航空業(yè)顯然處于高質(zhì)量金屬3D打印應(yīng)用的最前沿，作為OFweek3D打印網(wǎng)的讀者，您可能已經(jīng)注意到，航空巨頭空中客車對于這項技術(shù)尤為感興趣。我們曾經(jīng)多次報道過，該公司已經(jīng)在飛機(jī)上使用了大量3D打印的小零件，而在本月早些時候，該公司甚至對一臺部分3D打印的飛機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)行了測試。然而，空客的野心并不止于此，他們還在嘗試將3D打印用于開發(fā)新的制造工藝。比如當(dāng)下，該公司就與歐特克（Autodesk）的The Living設(shè)計工作室合作，為其空客A320飛機(jī)開發(fā)了一個大尺寸的“仿生”機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)。據(jù)了解，這種結(jié)構(gòu)是用一種被稱為scalmalloy的新型超強(qiáng)、輕質(zhì)合金材料使用直接金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)3D打印而成的。
雖然如今在空客的飛機(jī)上3D打印的金屬零部件已不鮮見，但是這還是首次將金屬3D打印部件用于飛機(jī)機(jī)艙的設(shè)計。與現(xiàn)有的隔離結(jié)構(gòu)相比，這種新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)有幾個不同的部件組成，不僅強(qiáng)度更高，而且將其總量減輕了55磅。根據(jù)開發(fā)人員的計劃，它將用于分隔客艙后部的廚房區(qū)域（見下圖）。空客公司預(yù)計會在2016年初對這些仿生隔離結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，如果通過的話，它們會從明年開始被安裝在每一架新制造的空客A320飛機(jī)上。
歐特克的The Living設(shè)計工作室在這一開發(fā)過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。據(jù)工作室負(fù)責(zé)人David Benjamid透露，在開發(fā)時，該隔離結(jié)構(gòu)被分解成了一系列單獨的組件。“我們的目標(biāo)是要減少30%的重量，所以使用生成式設(shè)計（generative design）真的非常必要。我們有非常清晰的目標(biāo)和約束條件。該隔離結(jié)構(gòu)只能通過四個點連接到飛機(jī)機(jī)身上。我們還需要能夠滿足在必要時可以拆掉該隔離結(jié)構(gòu)，從而使擔(dān)架能夠進(jìn)入機(jī)艙。為此我們在設(shè)計中將仿生學(xué)與算法設(shè)計相結(jié)合。”他說。然而，最后的結(jié)果是將重量減輕了45%，為客艙設(shè)計創(chuàng)造了一個新的紀(jì)錄。空客估計，如果將同樣的方法應(yīng)用到整個客艙，每年可減少465,000公噸的C02排放量——相當(dāng)于96,000輛汽車從路上消失。
據(jù)了解，這個仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路實際上是將結(jié)點像蛛網(wǎng)那樣相互連接，使得材料的用量達(dá)到最小。更重要的是，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠保證如果有多個節(jié)點因受到?jīng)_擊而斷裂的話，其整體結(jié)構(gòu)還將保持在正確的地方。而且，一個獨立的隔離結(jié)構(gòu)總共需要122件3D打印的部件——它們需要7個批次進(jìn)行分別打印。研究人員還使用定制的算法為其設(shè)計出了蜂窩式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特別適合航空零件的高強(qiáng)度、低重量要求。
顯然，用于3D打印的材料也是此次提升結(jié)構(gòu)效率的關(guān)鍵。研究人員使用的是神秘的scalmalloy——這是由空客子公司APWorks開發(fā)的一種鋁-鎂-鈧合金，打印則使用的是直接金屬激光燒結(jié)3D打印機(jī)。空中客車公司創(chuàng)新經(jīng)理Bastian Schaefer說：“鈧（scalmalloy中的稀土添加劑）增強(qiáng)了scalmalloy的強(qiáng)度性能，使其具有非常高的強(qiáng)度。我們對它的斷裂條件進(jìn)行了測試，結(jié)果它的表現(xiàn)比其他任何當(dāng)前的合金材料要好，由于其出色的機(jī)械性能，它在斷裂之前還會有所延展。”
不過，這種材料唯一的缺點是3D打印速度太慢，但Bastian Schaefer補充說，改進(jìn)的3D打印機(jī)有可能解決這一問題。“生成速度是一個問題，但在接下來的三年里，我們相信它將變得更好。”他說。
空客公司進(jìn)一步透露，這種生成式設(shè)計，由于能夠充分利用云計算的無限計算能力，因此非常適合設(shè)計針對非常具體的目標(biāo)和約束條件的3D打印零部件。“生成式設(shè)計、增材制造和新材料的發(fā)展正在改變像空客這樣創(chuàng)新公司的制造形態(tài)。”歐特克公司首席技術(shù)官Jeff Kowalski說：“這不只是一個有趣的假設(shè)性實驗——這是一個全功能的組件，我們可以期望在不久的將來看到它被部署到飛機(jī)上。我們很期待能夠與空客公司進(jìn)一步合作，為其當(dāng)前和未來的飛機(jī)設(shè)計新的部件。”
