金属3D打印双材料、大尺寸飞机零件钢模——波音公司新实践

3D打印技术参考注意到，美国橡树岭国家实验室与波音合作，在八周内，利用电弧增材制造技术，3D打印出了一个由低碳钢和不锈钢两种材料组成的一体化飞机零件钢模。

这是波音公司的一项创新实践，目的在于探索电弧增材制造的更多可能性，涉及双材料一体制造、创新流道设计，以及大尺寸制造过程中避免翘曲的方法。

在正在举办的LMAM激光制造与增材制造大会上，笔者注意到多位专家提到，电弧3D打印可以实现速度更快、成本更低的制造，它已经在航空、航天、海洋、汽车等多个领域开展了创新实践。

该案例中3D打印的2吨重钢模

➡️波音公司电弧3D打印双材料大尺寸钢模

该模具是一个冲压成型模具，高约1.83米，宽约1.22米，最终重量达到了2吨。是为支持美国宇航局的高速复合材料飞机制造（HiCAM）项目而建造的，该项目旨在提高复合材料飞机的生产速度。

美国国家航空航天局HiCAM 项目经理Richard Young表示：“NASA及其行业合作伙伴正在努力提高复合材料飞机的生产速度，以满足不断增长的航空旅行需求，并减轻飞机重量，从而提高燃油效率，降低飞机运营商的成本。”

模具的结构部分采用低碳钢保证强度和刚度，表面则采用不锈钢提高耐腐蚀性和耐久性。

工程师们还设计了用于加热和冷却流体的弯曲内部通道，而不是传统加工模具中常见的直线钻孔，从而能够更高效地进行加热和冷却。

ORNL制造示范设施的两位工程师表示，“多材料WAAM技术能够实现全新的设计，还能让零件的强度和韧性等性能按照需求定制，同时节省制造时间和成本。”

3D打印过程中产生的残余应力会导致模具在冷却过程中发生翘曲。为了解决这个问题，团队在模具制造过程中添加了临时支撑肋，并进行了32轮计算机模拟，以预测和补偿尺寸偏差，最终使成品模具的形状与预期形状的偏差控制在几毫米以内。

打印完成后，模具须进行退火处理，来消除内部应力。随后，支撑肋被移除，才能满足波音公司的规格要求。

波音公司技术研究员表示，“美国公司必须不断创新，突破技术界限，才能在全球市场保持竞争优势”。

这让笔者想到，我国在电弧3D打印应用领域的创新也同样值得关注。

➡️北理工电弧3D打印技术已转化落地

笔者查询资料发现，天津广播电视台于今年6月，再次报道了北理工刘长猛教授团队开发的电弧3D打印产业化项目。

该团队于2024年开发出了40弧并行3D打印技术，突破了悬空结构无支撑3D打印技术难关，建立了大型金属点阵结构3D打印新方法。目前已能够完成20米超大型钢板一体打印成型，且已达到无人化、高精度、高效率制造的水平。

在结构创新方面，他们创新研发了单层/多层点阵夹芯结构，实现了传统加筋结构向点阵轻质功能结构的跨越，产品整体具有轻量化、抗爆吸能、减振降噪等多种优势。

该技术应用的一个重点方向是深远海浮式平台，其重要优势在于能够解决传统结构用钢量大、成本高、寿命短的痛点，可将制造成本降低70%，且具备高强度、长寿命、密封性好等优势。

最新报道指出，该技术目前已完成从实验室到生产线的转化落地，并拿到了来自船舶企业的意向订单。按照客户要求，产品交付船舶使用之前，必须通过中国船级社的认证，而这项认证预计今年内就能完成。

➡️宝马明年使用电弧3D打印生产汽车部件

今年3月，宝马的一个新闻稿明确指出，将在2027年开始采用电弧3D打印批量生产汽车零件，并将推出一款采用其首个电弧 3D打印部件的新车，该部件目前正在进行最后的资格认证。

宝马集团增材制造负责人Timo Göbel表示，“我们一直都用电弧3D打印制造铝合金结构部件，它比标准的压铸铝部件轻30%到40%，这是一个很大的优势。总的来说，我们的产品更便宜、更轻。目前，我们仍在进行最后的认证，但这款部件将用于明年发布的赛车。”

他还表示，与激光粉末床熔融（LPBF）相比，WAAM在大型金属部件的加工方面具有显著优势，且沉积速率更高。对于如此大的部件，LPBF工艺的加工速度太慢且成本太高。因此，如果加工环境足够理想，且对部件的要求也合适，那么WAAM的加工速度要快得多。

WAAM是宝马近期宣布的投资计划的一部分，该计划旨在投资新系统、更大的打印尺寸和数字化连接的流程链。该公司表示，相信未来将有更多机会生产更大、功能更强、性能更优异的零部件，这些零部件的生产更加灵活、耗时更短，而且无需传统模具。

电弧3D打印在几年前就已经用于火箭的结构部件制造，因此本文不再讨论。本期的案例分享中，波音属于使用电弧3D打印制造注塑模具，而北理工和宝马则是使用该技术制造最终用途部件。而相比更为成熟的LPBF工艺，电弧3D打印的应用场景仍在拓展。

这些项目均证明了电弧3D打印技术在航空航天以外将发挥重要作用。作为测试案例，它们的成功意味着这项技术可以用于其他工业领域，例如能源和汽车行业。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。