從23個部件到一體成型：Vocus與Materialise瑪瑞斯攜手因科鎳合金與增材制造推動航空航天

魔猴君  科技前沿   1小時前

當航空部件屢屢出現(xiàn)故障，金屬3D打印技術攜手特種材料，交出了一份令人矚目的答卷。Vocus與獲得生產(chǎn)組織批準（POA）的Materialise合作，通過重新設計一款問題頻發(fā)的消音器連接器，不僅成功獲得歐洲航空安全局（EASA）認證，更將產(chǎn)品使用壽命提升至原始部件的十倍以上，為航空領域的高價值零部件修復與升級提供了全新范式。

痛點凸顯：傳統(tǒng)制造工藝難以滿足高性能需求

該連接器用于Ventus和Arcus M等雙座動力滑翔機，位于發(fā)動機與排氣系統(tǒng)之間，負責降噪并承受持續(xù)的熱應力與動態(tài)應力。原始部件采用傳統(tǒng)工藝制造，由23個零件焊接而成，存在熱膨脹控制難、密封性不足、生產(chǎn)一致性差等問題，導致壽命短、交付周期長、成本居高不下。

Vocus項目負責人Stefan Gorkenant指出：“傳統(tǒng)制造工藝極為復雜，涉及多零件、多工序，難以全面管控。我們堅信，通過增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)精度與可追溯性的跨越，從單件生產(chǎn)開始就打造出高精度、長壽命的部件。”

技術破局：從逆向工程到一體化金屬打印

2020年，Vocus攜手具備EASA 21.G認證的Materialise啟動了這一具有行業(yè)開創(chuàng)性的項目。團隊首先通過高分辨率3D CT掃描獲取原始部件的完整幾何與內(nèi)部結構，在此基礎上建立精準的CAD模型，并針對功能性與可制造性進行深度優(yōu)化。關鍵突破在于將原先23個零件的焊接結構重新設計為一體化打印方案，從根本上消除了原設計的結構弱點。團隊先后通過塑料原型驗證與316L不銹鋼原型測試，最終選定因科鎳合金（Inconel）作為成型材料，其低反應性能夠有效抵抗航空汽油中硫成分所導致的腐蝕問題。

團隊利用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建了精確的CAD模型。隨后開始優(yōu)化設計以改進功能性和可制造性，例如減少銳邊和剛度突變。這也是他們將先前焊接部件進行一體化設計的機會——Vocus將把他們的模型作為一個整體打印，而不是23個零件，從而消除原始設計的弱點。

接下來是測試階段。團隊首先3D打印了一個塑料模型，以確保符合性、尺寸精度和匹配度，并利用這些發(fā)現(xiàn)進一步改進設計。他們優(yōu)化了負載半徑，加強了高應力區(qū)域，從低應力區(qū)域去除不必要的材料以減輕重量，并進行了拓撲優(yōu)化以充分利用增材制造工藝的優(yōu)勢。

現(xiàn)在，它已準備好進行真正的測試：金屬3D打印。

我們最初用316L不銹鋼打印了原型，但發(fā)現(xiàn)它們在原始部件相同的區(qū)域斷裂了，這是因為發(fā)動機使用航空汽油運行，其中含有高濃度的硫——硫、鋼和水會產(chǎn)生硫酸，導致了嚴重的磨損。我們決定改用因科鎳合金，因為它的反應性要低得多。

——Vocus項目負責人Stefan Gorkenant

Materialise瑪瑞斯的認證生產(chǎn)過程

因科鎳合金部件的生產(chǎn)在Materialise進行，遵循ISO 9001和EN 9100標準，確保了過程的質(zhì)量和控制。這也使Vocus能夠使用Materialise的生產(chǎn)軟件：團隊結合使用Materialise Magics和EOS Build Processor軟件進行3D打印過程的數(shù)字化準備。在此過程中，所有步驟都確保從創(chuàng)建到交付的文件記錄無縫銜接。

拿到第一批六個連接器后，團隊進行了嚴格的地面和飛行負載測試，旨在驗證結構完整性和韌性。這些組件很快證明了其價值，滿足了所有必需的安全和性能標準。剩下的就是尋求EASA的批準。

"結果表明其生命周期至少是原始部件的十倍，而且這個數(shù)字還在不斷增加。"

長效、具備飛行資質(zhì)的部件及EASA STC批準

毋庸置疑，新版本的連接器達到了預期。一體打印帶來了負載平衡的大幅改善，而因科鎳合金的固有特性使其能夠輕松應對熱應力——最高可達華氏650度（攝氏343度），每次持續(xù)20秒。結果表明其生命周期至少是原始部件的十倍，而且這個數(shù)字還在不斷增加。

毫不意外，它迅速通過了EASA的批準流程。Vocus獲得了所需的STC，可以生產(chǎn)和向航空公司提供該連接器，并實現(xiàn)了其目標：一個通過金屬3D打印生產(chǎn)的、經(jīng)過認證的、具備飛行資質(zhì)的第二類部件。

雖然這個過程在技術上具有挑戰(zhàn)性，但我們知道它絕對可行，得益于與Materialise團隊的出色合作，我們實現(xiàn)了一個功能完善、可認證的解決方案，現(xiàn)已成功投入運營使用。"

很難想象這個過程始于2020年，Materialise在整個項目中給予了我們非常大的支持。EASA在認證過程中也是如此?，F(xiàn)在我們成功了。我們手中握有STC，我相信這是世界上獨一無二的流程。

——Vocus項目負責人Stefan Gorkenant

增材制造在航空領域的光明未來

雖然焦點大多集中在過程、材料以及將它們整合在一起的EASA批準上，但該項目成功的一個主要因素遠在Vocus聯(lián)系Materialise之前就已存在：應用識別。"重要的是要認識到，并非每個部件都注定適合AM——有時傳統(tǒng)方法更合適，"Stefan解釋說。"我們（對這個項目）的最初動機是，我們發(fā)現(xiàn)了一個我們知道適合AM的部件。我們希望與EASA接洽，了解認證此類部件背后的流程，因為我們確信還有更多部件可以從這種改變中受益。"

在被追問細節(jié)時，Stefan進一步表示，主要驅(qū)動因素之一是數(shù)量。汽車制造商可能一次需要數(shù)千或數(shù)百萬個零件，但在航空領域很少出現(xiàn)這種情況。"對于這個零件，我們每年大約需要100件——AM是理想的選擇。在航空領域，有許多零件你每年需要的數(shù)量不超過1000件，這使得它成為該行業(yè)一種非常有趣的生產(chǎn)方法。"

編譯整理：南極熊