XB-1是美國(guó)航空初創(chuàng)公司Boom研發(fā)的超音速客機(jī)的原型機(jī)，于2020年10月推出，讓超音速旅行的夢(mèng)想離大眾又近了一步。XB-1計(jì)劃于2021年開(kāi)始飛行測(cè)試，是按照Overture超音速客機(jī)的三分之一比例制造的原型機(jī)，Overture客機(jī)原定于2025年亮相。

在項(xiàng)目早期，Boom公司的超音速客機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始注意增材制造（AM）技術(shù)，并結(jié)合增材制造的特點(diǎn)完成了其中最復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)。

 “選擇增材制造的原因有很多，”Boom公司研發(fā)工程師Byron Young說(shuō)道，“飛機(jī)設(shè)計(jì)中最繁瑣的部分，就在于部件之間的接口設(shè)計(jì)。以增材制造的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以最大程度地減少零件和接口的數(shù)量，這就大大縮短了研發(fā)時(shí)間。并且，零件的合并還能減輕飛機(jī)的重量?！?/p>

利用1kW的雙激光準(zhǔn)確追蹤零件的幾何形狀，并將鈦合金粉末融合，生產(chǎn)出XB-1客機(jī)中的可變旁通閥（VBV）。(圖片由DMP公司提供)

VBV系統(tǒng)中的三個(gè)零件已制備完成，等待從Sapphire制造系統(tǒng)中取下。

幾何結(jié)構(gòu)自由

Boom超音速客機(jī)中許多3D打印的通風(fēng)管道零件，都有非常復(fù)雜的葉片、風(fēng)道、百葉窗結(jié)構(gòu)，用以引導(dǎo)氣流。其中一些部件的氣流通過(guò)溫度超過(guò)500°F。

 “對(duì)于有氣流快速通過(guò)的零部件，我們將從效率和性能的角度來(lái)考量其結(jié)構(gòu)的合理性，”Byron說(shuō)道，“因此，在設(shè)計(jì)這些零件時(shí)，要從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，創(chuàng)建的流道實(shí)體必須是平滑的、有圓角過(guò)渡并且滿足壁厚要求的。最終的零件結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜，需要通過(guò)增材制造來(lái)生產(chǎn)?！?/p>

VELO3D公司的應(yīng)用工程師Gene Miller與Boom公司的設(shè)計(jì)工程師，以及負(fù)責(zé)3D打印后處理供應(yīng)鏈的Duncan Machine Products（DMP）公司進(jìn)行了密切合作。

 “Boom公司為超音客機(jī)設(shè)計(jì)的空氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)是非常獨(dú)特的，其核心的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于減重，是無(wú)法通過(guò)鈑金或鑄造等傳統(tǒng)方式來(lái)制造的，”Gene說(shuō)道，“為了達(dá)到減重的目標(biāo)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可避免，這時(shí)唯一的制造方法就是金屬增材制造?！?/p>

3D打印的百葉窗結(jié)構(gòu)零件的特寫(xiě)。(圖片由VELO3D公司提供)

Boom公司的超音客機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2019年開(kāi)始與VELO3D公司展開(kāi)試驗(yàn)性合作，是看中了他們的新一代激光粉末床融合（LPBF）技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景如下所述：
◆ 用于可變旁通閥（VBV）系統(tǒng)中鈦合金歧管的3D打印，該歧管可將飛機(jī)引擎壓縮機(jī)釋放的空氣引導(dǎo)至外部模塊線路（OML）；
◆ 用于環(huán)境控制系統(tǒng)（ECS）的出氣口百葉窗的3D打印，該系統(tǒng)用于座艙和系統(tǒng)艙制冷；
◆ 用于將中央進(jìn)氣口的二次放氣流引導(dǎo)至OML的百葉窗的3D打??；
◆ NACA管道和兩個(gè)分流器法蘭部件的3D打印。NACA管道通常用在高速飛機(jī)上，以捕獲和引導(dǎo)外部空氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行冷卻。
上述所有零件，均在VELO3D公司的Sapphire制造系統(tǒng)上完成3D打印。并且，Sapphire系統(tǒng)是直接抓取Boom公司的CAD數(shù)據(jù)來(lái)完成打印的，這就保證了設(shè)計(jì)表達(dá)的準(zhǔn)確性和完整性。

 “我們確實(shí)使用了Sapphire系統(tǒng)的Flow預(yù)打印軟件，對(duì)NACA管道的薄壁區(qū)域進(jìn)行了修改，增加了一些加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，”Gene說(shuō)道，“但是在大多數(shù)情況下，零件都是原樣打印的，不需要改變?cè)荚O(shè)計(jì)?！?br/>Byron對(duì)Sapphire系統(tǒng)的極薄壁零件的制造能力印象深刻，他說(shuō)：“Sapphire系統(tǒng)能夠打印厚度僅為750μm的極薄壁結(jié)構(gòu)。在大多數(shù)情況下，不需要額外的機(jī)加工序就能完成零件制造?！?/p>

Sapphire系統(tǒng)中的非接觸式涂覆裝置，可分配每層粉末金屬層的厚度，并通過(guò)雙激光對(duì)其熔合，這是該系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。為了減輕重量，中央入口的排氣百葉窗上的葉片之間做了鏤空設(shè)計(jì)，這樣會(huì)使零件的長(zhǎng)寬比跨度非常大，因此只能在Sapphire系統(tǒng)上完成其制造。

Gene表示：“我們的3D打印技術(shù)非常適合用于制造這樣的長(zhǎng)寬比跨度極大的零件，不需要多余的加固結(jié)構(gòu)，非接觸式的涂覆機(jī)也不會(huì)干擾到制造過(guò)程?！?br/>
鈦合金
該項(xiàng)目面臨的一大挑戰(zhàn)是，Boom公司選擇了鈦合金作為3D打印的金屬材料。
DMP公司的增材制造工程師Aaron Miller說(shuō)：“鈦合金的優(yōu)勢(shì)之一是其適用溫度非常高。與鋁或碳纖維相比，其在高溫下的強(qiáng)度損失較小，并且強(qiáng)度/重量比更高?！?/p>

盡管鈦合金的比重輕且耐高溫性能好，但是如果其在制造過(guò)程中的冷卻速度太快，也會(huì)變得脆弱易裂。也就是說(shuō)，如果找不到合適的制造方式，鈦合金的優(yōu)勢(shì)就無(wú)從發(fā)揮。

Gene指出，鈦合金零件通常通過(guò)鑄造制造，這就保證了較慢的冷卻速度，可以有效防止零件開(kāi)裂。但是某些飛機(jī)零件采用了極薄壁結(jié)構(gòu)，這幾乎是鑄造不出來(lái)的。

Gene說(shuō)：“這也是使用3D打印制造這些零件的原因之一，如果用傳統(tǒng)的鑄造方法生產(chǎn)這樣的薄壁鈦合金零件，裂紋廢品率會(huì)非常高?！?/p>

Gene認(rèn)為自己在與Boom公司的合作中學(xué)到了很多?！?Boom公司幫助我們打開(kāi)了全新的零件設(shè)計(jì)思路，薄壁零件的制造不再是瓶頸，將減重目標(biāo)推上了新的高度。從鈦合金零件的3D打印中，我們學(xué)到了很多。比如說(shuō)薄壁結(jié)構(gòu)的走向是怎樣的，什么時(shí)候不需要加支撐結(jié)構(gòu)，什么時(shí)候需要加等等?！?br/>
過(guò)程控制至關(guān)重要
為了讓鈦合金零件更堅(jiān)固耐用，VELO3D公司對(duì)3D打印的工藝參數(shù)和流程進(jìn)行了優(yōu)化。
“金屬粉末沿著Z方向沉積，減少了基板的內(nèi)應(yīng)力，”Gene解釋道，“另外，通過(guò)減輕冷卻過(guò)程中形成的內(nèi)應(yīng)力，也可以有效減少裂紋?！?/p>

質(zhì)量控制已經(jīng)延伸到整個(gè)增材制造流程，從Flow預(yù)打印模擬開(kāi)始，Sapphire系統(tǒng)執(zhí)行打印命令，Assure系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證。只需輕擊一下鼠標(biāo)，即可完成設(shè)備的校準(zhǔn)調(diào)試，包括自動(dòng)檢查激光對(duì)準(zhǔn)、自動(dòng)檢驗(yàn)光束的穩(wěn)定性和粉末床質(zhì)量。在整個(gè)制造流程中，會(huì)自動(dòng)記錄關(guān)鍵參數(shù)并標(biāo)記異常。最后，會(huì)將所有的流程數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，形成報(bào)告，以供日后參考。

Boom客機(jī)的鈦合金零件經(jīng)過(guò)3D打印后，會(huì)用電鋸或線切割機(jī)將其從基板上切下來(lái)。DMP公司的機(jī)械師認(rèn)為3D打印的后處理過(guò)程是簡(jiǎn)單易行的。

 “將3D打印的零件從基板上切下以后，只需要去除掉少量的支撐物就可以了，后處理的工作量很小，”Aaron說(shuō)道，“在零件的縫隙結(jié)構(gòu)中或難以觸及的地方，是沒(méi)有冗余的支撐結(jié)構(gòu)需要去除的。這多虧了SupportFree技術(shù)消除了對(duì)這些支撐的需要。從Sapphire系統(tǒng)中取下的工件幾乎就是成品零件了，只需要用螺絲刀或砂輪對(duì)毛刺稍加處理即可。對(duì)于尺寸較大且有安裝要求的零件，我們還需要銑出定位孔，并確保其位置尺寸正確。總之，不同零件的后處理流程略有不同，但普遍的加工時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)半小時(shí)，這沒(méi)有什么困難的?！?/p>

由于機(jī)身零件的形狀具有一定的特殊性，機(jī)加時(shí)用以固定零件的夾具的設(shè)計(jì)是有一定難度的。Aaron補(bǔ)充說(shuō)：“飛機(jī)上幾乎沒(méi)有完全由規(guī)則的平面或圓形結(jié)構(gòu)組成的零件，這使它們的裝夾變得異常困難。但是，我們根據(jù)零件的CAD模型，快速設(shè)計(jì)出了用3D打印方式制造的定制化塑料夾具，這種夾具在單獨(dú)的FDM（Fused Deposition Modeling，工藝熔融沉積制造） 3D打印機(jī)上制造，這些夾具的曲面結(jié)構(gòu)是和飛機(jī)零件相合的，可以方便地固定住零件。

用輪廓儀測(cè)量3D打印零件的表面粗糙度，平均值約為250Ra。
 “如果客戶需要將表面粗糙度控制在125Ra，則只需幾分鐘的蒸汽處理?！盇aron說(shuō)道。
對(duì)成品零件進(jìn)行熱處理和/或熱等靜壓（HIP）處理，可以延長(zhǎng)其疲勞壽命。Gene指出：“超音速客機(jī)不同于普通客機(jī)，它所承受的環(huán)境影響和氣流壓力要大得多?！?/p>

“超音飛機(jī)所承受的主要負(fù)載，通常不是高速引起的壓力負(fù)載，”Byron補(bǔ)充道，“在很多情況下，是飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)彎曲變形而引起的每個(gè)零件的變形應(yīng)力。比如說(shuō)，安裝連接在一起的兩個(gè)零件的熱膨脹系數(shù)不同，熱變形也不同，就會(huì)造成兩個(gè)零件間的變形應(yīng)力。3D打印零件可以設(shè)計(jì)得非常薄且輕巧，可以緩解這種應(yīng)力的產(chǎn)生。”

Boom公司的XB-1超音速客機(jī)中，有21個(gè)硬件組件是在VELO3D公司的Sapphire 3D打印系統(tǒng)上制造完成的。這些零件的結(jié)構(gòu)特征包括極薄壁、超大長(zhǎng)寬比等等，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的焊接和鑄造，或是老式的3D打印技術(shù)來(lái)制造。

嘗試，學(xué)習(xí)和迭代
通過(guò)XB-1超音速客機(jī)原型機(jī)的增材制造項(xiàng)目，Boom與VELO3D合作雙方都從中學(xué)到了很多東西。 Boom公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)增材制造的潛力超出了他們的想象，可以完整還原他們的設(shè)計(jì)意圖。DMP公司通過(guò)這一項(xiàng)目，也極大地?cái)U(kuò)展了3D打印專業(yè)知識(shí)，并決定購(gòu)入第三臺(tái)Sapphire系統(tǒng)。“由于我們?cè)谠霾闹圃旆矫婺芰υ鰪?qiáng)了，新業(yè)務(wù)也增多了?！?Aaron說(shuō)道。