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与往年一样，Formnext 2024 是目前推动增材制造行业发展因素和趋势走向的快照。
去年的重点是汽车和可持续发展，而今年我们看到 3D 金属打印技术和航空航天应用的数量有所增加。
这可以在参展商的展位上通过展示的使用案例和创新 3D 打印系统直接看到。
此外，这在众多专门针对金属加工和航空航天的会议和讲座中也得到了体现。
在这篇文章中我们将讨论为什么增材制造越来越多地用于航空航天，仍然存在哪些挑战，以及哪些解决方案可以利用 3D 打印在该领域的潜力。
增材制造主要用于航空航天工业的航天器部件，包括火箭推进、燃烧室、喷油器头和泵系统的部件。
在太空中生产零件，有时使用太空材料，是该领域的另一个重要领域。示例包括由火星或月球风化层制成的跑道和建筑结构。
增材制造可以实现错综复杂的设计，并且在火箭发动机的情况下，可以将冷却系统集成到单个生产步骤中。
在许多应用示例中，增材制造部件可以提高性能。这也是因为在某些情况下，会使用具有特定性能的定制材料。
上述优点不仅适用于组件，也适用于空间结构。增材制造是灵活的，并且是按需的。它还确保了高精度和中低能耗。
该技术因其材料效率而受到重视，正如我们在 Concordia 航空航天机器人实验室的 Mohammad Azami 的演讲中了解到的那样。
尽管如此，由于其速度，风化层混凝土的浇注和烧结等传统工艺仍被用于生产具有简单几何形状的部件。
用于太空旅行的增材制造流程和当前挑战
关于增材制造，我们看到 LPBF 是使用的主要方法，但越来越多的注意力被放在 DED 上。
例如，The Exploration Company 目前专注于粉末床熔融，但正在考虑 2025 年的 DED。
德国公司 ponticon 生产工业高速 DED 系统，其动态材料沉积工艺用于制造 Ariane 6 发动机的夹克。
这个过程在粉末仍在空气中时熔化粉末，达到极高的精度。
因此，DED 工艺避免了航空航天领域粉末床熔融的最大挑战之一：复杂部件的脱粉。
尽管内部冷却通道和复杂的设计可以使用增材制造来实现，但正确清洁这些冷却管路是很困难的。
如果粉末留在这些通道中，流体就无法流动，并且存在发动机熔化或被毁坏的风险。“我们在部件内部打印 100 个冷却通道，壁厚为 4 毫米。
这是一个真正的挑战，“The Exploration Company 的 Maximilian Strixner 说，该公司开发了 Nyx，一种模块化和可重复使用的太空舱。太空中的增材制造涉及与地球上不同的条件，因此太空应用面临着特殊的要求和问题。
例如，月球没有恒定的温度，极端的温度波动使制造零件变得困难。此外，低重力会影响零件生产和建筑结构。
航空航天领域（无论是在地球上还是在太空中）增材制造用户面临的另一个挑战是成本。
这主要是由于具有其特定特性的高材料成本。ponticon GmbH 的 Tobias Stiggen 在他的演讲中解释说，所示示例（Ariane 6 推进系统的夹克）总成本的大约三分之二归因于该材料。
相比之下，硬件的成本（在本例中为 Ponticon 的打印系统）相对较低。
成本高的另一个原因是航空航天业专注于高性能和轻质零件。
汽车行业专注于优化每个零件的成本，而航空航天业则努力减轻零件的重量。SAE International 的 Bill Bihlman 在他关于“航空航天和汽车增材制造序列化零件生产的材料鉴定”的演讲中指出，航空航天零件的成本大约是汽车零件的十倍！
航空航天应用的高性能材料多样性
虽然价格起着重要作用，但材料性能和耐用性至关重要。
我们在太空旅行中看到了各种金属、合金以及新开发的材料和复合材料。例如，勘探公司使用铜合金来提高导热性，使用镍基合金来提高机械强度和耐化学性。
SAE 也依赖合金，但使用铝和钛制造小批量零件。太空材料或复合材料用于太空生产。
例如，康考迪亚航空航天机器人实验室推荐一种由 PEEK 和风化层制成的复合材料。
这符合 NASA 对废气配额的要求，并且具有很强的抗辐射和耐化学性。结果显示，通过将风化层纳入 PEEK，还可以降低成本。
PEEK 中风化层重量为 50%，成本也降低了 50%。
在过去的一年里，整个增材制造行业使用有机硅进行 3D 打印的趋势越来越明显。
这种材料也正在进入航空航天领域。
在 Formnext 2024 上，另一场演讲“用硅胶和软复合材料 3D 打印改变航空航天业”重点介绍了这种材料。
来自 3DEUS DYNAMICS 的 Julien Barthes 介绍了其使用硅胶的粉末工艺，以及该公司如何在打印过程中开发新的软复合材料。
这样做的优点是，传统的注塑成型硅胶也可用于 3D 打印。
此外，由于回收的粉末可以重复使用，因此没有废物。
Barthes 指出，在增材制造过程中可以改变材料，以便生产一个部件具有两种纹理、定制的机械特性和复杂的几何形状。“你可以在打印过程中添加粉末，操纵材料，并在此过程中创建复合材料。”巴特总结道。
他解释说，这就是该公司创造一种新的阻燃和柔软复合材料的方式，适用于暴露于火中的部件，就像航空航天一样。
展望未来
随着航空航天的广泛应用和技术论文，增材制造将不可避免地在该领域变得更加普遍。
虽然我们今年在航空航天领域看到了一些非凡的创新，例如推出世界上最大的金属打印火箭发动机 Ariane 6 和 LEAP 71 等，但正如我们上面看到的，仍然存在一些挑战。
尽管如此，增材制造在太空旅行中具有相当大的潜力，但尚未得到充分开发。除了使火箭更快、更高效、更可持续的轻质结构、高度复杂的几何形状和高性能新材料之外，未来我们还将听到更多关于太空 3D 打印的信息。
迄今为止世界上最大的金属打印火箭发动机
您如何看待航空航天领域未来的 3D 打印技术？
