•    空客 A350 XWB 的連接件入圍“2014 年德國經濟創新獎”終選
•    包括Concept Laser 有限公司創始人兼首席執行官Frank Herzog先生在內(nei) 的三位項目合夥(huo) 人在“2015德國未來獎”中，被共同授予“最佳團隊”的榮譽
•    增材製造技術正在飛機製造業(ye) 中普及
•    未來 3D 金屬打印可實現“仿生”飛機構造和輕量化結構

金屬激光熔融技術在飛機製造業(ye) 中的地位日益重要。更短的交付周期、更合適的部件和前所未有的成型自由度，這些都是選擇這一技術的重要依據。如今，該技術在飛機“輕量化結構”和“仿生學”方麵的突出表現，讓這一趨勢更加顯而易見：金屬激光增材製造技術正在改變我們(men) 的設計思維。在未來的飛機設計中，部件將能夠有針對性地吸收力線，同時又符合輕量化要求。耐久、節約資源、改善成本結構，從(cong) 而魚和熊掌可以兼得。

Concept Laser 有限公司創始人兼首席執行官Frank Herzog先生、漢堡空客新興(xing) 技術與(yu) 概念負責人Peter Sander先生和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）共同參與(yu) 了空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架3D金屬打印項目的研發和生產(chan) 。以前，該部件由鋁（Al）材銑削加工而成。現在，它則可以用鈦（Ti）材料打印而成，減重幅度大於(yu) 30%。

空客 A350 XWB 的連接件采用3D打印的生產(chan) 方式，在2014年入圍了“2014 年德國經濟創新獎”的最終評選。評審團的評定意見：這種跨行業(ye) 的開發形式，徹底改變了飛機構件的製造方式和民用飛機的“輕量化”途徑；2015年12月2日，參與(yu) 該項目的三位成員在德國柏林舉(ju) 辦的“2015德國未來獎”中，又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號，並接受了由德國總統親(qin) 自頒發的榮譽證書(shu) 。
  
圖1：空客 A350 XWB 采用的連接件，即所謂的托架，入圍了“2014 年德國經濟創新獎”的終選。該部件采用鈦（Ti）材料，運用金屬激光熔融技術（LaserCUSING）打印而成。[圖片來源：空客公司]

圖2：Concept Laser 有限公司創始人兼首席執行官Frank Herzog先生（右一）、漢堡空客新興(xing) 技術與(yu) 概念負責人Peter Sander先生（左一）和漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執行官Claus Emmelmann 教授（左二）於(yu) 2015年12月2日，在德國柏林舉(ju) 辦的“2015德國未來獎”中，又被共同授予“最佳團隊”的榮譽稱號，並接受了由德國總統Joachim Gauck（右二）親(qin) 自頒發的榮譽證書(shu) 。[圖片來源：Bildschoen Deutscher Zukunftspreis]
新的飛機構件設計方法

支持在飛機製造業(ye) 中采用金屬激光熔融技術的論點是，自由成型和減重。其中“輕量化”特點可有效幫助航空公司在飛機運營中取得更為(wei) 經濟的效果。固定元件（托架）所能取得的減重效果，將有助於(yu) 實現更低的燃料消耗，或者提升飛機的裝載能力。設計新的飛機時，需要用到成千上萬(wan) 個(ge) 小量製造的 FTI（飛行測試安裝）托架。金屬增材製造（Layer Manufacturing）方法不僅(jin) 可以幫助設計人員快速生產(chan) 出新的設計結構，而且生產(chan) 出的部件重量要比常規的鑄造件或者銑削件輕 30% 以上。此外，金屬激光增材製造工藝直接以 CAD 數據作為(wei) 基礎，省略了模具，降低了成本，讓部件可以更快的速度投入使用，最多可節省 75% 的時間。同時，利用該工藝無模具的特點，在早期即可製造出具有接近量產(chan) 部件特性的原型件，極大節省模具成本。基於(yu) 此，采用金屬激光增材製造技術在設計早期就可發現錯誤原因並優(you) 化項目流程。漢堡空客新興(xing) 技術與(yu) 概念負責人Peter Sander先生介紹說：“以前，進行部件開發時，我們(men) 需要安排大約六個(ge) 月的時間，現在隻需要一個(ge) 月。”

“綠色技術”節約資源
飛機零件在銑削過程中會(hui) 產(chan) 生高達 95% 的可回收廢料。而采用激光熔融技術，操作者不僅(jin) 可得到“接近最終輪廓的部件”，且廢料隻有約 5%。“在飛機製造業(ye) 中，我們(men) 將其稱為(wei) ‘成品原料比’（buy to fly ratio），90% 在這裏是一個(ge) 了不起的數值。在對能量效率進行衡量時，這一數值當然也體(ti) 現出積極的一麵。”漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席執行官Claus Emmelmann 教授（工程博士）說。尤其是應用在像鈦這樣的高級且昂貴的飛機製造材料上時，這種方法更具吸引力。無模具的製造方法節約了時間，改善了成本結構，有針對性的能源投入和節約資源是激光熔融技術的一大特點。位於(yu) 德國利希滕費爾斯地區的Concept Laser 有限公司首席執行官 Frank Herzog先生認為(wei) ：“LaserCUSING 是一項‘綠色技術’，可改善製造過程中的生態足跡。”

飛機製造是變革的動力
一般來說，在小量乃至中等數量的生產(chan) 中，激光熔融技術總能帶來有利的製造成本效應。Peter Sander先生介紹：“在飛機製造過程中，若要實現規模效應，每一批次產(chan) 品生產(chan) 規模的大小比大批量生產(chan) 更為(wei) 重要。”而采用激光熔融技術無需高額的鑄模投資成本和模具成本。此外，激光增材製造方法還可提供比常規製造方法更高的造型自由度。像製作凹槽和內(nei) 部的通道，例如冷卻通道。在航空工業(ye) 中，飛機製造商已經在考慮用該工藝生產(chan) 電子設備的冷卻元件和智能的液壓部件。

Emmelmann 教授（工程博士）說：“我覺得這種技術尤其對一米以下的構件，以及推進裝置區域的部件來說具有巨大潛力。”雖然在未來，人們(men) 可能窮盡物理的邊界，創造出更加能夠提升部件尺寸的接合方法。但激光熔融技術首次將前所未有的幾何形狀與(yu) 功能性聯係在一起，依然成為(wei) 目前最吸人眼球的技術。該技術可以讓部件內(nei) 的能量通量在 CAD 設計階段就能夠非常精確地確定。總的來說，利用激光熔融技術能夠開發出的安全性部件，比今天的部件更好、更輕且壽命更長。此外，材料特性稍有不同，Emmelmann 教授（工程博士）表示：“激光增材製造的材料具有更高的強度，雖然延展性較低，但經過正確的熱處理之後，還是可將其重新提升。”

備件供應 2.0：及時、分散且“按需供應”
“創成式航空”的另一個(ge) 關(guan) 聯應用是在備件領域：未來將可分散地、“根據需求”貼近應用地製造備件，而且還無需模具。在部件出現故障的情況下，可以直接現場製造備件。因此，分散式的製造網絡將可能興(xing) 起，使得全球性戰略和地區性戰略能夠成為(wei) 現實。這樣可以最大化地縮小運輸距離，更重要的是可以縮短供應時間。 其結果是，維護造成的飛機停運時間和檢查時間將縮短。對於(yu) 現在因為(wei) 飛機壽命周期長，而不可避免地建設大型備件倉(cang) 庫儲(chu) 備那些極少使用的零件的現狀，在未來將可以緩解，這些倉(cang) 庫的規模可明顯縮小。不僅(jin) 減少了資金占用，提高了操作靈活性，更重要的是讓安全性部件更快地投入使用。在航空業(ye) 都麵臨(lin) 成本壓力的情況下，這具有極大的吸引力。

部件設計或者產(chan) 品設計中的仿生學
采用金屬激光熔融技術可製造出極為(wei) 精細的結構，甚至是骨狀的，也就是多孔的結構。“因此，未來的飛機部件將是‘仿生’的。”Emmelmann 教授（工程博士）估計。自然界在數百萬(wan) 年間優(you) 化發展了各種功能原理和輕量化原理，巧妙地將資源投入最小化，這些都是值得效仿的。空客公司目前正在有組織地對這些自然解決(jue) 方案的適用性進行分析。通過“智能曝光策略”，可以有針對性地往部件投射激光，讓其結構、強度和表麵質量達到要求。Peter Sander先生介紹說：在考慮了所有相關(guan) 安全要求的情況下，首批原型體(ti) 現出了仿生法的巨大潛力。這種方法可能會(hui) 帶來設計和製造方麵的某種思想轉變。”

疲勞強度作為(wei) 特性參數
“目前的技術極限是因表麵質量的妥協而產(chan) 生的，但該質量仍然與(yu) 鑄造部件的表麵質量具有可比性。”Emmelmann 教授（工程博士）說。這會(hui) 導致材料的疲勞強度嚴(yan) 重下降，例如鈦。而它恰恰是飛機結構中高負荷構件的關(guan) 鍵特性參數。在這裏，人們(men) 必須考慮飛機在極長的壽命周期中（＞30 年）要承受的高負荷。但是，通過下遊的表麵處理，例如微噴砂，以及經過正確的熱處理之後，疲勞強度將顯著提高。Emmelmann 教授（工程博士）說：“最終結果是，達到了軋製材料的疲勞強度值。”

質量是重要的參數
對於(yu) 飛機製造商來說，部件製造階段的質量控製是最重要的工業(ye) 化模塊之一。Peter Sander先生介紹：“帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內(nei) 嵌過程監控（Inline Process Monitoring）係統，可以在一個(ge) 1x1 mm² 的極小麵積上通過攝像頭和光電二極管進行監控，並將這個(ge) 過程記錄下來。”在部件製造過程中，諸如 QMmeltpool、QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser 這樣的質量管理模塊是主要的主動質保工具。它們(men) 對激光功率、熔池、金屬粉末的層結構進行測量，並且不間斷監控以及記錄整個(ge) 製作過程。質量管理模塊的另一個(ge) 特征是，在封閉係統中工作，以保證監控過程無塵、無汙染。這樣可消除對過程可能產(chan) 生負麵影響的所有幹擾因素。Frank Herzog先生對此說道：“今天，我們(men) 可以說這是一種受控、具有重複精度和過程穩定的製造方法。”Emmelmann 教授（工程博士）強調：“質量管理模塊讓我們(men) 能夠監控並記錄重要的數據，例如激光參數、熔池特性以及保護氣體(ti) 的成分。汙染導致的幹擾變量可以減弱。在最新的一個(ge) 研究項目中，我們(men) 正在開發自己的質保方案，光學相幹斷層掃描是其基礎之一。”
 
 

圖3：帶有Concept Laser 公司QMmeltpool 質量管理模塊的內(nei) 嵌過程監控（Inline Process Monitoring）係統，可以在一個(ge) 1x1 mm² 的極小麵積上通過攝像頭和光電二極管進行監控，並將這個(ge) 過程記錄下來。[圖片來源：Concept Laser]