從波音公司應用案例看3D打印發展趨勢

3D打印快訊
2019
10/25
09:21
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來源:結構優化論壇

波音公司是世界上最大的民用與軍用飛機制造商,是全球航空航天業的翹楚。波音公司下設兩個業務部門:波音民用飛機集團和波音綜合防御系統集團,設計并制造旋翼飛機、民用和軍用飛機、電子和防御系統、導彈、衛星、發射裝置、以及先進的信息和通訊系統。波音公司是美國國家航空航天局的主要服務提供商,運營著航天飛機和國際空間站。

波音現有的主要民機產品包括707、717、737、747、767、777、787系列飛機和波音公務機。作為制造業的巨頭,波音公司對3D打印的青睞毋庸置疑。波音公司從1997年起就開始使用3D打印技術了,在10個不同的飛機制造平臺上已經3D打印了超過50000個金屬零部件,在最新的波音787“夢幻飛機”上有30個打印的零件。



金屬結構件
鈦是昂貴的材料,3D打印技術能夠實現鈦合金結構件的近凈成形制造,更為有效的控制鈦合金零部件制造成本。
波音787飛機部分鈦合金結構件由Norsk Titanium公司快速等離子沉積技術3D打印制造,替代鍛造等傳統制造工藝。

NorskTitanium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787飛機節省200萬美元-300萬美元的成本。
該3D打印鈦合金結構件進行了一系列嚴格的測試,最終在2017年2月獲得了首個FAA材料和生產工藝認證。標志著波音公司3D打印鈦合金結構件已經進入批量生產階段。

工裝夾具
波音公司和美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)2016年利用3D打印技術制作了一個工具:“trim-and-drill”,用于制造下一代波音 777X 客機的機翼。

這個工具創造了一個3D打印最大物件的世界紀錄:長達5.3米,重約759公斤。3D打印的“trim-and-drill”由碳纖維和ABS樹脂構成,制造時間為30個小時。
傳統的“trim-and-drill”工具一般為金屬制造,由第三方供應商提供,需耗時3個多月。在功能不變的前提下,3D打印的“trim-and-drill”節省了大量成本、人力和物力。未來波音公司將會在更多關鍵領域中應用 3D 打印技術。

間接3D打印
波音公司HRL實驗室利用3D打印技術研發了一種世界上最輕的金屬。
該金屬結構的99.99%都是空氣,固體結構只占0.01%,密度僅為0.9 g/L。空心管壁厚度僅100納米,比頭發細1000倍。

其制造方法為:通過UV光固化聚合物3D打印模板,然后使用化學電鍍的方法為模板鍍上一層超薄的鎳,再除掉聚合物模板材料,只留下空心的金屬結構。
該結構是一種由相互連接的空心管金屬點陣結構,特點是重量輕、高強度比和高特定剛性,并且帶來各種熱力學特征。

該材料的獨特的結構使得它可以從壓縮超過50%的比例中恢復過來,并且具有非常高的能量吸收能力。適合用在抗沖擊/爆炸系統、或者充當散熱介質、微波吸收結構和驅動系統中。

波音公司將使用這種超輕的3D打印材料用于飛機墻面和地板等非機械部件。這將使得飛機重量大大減輕,提高飛機的燃油效率。波音聲稱該結構可用于安全地吸收雞蛋從25層樓上落下來的沖擊力。

從波音公司的應用案例可以看到,3D打印的其中一個發展趨勢是高效率、低成本的制造技術。

比如Norsk Titanium公司快速等離子沉積技術,是一種絲材3D打印技術,生產效率比SLM制造系統快50-100倍。與現有的鍛造和機械加工相比,所需的鈦原料減少25%-75%。

從波音公司的應用案例還可以看到另一個發展趨勢是:3D打印用于制造生產工具或者間接利用3D打印技術。

3D打印不僅可以直接生產飛機結構件,也可以作為一種制造生產工具,解決飛機制造過程的難點痛點。這不失為一種擴大3D打印應用范圍的好思路。

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