美國工程師利用 3D 列印技術製作兩噸鋼模具以減輕飛機門重量

在田納西州的一個實驗室內，一台機械手臂花費八週時間 3D 打印了一個重達兩噸、高六英尺的熔融鋼塊。儘管這一龐然大物看似一件工業雕塑，實際上它是一件前沿航空設備。這個被稱為 Stamp Form Die (SFD) 模具的工具，旨在為下一代飛機塑造輕量、高性能的熱塑性複合材料門。來自橡樹嶺國家實驗室和波音公司的工程師們利用先進的電弧增材製造技術 3D 打印了這個金屬模具。

模具設計與功能

它結合了碳鋼和不銹鋼，並設計了內部曲形冷卻通道，以優化強度、耐用性和熱控性能。此模具旨在支持 NASA 的高頻複合材料航空器製造 (HiCAM) 項目，該項目旨在使商用飛機更輕、更省油。NASA HiCAM 項目經理 Richard Young 表示：「NASA 及其行業夥伴正在努力提高複合材料飛機的生產速度，以滿足日益增長的航空旅行需求，並減輕飛機重量，從而改善燃油效率，降低航空運營商的成本。

做到這一點對於維持美國在商業航空器行業的競爭優勢至關重要。」

3D打印技術的優勢

通常，製造這樣一個模具需要數個月的傳統金屬加工，包括鑄造、鍛造和重 drilling。然而，研究人員希望推進技術邊界。該項目測試了增材製造是否能以比傳統金屬加工技術更快和更便宜的方式生產熱控模具。為了取代傳統的加工和鑄造製造方法，波音公司與一些大型和小型美國企業及橡樹嶺國家實驗室合作，3D 打印了這個 Stamp Form Die 工具。這個金屬沖壓模具就像三明治中的麵包片，將熱塑性塑料片壓製成輕量的航空門。

橡樹嶺國家實驗室使用其專門的 Arc-1 系統執行該項目，這是一個能夠進行電弧增材製造的機器人焊接設置。與普通打印機相比，Arc-1 同時供應多種電線類型，以熔化和層疊不同的金屬。這種多材料能力提供了更大的設計靈活性，以量身定製複雜組件的性能、通用性和形狀。

「多材料 WAAM 使完全新設計的實現成為可能，結合精細調整的機械性能及時間和成本的節省，」橡樹嶺國家實驗室的資深機器人工程師 Andrzej Nycz 表示。波音模具的內部使用碳鋼以增強強度，表面則使用不銹鋼以提高耐用性和抗腐蝕性。3D 打印技術使內置的曲形通道得以鏡像模具形狀，優化加熱和冷卻效率。為了防止冷卻期間因熱引起的變形，工程師添加了臨時支撐肋，並進行了 32 次計算機模擬以確保精確成型。

Baker Industries 在密歇根州完成了這個工具的應力釋放退火、肋去除和最終製造。

儘管某些組件需要傳統的加工，3D 打印過程可以輕鬆應用於創建類似的大型工具。這一成功的測試案例為在關鍵製造領域的更廣泛商業採用鋪平了道路。「我們將此作為一個測試案例，」橡樹嶺國家實驗室的複合材料創新小組負責人 Ahmed Arabi Hassen 表示。「其成功意味著該技術可以用於製造其他美國工業部門的大型熱塑性結構，例如能源和汽車。」熱塑性複合材料比典型的鋁合金飛機機身更輕。

更輕的飛機消耗更少的航空燃油，這直接減少了碳排放和商業航空公司的運營費用。這種多材料電弧增材製造過程的應用範圍遠超商業航空。電動汽車製造商可以採用這項技術來沖壓輕量車身面板，提高電池續航和效率。清潔能源生產商可以打印大規模工具來模具化巨型複合風力渦輪葉片。此外，太空探索公司可以使用同樣的快速工具製造耐用的火箭整流罩和艙體結構模具。

3D列印技術在航空業的潛力

這項技術的成功應用不僅能提升飛機的燃油效率，還能減少碳排放，對環保有正面影響。隨著航空旅行需求增加，提升生產速度和降低成本成為關鍵。此外，這項技術的多材料能力使其在其他行業的應用潛力巨大，如電動汽車和清潔能源領域。這不僅有助於美國在航空製造業保持競爭優勢，還可能推動整個工業的創新與發展。