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江蘇鐳射聯盟導讀：
金屬增材製造可被應用於多領域，本綜述著重介紹其在航天航空領域的應用、該領域應用此技術的優勢所在、現有應用存在的挑戰、該領域未來發展的潛力以及對該技術應用的展望。此為
第二部分（總共四大類應用）
，本文主要介紹該技術在航空航天中的其中兩大獨特應用——結構支架、靜動態發動機部件！
2.AM在航空航天中的獨特應用
2.1.結構和支架
增材製造的承重結構和支架的設計較為複雜，與傳統意義上的支架等有明顯區別，看似簡單的幾何形狀，卻擁有卓越的比強度特性。而這些技術若被充分利用、成功應用，必須全面瞭解滿載路徑和環境。金屬增材製造（AM）使元件限制內根據各種材料和不同的設計方法進行復雜設計成為了可能。
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圖1
商用噴氣式飛機的前機身（上）、其示意圖（中）以及不同不斷最佳化的結構結果對比（下）
支架、結構和框架是 AM和TO（
拓撲最佳化
，topology optimization，以下簡稱TO）在航空航天中應用的典型。有機輕質結構的生產以前是由傳統制造方法進行的，其生產過程受到諸多限制，如鑄造方向、對稱性，尺寸和工具軌跡。與其他製造技術相比，金屬增材製造利用TO技術可進一步減輕元件的質量，從而讓更復雜的設計可行！
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圖2
Trent XWB-97發動機用AM生產的前軸承箱
2.1.1. 航空結構和支架
金屬AM和TO方法的最新發展使大量新專案應運而生，這些專案藉助這些技術實現了元件輕質化，突破了其他典型的製造技術的限制。TO和AM技術的協同效應非常明顯，近年來在許多航空航天應用領域卓有成效。用於商用飛機內部部件的第一個例子是A350客艙支架聯結器（
圖4
）。空客利用TO和AM在2014年使用鈦合金Ti-6Al-4V（如
圖3
所示）生產支架。
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圖3
在馬歇爾航空飛行中心（NASA-MSFC）中心進行熱火試驗的增材製造推力室元件的圖例（包括噴射器、燃燒室和通道冷卻噴嘴。來源：NASA
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圖4
：空客利用TO和AM生產的A350 XWB客艙支架聯結器
2017年，挪威金屬3D列印公司Norsk Titanium（NTi）是第一家從美國聯邦航空局獲得批准、使用
直接能量沉積技術（DED）
生產可承受飛行中應力載荷的金屬增材製造元件（圖5）的公司。這些部件由鈦Ti-6Al-4V製成，是第一個出現在波音787夢幻客機的AM元件。
▲圖5
Norsk Titanium公司獲得專利的MERKE IV快速等離子沉積機為波音787夢幻客機生產了世界上第一臺經美國聯邦航空局批准的3D列印結構鈦部件 來源：Business Wire
2017年晚些時候，空客開始生產和安裝用於A350 XWB飛機的鈦關鍵支架。該元件是飛機外掛架（機翼和引擎之間的連線處）的一部分，也是透過AM技術製造。EOS和空中客車集團創新公司的一項聯合研究是在空中客車A320機艙鉸鏈支架上進行的（
圖6
）。該部件將使用
粉末床鐳射熔化（LPBF）
技術，由Ti-6Al-4V製造，旨在實現當前設計遠不能做到的高質量和低成本，在發動機檢測艙取代目前的鉸鏈支架。這項研究表明，與傳統鑄造工藝相比，基於粉末床鐳射熔化的AM 技術在輕質化方面具有明顯優勢。
▲圖6
空客A320機艙鉸鏈支架的TO和AM。左：TO設計流程。右：原始支架（上）和最終的TO最佳化設計（下）。原鋼支架= 918g；Ti6Al4V中的TO和AM支架= 326 g 來源：Airbus空客
由於固有的效能優勢，輕質化技術已經在航空航天工業廣泛應用。 在適當的環境和組合負載已知的情況下，TO可作為大型結構設計的有力工具，用於整體形狀和質量最佳化的飛機部件。TO的早期設計和流行的應用可在A380翼尖下垂中看出來。空中客車英國公司與Altair Engineering公司合作使用TO技術，為導致抗剪腹板和桁架設計的翼尖下垂提供更多穩定性。
最近對TO應用已經允許了給定引數下的形狀保持，可供設計者對質量和翹曲變形進行最佳化（
圖7
）。這方面的一個很好的例子是駕駛艙擋風玻璃的設計。而飛機的前機身質量可大為減輕，從而緩解鳥擊和極端天氣造成的消極影響。這項研究保持了擋風玻璃的翹曲變形、限制擋風玻璃區域性應變能，以避免開裂。形狀保持的TO設計消除了擋風玻璃周圍元素臨界載荷的應變能。TO技術與航天工業設計、製造工作流程整合的最大挑戰在於缺乏明確的負載和約束輸入，以及複雜性較高的元件質量的不確定性——在AM技術更廣泛地用於航天航空應用之前，這些方面必將有很大的發展。
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圖7
（a）總變形，（b）剛體運動和（c）翹曲變形
2.1.2. 航天器結構
航天工業通常指與軌道運載火箭相關的經濟活動、進入地球軌道和地外軌道的製造部件以及其他相關服務。航天工業經常依賴新的先進技術繼續推進探索和其他任務。2011年，第一個AM航天器結構在朱諾號探測木星任務中應用，一組八個支架用來連線波導（用來在元件間傳輸無線電頻率訊號）。
02：05
關於朱諾號的官方介紹
此後，AM技術不斷走向成熟，人們對金屬AM航空航天工業的信心顯著增強，AM在製造運載火箭和衛星的元件方面發揮更大的作用。歐洲航天局（European Space Agency-ESA）的哨兵（Sentinel）系列衛星著手將AM技術應用到最新的地球觀測任務——1C和1D中。該系列1A和1B，分別於2014年和2016年發射，這兩種使用的是常規制造技術，允許一套由RUAG（RUAG Space 是歐洲最大的航空航天產品供應商）和Altair開發的新支架，使用AM技術與傳統設計進行比較。RUAG與EOS和Altair一起設計並生產了一款
圖7所示的現有天線支架的最佳化版本。
▲圖8
哨兵-1C和哨兵-1D天線支架的加工
RUAG與阿爾繼續合作設計、使用TO和AM製作一個星敏感相機支架。使用典型的減材方法制造的前體支架，一旦在新設計中使用TO和AM，則質量可大為減少。
圖9
中的支架在配置測試中。這些測試包括計算機斷層掃描（CT）掃描、幾何分析、拉伸、顯微鏡和結構響應測試。
▲圖9
帶有轉接板和模擬物質量的支架的測試配置。來源：美國航空航天學會（AIAA）
衛星反射鏡元件的製造經常受到諸多限制。除了光學或感測器裝置，相應的支撐結構也受到高技術要求的影響。在歐空局的L級
雅典娜（Athena）
，或者叫先進高能天體物理學望遠鏡（Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics）任務中，矽光學（Silicon Pore Optics-SPO）需要依靠一個直徑幾米的支撐結構。AM已經被弗勞恩霍夫（Fraunhofer IWS）用來印刷這些需要高處理靈活性和可擴充套件性的支撐結構。為克服製造中的限制，需要定製某些流程和技術。Fraunhofer IWS、歐空局和空客合作發展混合AM工藝，此工藝具有
鐳射金屬沉積（Laser Metal Deposition-LMD）
的高靈活性，且具有製造大量鈦結構的低溫的製造精度。到目前為止，一個直徑1。5米的模型已經被生產，並演示了整個流程鏈的可行性（
圖10
）。
▲圖10
1。5 m反射鏡支架示例 來源：弗勞恩霍夫和歐洲航天局
2.1.3. 晶格結構
最近，晶格結構由於其多方面的優勢引起了廣泛的興趣。在過去的十年裡，TO在設計者中由於其最佳化中間結構和宏觀結構模式受到了讚揚，甚至它有時還能用來設計新的
蜂窩（或晶格）結構
。雖然先前的晶格設計在熱交換器和矩形濾波器中有所使用，但現在使用演算法則可以利用使用開孔晶格結構設計更復雜的結構和內部幾何圖形。儘管潛力巨大，需要注意其仍然有設計和製造侷限。
微型立方體衛星（CubeSats）
是一種在模組化系統中製造和部署的小型衛星，增加了小型衛星製造商進入空間的機會。這些衛星被設計得既輕便又小巧，足以作為二級有效載荷。CubeSats結構的質量減少一方面增加了有效載荷的小型衛星數量，另一方面降低了將這些衛星送入軌道的成本。在粉末床鐳射熔化機上製成的Inconel718，其目標是減少質量、零件數、生產週期和增加剛度。圖
11
所示的結構，實現了50%的質量減少且150個元件縮減到了不到25個元件，這就相當於故障位置減少了6倍。
▲圖11
。nTopology和美國空軍技術學院Air Force Institute of Technology（AFIT）合作的匯流排結構
Thales Alenia Space公司也與歐空局合作也使用了AM、TO和晶格的組合 開發太陽能電池板部署機制，使用TO減少支撐結構質量，然後透過晶進一步降低質量。
圖12
a所示的結構減少了5倍質量、節約了4倍成本，透過零件整合減少了10個元件。圖12b是晶格使用的另一個例子-熱應用。
▲圖12
晶格結構的使用：（a）衛星太陽能電池板展開裝置–“用於衛星太陽能陣列的‘Adel’光鉸鏈”和（b）衛星夾層板“雙相散熱器”
空客、APWorks和Autodesk的合作專案任務是減少A320系列飛機隔牆的質量。新的分隔使用了類似於TO的生成式設計建立初始支柱結構，以減輕質量、同時保持最大位移約束。然後透過將初始TO幾何圖形轉換成晶格進一步輕量化。
傳統制造業和AM的結合為減目前在引數不完善的影響提供了更多機會。Autodesk使用AM技術和傳統金屬鑄造流程結合就飛機座椅輕型框架設計進行了生產。使用Autodesk的Netfabb軟體包，飛機座椅透過網格和表面最佳化（類似於TO技術的演算法）被生產。這些技術被組合使用，可生產包含複雜的晶格幾何圖形的高質模具座椅框架，可用塑膠印刷以降低成本以及節約時間，並用於以類似的方法制造陶瓷鑄模“失蠟”過程。最後，用鎂鑄造的框架被證明可用於飛機所需的座椅大量生產。
晶格結構在金屬AM中的一個明顯但報道較少的應用是用於元件內部幾何填充。TO技術透過給元件“去殼”進一步減少質量，但這也帶來了挑戰——內部空洞，而這可能發生在任何懸伸部分的內部支撐結構，並會藉助 未加工粉末增加質量。這個挑戰通常透過在印刷元件中使用內部晶格幾何——具有承載能力的蜂窩狀晶格結構來解決。然而，這些內部晶格通常不能消除所有的未加工的粉末和孔洞。
圖13
展示了使用晶格填充物減少內部質量。這一設計中的葉輪減小了轉動慣量，並增加了效能。
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圖13
AM製造的帶有內部網格的葉輪和帶有內部網格的類似零件
2.2 靜態和動態發動機部件
兩架飛機上的靜態和旋轉部件表明宇宙飛船火箭發動機既要滿足極端的效能要求，也要適應惡劣的環境，如高空壓力、溫度和腐蝕性或脆化等環境。這些效能要求通常導致使用高度複雜的幾何零件和特殊材料。諸如壓縮機葉片、渦輪葉片、導流器和葉輪的元件具有非常複雜的幾何形狀，AM技術則有了可施展的空間。設計師可以藉此突破傳統制造中常見的幾何限制，製造更復雜的最終元件。然而AM工藝也有侷限性，比如在製造這些幾何形狀中角度控制以及表面加工比較粗糙。典型的角度限制懸伸，最大可到相對於垂直的45度，表面粗糙度的變化取決於突出部分角度。面朝下的表面通常具有多餘的材料，並且其表面粗糙，除此以外還具有不規則的表面形態。角度變化會影響底層粉末的區域性熱歷史（在粉末床熔化）——不傳導熱量，接著導致這些區域溫度越來越高。支撐結構或可解決這種情況並降低殘餘應力的翹曲可能，但這需要後處理的支援，在複雜元件中可能很困難。這種種限制正在被不同的研究人員提高金屬AM元器件的質量的同時逐步解決。
Allison在2014年等人報道了該領域的早期研究，顯示了AM在葉輪等渦輪機械部件上的應用潛力。使用AM技術的Inconel 718生產的葉輪在測試過程中得出了希望的結果。有趣的是，在測試期間，葉輪試驗檯是由多個透過AM技術製造的其他元件組成的。
通用電氣的新一代GE9X發動機（
圖14
），於2020年1月搭乘全新波音777X首航，是有史以來生產的最大和最強大的商用噴氣發動機。GE9X是一種大涵道比渦扇發動機，其特點是整合的AM製造元件直接進入發動機的核心結構。值得注意的是，228個低壓渦輪葉片由TiAl使用EB-PBF製造，從而使發動機輕質化。
▲圖14
全新波音777X試飛
西門子強調藉助AM增強渦輪機的可製造性。西門子2009年開始投資AM，在2013年的燃氣輪機中安裝了第一批AM元件，於2017年成功印刷安裝熱氣通道葉片。然後他們繼續評估商業應用的可行性，使用AM製造渦輪壓縮機的封閉式徑向葉輪。取決於測試的成功和監管機構的批准，徑向葉輪顯示有望提高渦輪機效率。雖然這些不是直接的航空航天例子，但它們很好地表明瞭高效能元件的潛力和能力。
發動機製造商Pratt & Whitney公司在過去的25年中已經使用AM生產了超過10萬個原型部件，現在正生產用於Bombardier C 系列飛機PW1500G發動機的壓縮機定子葉片和環形同步支架。這些定子葉片用於引導氣流透過飛機發動機的壓縮機。
儘管晶格結構還處於初級階段，但它的效能提高正受到越來越多的關注。最近研究（
圖15
）證明了在壓氣機葉輪上應用晶格結構來減少質量和轉動慣量。
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圖15
印刷葉輪及與模擬結果的比較|| （a）帶支架的印刷葉輪；（b）列印葉輪，與模擬結果進行比較（毫米）。
大型現代飛機發動機通常由幾萬個部件組成，儘管並非所有部件都可透過AM技術製造，核心渦輪機和壓縮機葉片的許多元件可應用AM技術。Honeywell航空公司完成了對HTF7000系列飛機發動機應用的渦輪機部件研究。這項研究不僅詳細說明了高壓渦輪應用了AM技術，而且還設計了切向機載噴射器、第二級高壓渦輪噴嘴、霧化器護罩、進氣增壓耙和發動機支座。
其中最知名的AM元件應用是通用電氣LEAP發動機的燃料噴嘴，2015年開始生產，2018年就生產了30000多個噴嘴，直到現在。利用鈷鉻合金LPBF技術，如
圖16
所示的燃料噴嘴已安裝在多臺商用發動機上。
▲圖16
通用LEAP噴嘴
LEAP發動機燃料噴嘴成功後，通用電氣隨後繼續為新GE9X系列發動機生產大量AM元件。GE9X發動機擁有304個額外部件，相當於超過三分之一的部件使用AM技術生產。該發動機將具有28個LEAP發動機的燃料噴嘴、228個低壓渦輪葉片、一個T25感測器外殼、一個燃燒混合器、8個氣旋誘導器和一個熱交換器，所有這些都是用AM製造的。直接能量沉積技術（DED）正被用於製造大尺寸金屬結構。這些結構可以透過多軸定位系統來構建，保證各層沒有突出部分。五軸聯動被應用在Inconel 718直升機發動機燃燒室的設計中，形成了接近90度的有效懸垂角。
AM技術已經被廣泛應用於維保現有部件。損壞的部件可以用AM修復，而不是更換或者直接報廢，這可以顯著節省昂貴部件的成本、減少新元件的生產週期。進一步研究已經表明，與傳統方法相比，透過AM進行恢復的元件上“環境足跡”要少得多。恢復轉子葉片的結構完整性提供了成本效益，因為這些元件的製造可能花費幾萬甚至幾十萬美元。
圖17
顯示了使用LENS AM的修復過程（LENS是一個DED過程），其中（a）展示了LENS系統的修復過程，（b）展示了T700整體葉盤前緣修復後 （c）顯示修復後的整體葉盤。
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圖17
葉片修復過程
美國宇航局已經在各種應用中展示了複雜的渦輪機。葉輪、泵蝸殼、渦輪整體葉盤、渦輪定子、渦輪出口導向葉片和渦輪噴嘴都已在液態氫燃料（LH2）和液態氧化劑（LOX）渦輪泵內的AM液體火箭發動機上進行了演示（見
圖18
）。液態氫燃料渦輪泵製造成功，零件比傳統制造少45%，並完成了每分鐘超過90000次的旋轉和發動機測試。液氧泵也證明了AM在相關測試環境中的應用。人們注意到，這些AM元件需要改進工藝，包括表面處理、材料效能、建造過程中支撐結構的應用以及尺寸公差。
▲圖18
美國宇航局MSFC的液氫和液氧渦輪泵中使用AM的例子
下集預告：預約航空航天中AM的獨特應用—熱裝置和液體燃料火箭部件！
未完待續，歡迎您持續關注
文章來源：Metal additive manufacturing in aerospace： A review，Material and Design，Elsevier
https：//doi。org/10。1016/j。matdes。2021。110008
參考資料：
1。 Optomec， LENS Component Repair Solution， 2016。 https：//optomec。com/ wp-content/uploads/2014/04/Optomec_LENS_Blisk_Repair_Datasheet。pdf （accessed Feb。 02， 2021）。
2。 F。 Froes， R。 Boyer， Additive manufacturing for the aerospace industry，Additive Manuf。 Aerospace Ind。 （2019） 1–482， https：//doi。org/10。1201/ 9780429466236-10。
江蘇鐳射聯盟陳長軍原創
作品！