美聯(lián)航管理局（FAA）出臺(tái)增材制造路線圖
魔猴君 行業(yè)資訊 2555天前
FAA-美國聯(lián)邦航空管理局看來，增材制造技術(shù)正在快速發(fā)生進(jìn)化，并且在航空零件的再設(shè)計(jì)、維修和售后備品備件領(lǐng)域發(fā)揮著越來越積極的作用。
對(duì)金屬3D打印技術(shù)來說，很多OEM航空廠商都公開發(fā)布了他們的新型航空零件；對(duì)于熱塑性塑料3D打印零件來說已經(jīng)被多家航空制造商采用；行業(yè)的普遍看法是增材制造技術(shù)將在未來的5到10年被航空制造業(yè)廣泛采用。
美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）于9月底提交審查文件，制定了“增材制造戰(zhàn)略路線圖”草案，路線圖包含重要的監(jiān)管信息，涵蓋認(rèn)證、機(jī)器和維護(hù)、研究和開發(fā)的問題和考慮，以及對(duì)增材制造方面教育和培訓(xùn)的雙重努力需求。
近年來，F(xiàn)AA已經(jīng)看到并認(rèn)證了許多用于飛行中的金屬3D打印零部件。 最經(jīng)典的案例就是政府認(rèn)證通過了GE著名的LEAP引擎，內(nèi)置3D打印噴嘴。此外，還有更多的項(xiàng)目在申請(qǐng)中。包括2017年3月，阿克倫大學(xué)和機(jī)載維護(hù)和工程服務(wù)公司（AMES）正在尋求FAA批準(zhǔn)其基于增材制造的維護(hù)和修理系統(tǒng)。
在制定路線圖之前，F(xiàn)AA對(duì)增材制造當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，包括對(duì)可接受的關(guān)鍵制造參數(shù)的理解限制，對(duì)關(guān)鍵機(jī)械和材料缺陷的理解限制，工業(yè)數(shù)據(jù)庫的缺乏，無損檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)，缺乏工業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)等。
目前草擬的路線圖是在華盛頓特區(qū)的美國聯(lián)邦航空局總部完成的，路線圖綜合了多方面的貢獻(xiàn)，包括美國航空航天局(NASA），航空航天工業(yè)協(xié)會(huì)的增材制造工作組和美國軍隊(duì)，并且項(xiàng)目還得到了2018年政府預(yù)算的支持。
撰寫這樣一個(gè)綜合路線圖的主要挑戰(zhàn)之一是開出一個(gè)可以涵蓋所有新流程的系統(tǒng)。包括技術(shù)分類都是一個(gè)挑戰(zhàn)，工作組嘗試通過不同的角度來進(jìn)行分類，例如以原材料形狀來分類：粉末、線材、液體等，也可以通過加工中使用的能量來分類，激光、電子束、等離子弧等。
ISO和ASTM開發(fā)的增材制造開發(fā)框架
目前3D打印技術(shù)應(yīng)用最廣泛的一個(gè)分類是由ISO和ASTM開發(fā)的增材制造開發(fā)框架，特別是由ASTM F42增材制造項(xiàng)目描述的7類工藝。
2010年空客將GE生產(chǎn)的LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)作為A320neo飛機(jī)的選配，LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)中帶有3D打印的燃油噴嘴。2015年5月19日，A320neo飛機(jī)首飛成功。裝有LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的A320neo獲得歐洲航空安全局（EASA）的認(rèn)證和美國聯(lián)航空管理局(FAA)的認(rèn)證。
2017年10月初，GE航空宣布成功完成了T901-GE-900渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)原型的測(cè)試。這款發(fā)動(dòng)機(jī)屬于美國陸軍改進(jìn)型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目（Improved Turbine Engine Program,ITEP）的一部分。測(cè)試結(jié)果表明，GE T901發(fā)動(dòng)機(jī)的性能達(dá)到甚至超過ITEP項(xiàng)目的要求，已為發(fā)動(dòng)機(jī)的制造做好準(zhǔn)備。除了GE，還有很多公司活躍在FAA認(rèn)證的道路上。
傳統(tǒng)的飛機(jī)空氣管道是由玻璃纖維制成，用3D打印技術(shù)來完成面臨著一些挑戰(zhàn)。一是材料要滿足FAA要求;二是通風(fēng)管道要適應(yīng)新的飛機(jī)改裝的曲面的。ULTEM材料是一款設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境的熱塑性材料，因其FST評(píng)級(jí)、高強(qiáng)度重量比以及現(xiàn)有認(rèn)證，成為了航空航天、汽車與軍隊(duì)?wèi)?yīng)用產(chǎn)品的理想之選。ULTEM 9085材料具有自己燃燒一定的時(shí)間后就熄滅的特點(diǎn)，工程師能用它3D打印高級(jí)功能原型以及最終用途零件。
不僅僅是粉末床熔化3D打印技術(shù)，也不僅僅是塑料3D打印技術(shù)，航空行業(yè)大量用到鍛造零件，而3D打印在替代鍛造零件方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)。
2003年，波音就通過美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室來驗(yàn)證一個(gè)3D打印的金屬零件，這個(gè)零件是用于F-15戰(zhàn)斗機(jī)上的備品備件。當(dāng)需要更換部件時(shí)，3D打印的作用顯現(xiàn)出來，因?yàn)橥ㄟ^傳統(tǒng)加工的時(shí)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(gè)零部件所需要達(dá)到的性能。（腐蝕疲勞是在腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的。這種由于腐蝕介質(zhì)而引起的抗腐蝕疲勞性能的降低，稱為腐蝕疲勞。）當(dāng)時(shí)這個(gè)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(yīng)用到軍事飛機(jī)上。同時(shí)也打開了波音公司的3D打印應(yīng)用之路。近14年后，波音公司現(xiàn)在已有超過50,000件3D打印的各種類型的飛機(jī)零件。
波音公司開始通過DED技術(shù)為其787夢(mèng)幻客機(jī)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件。通過Norsk Titanium的快速等離子沉積技術(shù)，在結(jié)構(gòu)件研發(fā)的過程中，雙方共同改進(jìn)工藝，并進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的測(cè)試，最終在2017年2月獲得了首個(gè)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA認(rèn)證。
波音和Norsk Titanium最初的合作是自2016年開始的，當(dāng)初是試探性地合作，主要基于Norsk生產(chǎn)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(yán)苛的條件，Norsk Titanium的制造技術(shù)通過了FAA認(rèn)證，是波音公司的一級(jí)供應(yīng)商。
除了Norsk Titanium這樣喜獲FAA認(rèn)證的公司，還有很多技術(shù)正在申請(qǐng)F(tuán)AA的認(rèn)證，其中由阿克倫大學(xué)研究通過增材制造技術(shù)來修復(fù)金屬部件。在與飛機(jī)維修公司合作之后，該大學(xué)的NCERCAMP開發(fā)了一種超音速粒子沉積（SPD）技術(shù)，通過一種高壓噴射方法，壓縮空氣賦予超音速射流中的金屬顆粒足夠的能量沖擊固體表面，以實(shí)現(xiàn)與固體表面的粘結(jié)，而不會(huì)出現(xiàn)在焊接或高溫?zé)釃娡窟^程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)。如果獲得FAA認(rèn)證，阿克倫大學(xué)的SPD技術(shù)可以應(yīng)用于修理金屬飛機(jī)部件 。
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