乏更广泛和全面的总结。此外,激光增材制造钛合金中的一些最关键的问题,包括如何在打印态下实现高延展性以及等轴β和α结构的形成机制通常未被考虑。

飞机机身的主要材料:铝合金、钛合金、复合材料、高温合金

激光增材制造过程中复杂的激光-材料相互作用使得难以概括不同航空发动机材料的工艺参数-微观结构-机械性能之间的关系。深入了解不同航空发动机材料的这种关系,可以推动优质高价值航空发动机材料和先进尖端设备的开发。然而,现有的评论往往集中在这三种广泛使用的航空发动机材料中的一小部分。

因此,需要对这些特定高性能合金的激光增材制造进行严格和专门的审查,总结其进展,并确定研究机会和差距。对航空发动机材料,包括先进高强度钢、镍基高温合金、钛合金进行详细综述,绘制这三类航空发动机材料在加工窗口、强度-延性组合、疲劳性能、室温/高温性能等方面的材料性能属性图,将为研究人员提供关键航空发动机材料激光增材制造的完整最新信息,并鼓励在新型先进航空发动机材料激光增材制造方面进行更具启发性的科学研究,促进该技术在航空发动机行业的应用。

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