普惠发动机，来源：普惠

 堪比锻造的性能节约材料与成本

近日，NDTL-圣母大学涡轮机械实验室、Norsk Titanium、Pratt＆Whitney – 普惠和TURBOCAM International测试3D打印的整体叶盘（IBR）进入到第二阶段。

Norsk Titanium公司，来源：Norsk

在2018年完成的初始测试的基础上，第二阶段的测试将检查整体叶盘（IBR）的动态特性。这种整体叶盘是通过Norsk革命性的快速等离子沉积™（RPD™）金属3D打印技术制造的，目前3D打印的整体叶盘检验质量结果与普惠公司目前的涡轮发动机使用的叶盘质量相当。

这些测试在NDTL-圣母大学涡轮机械实验室位于印第安纳州南本德的世界级涡轮机械测试设施中进行。完成初始测试后，当前测试程序着眼于IBR的低周期和高周疲劳特性测试。测试将包括多个加速/减速循环，并研究3D打印-增材制造的叶片上的同步振动效应。

在测试之前，由TURBOCAM进行了质量评估。评估未发现增材制造常见的可能导致扭曲的残余应力集中的情况。此外，TURBOCAM证实了Norsk的RPD™技术所3D打印的整体叶盘非常适合通过传统的数控五轴铣削进行后期的精加工，与Ti6-4锻件的质量一样稳定。

这项工作的最终目标是开发为涡轮发动机提供重载所需的复杂零件，并且还需要证明在成本和时间进度方面比传统加工方式具备一定优势。

整个制造和测试工作一直由Pratt＆Whitney-普惠进行监督，普惠正在评估3D打印整体叶盘在未来发动机开发中的应用。

根据普惠，利用Norsk快速等离子沉积工艺等增材制造技术，普惠可以缩短关键涡轮机械部件的制造和开发进度。

 3D科学谷Review

与我们常见的基于粉末床的选区熔化金属3D打印技术相比，Norsk Titanium公司的快速等离子沉积™技术是另外一种金属3D打印技术，根据ASTM的归类，RPD™属于定向能量沉积（DED)3D打印技术。根据3D科学谷的市场了解，国内铂力特通过其自主研发的DED定向能量沉积技术（LENS同轴送粉激光熔覆3D打印技术）在3D打印整体叶盘方面拥有多年的经验。

增材制造（AM）的零部件用于安装在飞机上，已经有多年的历史了，但其作用主要局限于非关键部件，如管道系统和内饰部件。即使是用于发动机部件（如著名的GE Leap发动机燃料喷嘴），其对零部件的性能要求主要是热传导而不是机械性能。

而对于整体叶盘来说，其挑战来自热传导和机械性能两方面，可以说3D打印的整体叶盘如果能够通过层层航空性能要求测试，这的确是增材制造业的里程碑。

不过对于飞机应用来说，如何获得认证是重要的挑战。

因为飞机行业倾向于认证零件设计并坚持使用该设计贯穿整个飞机的生产寿命周期。在3D科学谷看来，普惠的全程参与，对推动3D打印获得认证起到关键的作用。

此外，2019年2月，SAE和Norsk Titanium推出了定向能量沉积（DED） 3D打印技术应用的标准。合作制定的两个标准是AMS7004（关于Ti-6Al-4V应力消除的等离子弧定向能量沉积增材制造的钛合金预制件）和AMS7005（送丝等离子弧定向能量沉积增材制造工艺）。新标准确定了航空航天领域的用户采购Norsk Titanium快速等离子沉积（RPD）预制件的最低要求。这为Norsk Titanium在航空航天领域的发展再一次奠定了基础。

Norsk Titanium于2017年2月获得了首个3D打印钛合金结构件的FAA适航认证。Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术已经被应用到波音的787 Dreamliner飞机上，可以将零件成本降低30％，并且降低能耗，减少材料的浪费，缩短生产周期。

考虑到后期需要的热处理与CNC机加工过程，3D打印要获得更多的发展还面临着更多的挑战。

正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中所谈到的，3D打印技术正在催生下一代航空航天制造技术。有趣的是，3D打印技术之间存在一定的竞争关系，对于每种零件来说，将存在多种3D打印技术并存的现象。

就整体叶盘的3D打印技术方面，3D科学谷曾在《Fraunhofer开发出集成点阵夹芯结构的薄壁整体叶盘》详细介绍过Fraunhofer通过粉末床选区熔化金属3D打印技术开发了完整的点阵夹芯结构整体叶盘工艺链：从设计到3D打印-增材制造，热处理，数控铣削精加工后处理，再到质量保证。更多关于3D打印在发动机领域的应用，请参考3D科学谷发布的《3D打印与航空发动机白皮书》

《3D打印与工业制造》正在京东热卖, 观看3D科学谷创始人的微课视频。

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SAE于2018年发布了首套行业增材制造材料与工艺标准，包括4项具体标准，主要涉及基于粉末床的激光熔融（LPBF）增材制造技术。

不过用于航空航天领域的3D打印技术，金属方面除了LPBF选区激光熔化技术（俗称铺粉），DED定向能量沉积（俗称送粉，送丝）技术也颇受到航空航天领域的欢迎。

近日，增材制造公司Norsk Titanium和SAE推出了定向能量沉积（DED） 3D打印技术应用的第一个规范。新规范确定了航空航天领域的用户采购Norsk Titanium快速等离子沉积（RPD）预制件的最低要求。

 标准

增材制造行业向前一步的基石

由SAE的增材制造委员会（AMS-AM）开发的规范主要基于Norsk Titanium RPD工艺的工艺和材料要求，这些要求已被许多OEM合作伙伴使用。官方SAE规范旨在推动航空航天和其他工业行业更广泛地使用金属增材制造工艺。

新规范通过确保流程一致性和质量控制来支持监管认证流程，标志着金属增材制造行业向前迈出了重要一步。毕竟，标准已经成为行业获得持续增长的基石，是增材制造工艺的工业化和获得更广泛采用的关键驱动因素。

所讨论的两个标准是AMS7004（关于Ti-6Al-4V应力消除的等离子弧定向能量沉积增材制造的钛合金预制件）和AMS7005（送丝等离子弧定向能量沉积增材制造工艺）。

根据SAE国际航空航天标准总监David Alexander，鉴于先进材料和先进制造是SAE国际的战略重点领域，SAE将继续支持航空航天业的增材制造技术的进步和采用。

除了提供重要的技术专业知识外，Norsk Titanium开发新规范方面发挥了积极作用，这些新的材料和工艺规范有助于满足监管机构的要求。

SAE的增材制造AMS-AM委员会于2015年成立，旨在开发金属和塑料3D打印流程中的规范。该委员会汇集了来自全球各地500多名航空航天子行业的参与者，包括飞机，航天器和发动机原始设备制造商，材料供应商，运营商，设备/系统供应商，服务提供商，监管机构和国防机构。

 3D科学谷

Review

Norsk Titanium 通过其专利的快速等离子体沉积（RPD™）工艺在航空航天制造业中迅速占据一席之地，将钛丝通过等离子熔化过程加工成结构件和其他复杂部件，这一技术不断得获得市场的认可。

快速等离子体沉积（RPD™）技术加工的零件是近净形的，后期的精加工由CNC机床加工中心完成。对于完成后期加工任务的机床来说，更少的材料去除需求也意味着更少的刀具、更少的冷却液消耗，更快的加工时间，以及更快的设备投资回收周期。根据，Norsk Titanium，当生产达到22公吨的航空航天级部件的时候，平均下来可节省75％的锻压时间和成本。

Norsk Titanium的制造技术通过了FAA认证，是波音公司的一级供应商。Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术被应用到波音的787 Dreamliner飞机上，据称Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术可以将零件成本降低30％，并且降低能耗，减少材料的浪费，缩短生产周期。

不仅仅是波音公司，空客的Premium Aerotec工厂通过Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术进行A350 XWB飞机上的钛合金零件的生产，以及纽约州投资1.25亿美元，通过十几台Norsk Titanium生产航空航天零件。

除了大型航空航天业制造商，航空航天零件供应商Spirit AeroSystems与Norsk Titanium达成合作伙伴关系。Spirit AeroSystems的核心产品包括机身、塔架、机舱和机翼部件，Spirit AeroSystems生产了成千上万的钛零件，预计至少有30％的零件可以通过Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术来制造。

2017年Norsk Titanium成功通过测试成为Thales Alenia Space产品线中增材制造结构部件的领先供应商。采用快速等离子体沉积（RPD™）技术可使Thales Alenia Space提高运营绩效，并将交货期缩短6个月。

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3D科学谷之前介绍过波音为787 Dreamliner飞机启动了3D打印钛合金结构件的生产。这个3D打印钛合金结构件是由波音公司设计的，使用的制造工艺为 Norsk Titanium 的快速等离子沉积™技术。而目前，这项技术正得到产业化应用，究其原因不仅仅是3D打印发挥了重要作用，后处理技术所扮演的角色也同样重要。

波音和Norsk Titanium最初的合作是自2016年开始的，当初是试探性地合作，主要基于Norsk生产的零件是否能满足波音的要求，然后是否符合联邦航空管理局（FAA）的要求。Norsk Titanium先后满足了这些严苛的条件。在结构件研发的过程中，双方共同改进工艺，并进行了一系列严格的测试，最终在2017年2月获得了首个3D打印钛合金结构件的FAA认证。

Norsk Titanium的快速等离子沉积技术属于DED工艺，虽然与粉末床选择性金属熔融工艺不同的是，这种工艺并不适合加工十分复杂的几何形状，但是通过3D打印近净形部件，然后再通过机加工将其加工到最终所需要的精度，可以缩短加工周期，减少材料浪费并降低成本。

波音选择使用快速等离子沉积™3D打印技术进行钛合金结构件的近净成形制造，该工艺了替代锻造等传统制造工艺。Norsk Titanium公司表示通过快速等离子沉积™技术3D打印钛合金结构件，将最终为每架Dreamliner飞机节省200万美元-300万美元的成本。首批3D打印钛合金结构件在挪威完成制造，不久之后会转移到美国Plattsburgh的工厂进行生产，该工厂的规模为6220平方米，安装9台Norsk Titanium的快速等离子沉积™ 设备。

Norsk Titanium 通过3D打印技术制造的这些关键零部件标志着波音可以通过增材制造实现的辅助成本效益：缩短交货期，降低库存要求，确保未来备件的连续性。 拿到FAA认证，从而走向产业化的金属3D打印，听起来似乎顺理成章。当然这一切的实现并非仅仅完全基于3D打印技术的优势，热处理是另外一个关键的技术。

位于美国宾夕法尼亚州的热处理专家Solar Atmospheres公司已经成功地加工出了第一批经过美国联邦航空管理局FAA认证的结构增材制造的Ti-6Al-4V钛合金零件。。Solar Atmospheres公司的真空热处理炉消除应力能够满足AMS 2801和其他OEM严格的规范要求。

Solar Atmospheres公司位于美国宾夕法尼亚州，从1993年起进入粉末冶金行业，主要从事粉末冶金(P/M)制品的烧结加工及金属注射成形的加工和研制。 Solar公司由Willion R. Jones创建于1983年公司拥有配套的20多种真空热处理及加工设备，加工范围涉及国防、航空航天、医疗、工模具、仪器、电子等行业。热处理种类有退火、淬火、回火，还有真空中除气，沉淀强化、固溶强化处理以及氢化处理。此外，还可进行石墨涂复，离子氮化处理和真空焊接等。

所谓真空热处理是工件在10-1~10-2Pa真空介质中进行加热到所需要的温度，然后在不同介质中以不同冷速进行冷却的热处理方法。

真空热处理被当代热处理界称为高效、节能和无污染的清洁热处理。真空热处理的零件具有无氧化，无脱碳、脱气、脱脂，表面质量好，变形小，综合力学性能高，可靠性好（重复性好，寿命稳定）等一系列优点。因此，真空热处理受到国内外广泛的重视和普遍的应用。并把真空热处理普及程度作为衡量一个国家热处理技术水平的重要标志。真空热处理技术是近四十年以来热处理工艺发展的热点，也是当今先进制造技术的重要领域。

根据美国金属学会热处理学会、美国金属处理研究院、美国能源部工业技术厅对美国热处理工业2020年发展远景的预测，未来的热处理工业要有一流的质量，生产具有零变化率的产品零件，在整个工艺中，零分散度是典型的，能量利用率提高到80%，工作环境良好，清洁无污染，生产中采用标准的闭环控制系统，智能系统控制决定产品的性能，综合技术的结果使工艺时间减少50%, 成本降低75%。

所有这些设想，为真空热处理技术的发展提供了广阔的舞台和机遇。美国当前产品热处理生产中，真空热处理占15%，这一发展趋势今后将进一步增长。

–—- 3D科学谷Review

总之，在3D科学谷看来，3D打印与其他工艺的结合是企业寻求与应用端深入结合的突破口。即使是GE能够实现规模化的喷油嘴3D打印，其商业化之路上后处理技术和质量检测也发挥了极为关键的作用。脱离与其他工艺的结合，片面的谈3D打印技术是当前的一个普遍误区，而走出误区，才能拥抱产业化机会。

延伸阅读请参考3D科学谷发布的《3D打印与高温合金白皮书》。

本文参考资料来源：航空制造网

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可以说锻造提供的零件性能可以恰当的满足航空航天的需要，不过制造技术处于变化之中，3D打印正在步步紧逼锻造在航空航天领域所占据的位置。

快速等离子体沉积（RPD™）技术加工的零件是近净形的，后期的精加工由CNC机床加工中心完成。对于完成后期加工任务的机床来说，更少的材料去除需求也意味着更少的刀具、更少的冷却液消耗，更快的加工时间，以及更快的设备投资回收周期。根据，Norsk Titanium，当生产达到22公吨的航空航天级部件的时候，平均下来可节省75％的锻压时间和成本。

Norsk Titanium成功通过测试使其成为Thales Alenia Space产品线中通过增材制造结构部件的领先供应商。采用快速等离子体沉积（RPD™）技术可使Thales Alenia Space提高运营绩效，并将交货期缩短6个月。

根据Thales Alenia Space的增材制造技术开发经理Florence Montredon，“从零件的机械性能角度来看，Norsk Titanium的快速等离子体沉积™解决方案已成功通过测试。这意味着Thales Alenia Space将通过增材制造制造越来越大的零件，这代表着重要的制造技术进步。”

  3D科学谷REVIEW

Norsk Titanium 通过其专利的快速等离子体沉积（RPD™）工艺在航空航天制造业中迅速占据一席之地，将钛丝通过等离子熔化过程加工成结构件和其他复杂部件，这一技术不断得获得市场的认可。

Norsk Titanium的制造技术通过了FAA认证，是波音公司的一级供应商。Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术被应用到波音的787 Dreamliner飞机上，据称Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术可以将零件成本降低30％，并且降低能耗，减少材料的浪费，缩短生产周期。

不仅仅是波音公司，空客的Premium Aerotec工厂通过Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术进行A350 XWB飞机上的钛合金零件的生产，以及纽约州投资1.25亿美元，通过十几台Norsk Titanium生产航空航天零件。

除了大型航空航天业制造商，航空航天零件供应商Spirit AeroSystems与Norsk Titanium达成合作伙伴关系。Spirit AeroSystems的核心产品包括机身、塔架、机舱和机翼部件，Spirit AeroSystems生产了成千上万的钛零件，预计至少有30％的零件可以通过Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术来制造。

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 快速等离子沉积技术比锻造更能节约至少50％的材料去除需求。而对于完成后期加工任务的机床来说，更少的材料去除需求也意味着更少的刀具、冷却液消耗，更快的加工时间，以及更快的设备投资回收周期。

将替代锻造？

空客位于德国的工厂Premium Aerotec就通过Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术来生产A350 XWB飞机上的钛合金零件。而为了更好的适合生产线上的需求，Norsk Titanium正在与博世力士乐合作以将其快速等离子沉积™技术推进自动化制造领域。

Norsk Titanium公司日前宣布，该公司在2016年第二季度的融资中再获得2500万美元的投资。此次的资金主要由来自美国明尼苏达州Minneapolis的投资银行提供，预计这笔资金将有助于Norsk Titanium扩大其在美国的业务的经营能力以及加快其技术走向生产线的产业化进程。

之前，纽约州已与Norsk Titanium达成公私合作伙伴关系协议，纽约州投资1.25亿美元工业规模的3D打印工厂，地点位于纽约州的Plattsburgh市。Norsk Titanium为了在美国扩展其技术服务能力，提出10年投资10亿美元的项目计划，而纽约州的项目正是该计划的一个重要组成部分。

随着航空产业不断的发展，锻造技术的瓶颈已逐渐显现，一方面是满足在大型复杂整体结构件和精密复杂构件的制造方面显现出技术的灵活性不足。另一方面，锻造的结构工件在随后的机加工过程中材料去除率达到70％之多，对于钛合金这样昂贵的材料来说浪费大。

快速等离子沉积技术特点突出，无需模具的自由近净成形，且全数字化、高柔性，打印的零件材质全致密、没有宏观偏析和缩松，具有较高的性能等都带来代替航空领域锻造技术的可能。随着Norsk Titanium高达2500万美元的二季度融资，3D科学谷相信将看到3D打印技术对航空航天行业带来更多的改变。

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现在，Norsk Titanium（挪威钛）正在与博世力士乐合作以将其快速等离子沉积™技术推进自动化制造领域，而这一技术是送金属丝的等离子近净型技术。Norsk Titanium（挪威钛）号称为航空制造业而生、将重写钛合金产品的制造历史的快速等离子沉积™技术到底是怎样的? 请点击视频链接。

之前空客位于德国的工厂Premium Aerotec在对Norsk Titanium（挪威钛）的快速等离子沉积™技术进行设备测试，准备通过该技术来生产A350 XWB飞机上的钛合金零件。面临着像空客这样的生产商产业化的需求，Norsk Titanium（挪威钛）需要开拓其设备接入自动化的配置以满足激增的欧洲和美国市场订单。

Norsk Titanium（挪威钛）最近经历了一些工厂的扩建计划来满足客户增加订单的需求。博世力士乐的定制化解决方案通过10个伺服轴为Norsk Titanium（挪威钛）的快速等离子沉积™(Rapid Plasma Deposition-RPD)运动控制涉及到的部件来提供运动控制，实现多个等离子弧焊的实时控制以及其他功能。

Norsk Titanium（挪威钛）的CEO Warren M. Boley Jr认为博世力士乐的PLC变频控制器有效支持Norsk Titanium（挪威钛）航空领域的客户对绝对精度和可扩展性的需要，基于博世力士乐的技术，Norsk Titanium（挪威钛）更加容易扩展其雄心勃勃的计划，在北美建立其巨大的市场竞争力。

3D科学谷REVIEW

锻造技术在航空制造领域已应用多年，主要用于制造飞机、发动机承受交变载荷和集中载荷的关键和重要零件。飞机上锻件制成的零件重量约占飞机机体结构重量的20%~35%和发动机结构重量的30%~45%。

目前在航空制造领域，金属3D打印技术没有广泛应用于高端装备的制造，只在小范围内作为：包括飞机结构件一体化制造（翼身一体）、重大装备大型锻件制造（核电锻件）、难加工材料及零件的成形、高端零部件的修复（叶片、机匣的修复）等传统锻造技术无法做到的领域。

在航空航天领域，材料往往是昂贵的。快速等离子沉积技术比锻造更能节约至少50％的材料去除需求。而对于完成后期加工任务的机床来说，更少的材料去除需求也意味着更少的刀具、冷却液消耗，更快的加工时间，以及更快的设备投资回收周期。

Norsk Titanium（挪威钛）的快速等离子沉积™技术走向自动化将对金属3D打印技术进入产业化带来里程碑的影响作用。值得关注！

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话音落地未久，现在，空客的子公司Premium Aerotec就增强了其母公司的承诺：3D打印最终零件。”

空客位于德国的航空制造厂Premium Aerotec公司启动了其用于3D打印钛飞机部件的SLM粉末床选择性激光熔化设备，开始生产金属3D打印零件。

此外，Premium Aerotec正在对Norsk Titanium（挪威钛）的快速等离子沉积™技术进行设备测试，准备通过该技术来生产A350 XWB飞机上的钛合金零件。

该公司将3D打印复杂零件用于A400M军用运输机。该复杂零件是A400M军用运输机的燃油系统的双壁管弯头。之前，该弯头是由单独的铸造件随后焊接在一起，通过3D打印技术，该设计被优化成为一个零件，这节省了需要铸造和焊接零件的时间和资金，也节省了需要投资这些设备和程序的需要。

目前，Premium Aerotec新的现代化厂房有三台金属3D打印机在运行，第四台目前做为备用，今年的5月份将安装第五台设备。

Premium Aerotec认为是时候推进3D打印技术在飞机制造中的应用了。随着3D技术不断打破其走进生产的障碍，当障碍被打破时，制造商需要准备好自己的创新能力，以使能够驾驭这种新的技术并为自己的生产带来领先优势。制造商必须预测在他们的计划中，3D打印打开了什么样的可能性，并有针对性地利用这项技术沿着整个价值链创造竞争优势。

当然3D打印还存在着制造商难以估量的潜力，特别是当涉及到生产时间、生产灵活性和产品的重新设计方面，这是个令人兴奋的领域。

此外，Premium Aerotec与挪威钛在近净形零件的生产开展了试验，通过把Aerotec的三维CATIA文件运用到钛合金零件的打印，在短短几周内，获得明显的降低成本的结果，这项努力最终将帮助空客每架飞机节约200万美金到300万美元。