波音的星际飞船-Starliner
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航空航天增材制造应用发展方向
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 PEEK材料的3D打印

2017年初波音就宣布将600多件3D打印部件用于波音的Starliner星际飞船，这些3D打印部件中还包括塑料零件，其中有牛津性能材料的OXFAB 3D系列打印材料：OXFAB-N和OXFAB-ESD。由于其惰性特点，OXFAB具有高度耐化学性和耐热性，在零下300至300摄氏度之间既可以承受发射时的高温，同时抵抗火焰和辐射，也可以承受太空中的极低温度，这对于高性能的航空航天和工业零部件十分关键。

波音的星际飞船-Starliner
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OXFAB的强度重量比优于铸造铝、镁和尼龙，可以帮助波音公司降低成本和减轻重量，每七个座位的太空出租车，与传统的金属制造相比，塑料零部件节省了约为60%的重量。

3D打印的PEEK被用于航空航天和工业应用领域具有典型意义。经过范围广泛的机械试验数据证明，PEEK是性能表现最出色的热塑性材料，可以用于3D打印功能完整的、可直接使用的零部件。

国内来自中国科学院空间应用工程与技术中心研究团队使用远铸智能（INTAMSYS）的高性能材料3D打印机FUNMAT HT对自主研发的碳纤维PEEK复合材料进行3D打印工艺的系统研究，取得重要科研进展。研究提出了一种普适性的制备满足多种受力情况PEEK打印件的方法，该方法为制备大型打印件提供了新思路，通过调节其他掺杂组分、打印方向和微观结构，运用远铸智能（INTAMSYS）3D打印机和INTAMSUITE软件，使得PEEK碳纤维材料有更强的空间适应性和更多的功能性。

 下一代航空航天技术背后的3D打印技术

不仅仅是PEEK的3D打印，通过适当实施增材制造，可以减少零件和零件重量，同时提高系统性能。波音在3D打印领域的探索和应用由来已久，在波音，对3D打印的应用已经超越了卫星和载人航天器。3D科学谷了解到波音将3D打印技术应用于导弹、直升机和飞机。仅在太空系统中，波音团队为飞行计划提供近 1,000 个增材制造零件。

此前，3D科学谷通过《波音公司新建高通量小卫星3D打印工厂，正在发生的全球“星工厂”热潮》一文分享了波音的高通量小型卫星生产和测试工厂，如何通过3D打印-增材制造加快周期时间；通过《通过获得波音资格的制造商看3D打印进入量产的切入点》一文分享了波音在飞机制造领域将3D打印结构件推向量产应用方面，做出的积极努力。

卫星设计的特点是极端临界质量、多功能结构、低产量、低占空比、高可靠性和上市速度。正因为如此，航天器和卫星平台为使用增材制造设计和分析飞行器产品提供了理想的机会。

3D打印卫星应用
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3D 打印-增材制造可实现高效的设计流程，从而实现过去无法想象的设计解决方案。通过 702SP 卫星开发计划，波音改变了工程模型。波音建立了一种集成设计方法，将所有机械元件整合在一个技术领导之下。由首席工程师负责平台机械架构、负载路径、子系统集成、新材料开发以及负载开发、设计、应力和制造的协同执行。首席工程师还负责各个学科的所有预算，不仅对设计负责，而且对平台机械子系统的可制造性和测试负责。

波音的3D打印
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该管理方法推动了积极使用增材制造，使得曾经无法通过传统加工方式生产的设计现在通过3D打印成为可能。

根据3D科学谷的了解，3D打印-增材制造在波音公司的第一个重要应用是 SES-15 航天器。波音确定了几个机会领域，包括最低点表面安装光学平台的新设计。这种架构需要一种系统方法，该方法不仅解决了增材制造问题，而且还解决了增材制造组件在集成装配中发挥作用的方式。

另外，在复合材料的3D打印过程中，仅仅增材制造并没有提供显着的技术优势，但是，增材制造与新的复合材料和粘合剂材料一起应用时，会产生一种轻质、低成本和热稳定高的解决方案。

总之，波音在针对3D打印的设计、应力分析、材料、制造和负载方面积累了丰富的知识和经验，以便为下一代创新产品的生命周期开发具有成本效益的解决方案。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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而在强大的卫星互联网及国家安全需求背景下，3D打印卫星工厂正在形成一波全球建设热潮。近日，波音宣布其新建高通量小卫星3D打印工厂。

波音高通量卫星
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波澜壮阔的卫星3D打印

近日，航空航天制造商波音公司宣布推出了一个新的高通量小型卫星生产和测试工厂，旨在通过3D打印-增材制造加快周期时间。

该工厂占地 9万平方米，位于 El Segundo 世界上最大的卫星工厂内，为了增加小型卫星的快速交付时间，该设施将 3D 打印-增材制造整个符合太空要求的卫星巴士，预计将于 2022 年底全面投入使用。

根据波音航天与发射高级副总裁 Jim Chilton，波音和千禧空间系统公司正在将波音的生产专业知识、领域知识和制造能力与敏捷性和快速原型设计相结合，以满足市场对多轨道星座的需求。

WGS-11+ 卫星的预期外观渲染图
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 3D 打印卫星部件

早在 2017 年，波音就公布了 3D 打印卫星的计划，并在此期间发射了包含 50 多个 3D 打印组件的 SES-15 卫星。

最近，波音与 Titomic Kinetic Fusion (TKF) 3D 打印工艺背后的公司 Titomic 合作，研究可持续钛粉在空间系统增材制造零件中的应用。波音公司将提供其设计和工程专业知识，使 Titomic 能够展示其用于生产空间零件的3D打印工艺。

作为 6.05 亿美元合同的一部分，波音公司还开始使用 3D 打印来增加其为美国太空部队生产的宽带全球卫星通信卫星的产量。波音已将3D打印-增材制造纳入卫星的工作流程，以将交货时间从 10 年显着缩短至仅 5 年。

SES-15 卫星的 3D 打印部件
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 缩短卫星制造周期

在新的卫星生产设施中，波音和千禧空间系统公司将利用先进的增材制造技术为客户提供更快的周期时间。该生产线结合了基于模型的系统工程、数字设计工程和可制造性设计，从而能够在同一条装配线上生产不同安全级别的小型卫星。

该设施还将提供专门为小型卫星量身定制的环境测试能力，包括过去拥有合格标志性航天器的卫星，例如第一辆在月球上进行完全可控软着陆的飞行器。

市场需要比以往更快的在轨卫星，就像飞机或汽车生产线一样，波音采用精益生产原则和先进的3D打印制造技术来加速交付并实现成本节约。该设施的初始运营能力早在 9 月就已具备，预计将在 2022 年底全面投入运营。

 3D打印卫星工厂的投资热潮

3D打印在卫星等航天器的制造方面，极大的压缩了卫星制造的供应链。随着增材制造技术的发展及商业航天探索的投入，增材制造组件已成为其制造的所有卫星的标准，根据3D科学谷的了解，到 2020 年，增材制造组件约占典型航天器组件的三分之一。

卫星类型
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根据3D科学谷，从2015年开始，中国诞生了以星际荣耀、蓝箭航天、星河动力、科工火箭等为代表的商业火箭企业，双曲线、快舟、捷龙系列商业火箭已实现成功入轨发射。上游火箭发射的蓬勃发展，也进一步加强了下游卫星制造的发展步伐。

卫星类型

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2015年起，以九天微星、微纳星空、银河航天、天仪研究院、星众空间等为代表的商业卫星企业纷纷创立，并已经制造、运营了多颗卫星。

根据3D科学谷的市场观察，世界范围形成了一轮3D打印卫星工厂的投资热潮。

国内，在卫星批产的过程中，银河航空开始应用3D打印技术“降本增效”。在载荷的研发生产中，通过3D打印技术实现高频微距波导、高性能天线等载荷的加工，将部分载荷互联的空间压缩到传统占用空间的1/3，同时电性能还得到一定程度的提升，使得部分单机及系统的性能更上一层，也极大促进了行业的进步。银河航天在南通重点打造新一代卫星智能制造超级工厂，向年产300-500颗卫星迈进，配套具备低成本、批量化制造新一代低轨宽带通信卫星的智能生产线。

3D打印卫星
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此前，国际上一家名为Terran Orbital的创业企业宣布投资 3 亿美元在佛罗里达州建造商业航天器设施。该设施占地 660,000 平方英尺，将建在梅里特岛上，并利用 3D 打印技术每年生产数千种不同类型的航天器。该工厂将基于人工智能 (AI) 控制的供应链，为卫星生产各种复杂的电子和机械设备。这家工厂结合人工智能驱动的控制，3D 打印机可以不断优化生产，从而以指数方式提高产品质量和缩短生产时间，降低成本，并实现传统航空航天制造无法实现的产品设计。

国际上另外一家名为Fleet Space的公司在2021年12月的B轮融资中筹集了超过 2600 万美元，这家初创公司宣布了第二代星座的计划，据称该星座将包括第一批完全通过 3D打印制造的卫星。3D科学谷了解到Fleet Space 3D 打印卫星天线使其每公斤航天器的传输能力提高 10 倍。这个升级后的星座中的第一颗小型卫星被称为阿尔法，目标是在 12 个月内准备好发射，以加入目前在轨的六个半人马座立方体卫星。根据 Fleet Space，每颗 Alpha卫星将拥有多达 64 3D 打印天线，这使得它能够提供比其最近的Centauri 卫星高 16 倍的性能，而重量只有四倍。

3D打印航天器优势
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总体来说，3D打印卫星正在产业化进行时，3D科学谷认为早期进入到这个领域的企业将获得先发优势，尤其是经验与数据（结合人工智能）的复合积累优势，这个优势将是后来者难以追赶的。

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根据3D科学谷的市场观察，一家叫Burloak的公司最近宣布已获得波音公司的批准，可以根据波音BAC 5673 规范增材制造 AlSi10Mg 铝部件。

实现航空航天的轻量化设计，重量减轻 60%。© Burloak

增材制造结构件的产业化之路

通过3D打印那些具仿生学特征的复杂零件具备天然的优势，3D打印的一些特殊优势，包括减轻重量，或者通过仿生学、拓扑优化将原先多个零件进行了大幅度的重新设计，从而实现结构一体化。该支架采用现有的铝材设计，并应用拓扑优化来产生功能设计，成功地将购买飞行比从 5 倍降低到 1.06，而不会影响结构完整性。

Burloak 为许多 OEM 机身制造商和 1 级和 2 级飞机部件供应商提供结构和非结构部件，这些部件采用铝、钛、镍和不锈钢合金制成。

而Burloak通过波音的批准标志着资格认证程序的完成，其中包括波音公司对 Burloak 能力的严格评估。根据3D科学谷的了解，这其中Burloak与波音一起制定了明确的规范，该规范已经证明了使用增材制造生产飞行部件的稳健、可重复的流程。这一里程碑也标志着增材制造在航空航天领域的重要性日益增加，代表着在通往更绿色航空未来的道路上向前迈进了一步。

© Burloak

根据3D科学谷的了解，Burloak为增材制造、材料开发、高精度 CNC 加工、后处理和计量提供工程和设计服务。Burloak 与航空航天、汽车和工业市场中最具创新性的公司合作，快速将其最具挑战性的零件设计转变为大规模增材制造。Burloak已通过 AS9100D、ISO9001 注册，并获得加拿大受控商品认证。

 结构件登台

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。而根据3D科学谷的市场观察，波音在将3D打印结构件推向量产应用方面，做出了积极的努力。

不过零件的认证是关键…

另外一个案例是为波音商用飞机制造机身的Spirit AeroSystems公司，已经安装了为波音787飞机通过增材制造的钛结构部件，该部件是一个用于通道门锁的配件。

这个配件支架似乎不是会导致飞机故障的那种关键部件，不属于那种会导致飞机失败时无法飞回家的部件，但这个部件非常重要，如果这个部件出故障了，飞机还能够安全无碍的飞回家。

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。增材制造的这些更大胆的设计，至少对于结构件来说，必须等待机会，为这种的零件认证是一个充满挑战的过程。

根据3D科学谷的了解，Spirit AeroSystems公司制造的门锁配件是由Norsk Titanium专有的快速等离子沉积（RPD）工艺进行3D打印的。Norsk Titanium公司的快速等离子沉积™技术用于飞机结构件研发，通过技术研究与改进以及一系列严格的测试，最终于2017年2月获得了首个3D打印钛合金结构件的FAA适航认证。

令人喜悦的是FAA这些监管机构已经看到增材制造的优势，虽然他们知道3D打印可以实现更好的性能甚至带来更安全的飞机。关键是要找到一种方法，而了解3D打印过程所产生的所有重要特性，以及这些特征带来的结果，是充满挑战的。在这方面，ASTM打造了一系列培训课程帮助业界更好的理解与规划FAA等监管机构的要求，3D科学谷将在后期的ASTM系列培训课程“精粹会”中为业界重点介绍。

根据3D科学谷的了解，Burloak和波音公司目前正致力于将 BAC 5673 规范应用于现有和未来组件的多个项目。我们可以期待的是，下一步更多的制造方案提供商通过与波音、空客这样的企业的合作，将更多的增材制造零件推向产业化。

l 来源：3D科学谷内容团队

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通过3D打印，波音实现更强大的电磁干扰滤波器冷却装置，从而提升了电气系统的安全性。

更强大的电磁干扰滤波器冷却装置。来源：波音

 灵活的冷却通道更强大的冷却效果

EMI滤波器可以包括多个部件，包括电感器（或扼流圈）和电容器。电感器可以包括缠绕在环形磁芯周围的绝缘导线。通过的电流使电感器发热，高温会降低电子设备的性能和效率，有时候还会损坏设备和滤波器扼流圈本身。

更强大的电磁干扰滤波器冷却装置用于飞机上的电子器件散热。来源：波音

目前市场上通常的解决方案是将过滤器封装在电灌封材料中并在表面上吹冷空气来维持EMI滤波器的适当操作温度。然而，随着电气元件的空间减小，仅通过气流维持所需温度变得越来越困难。因此，需要新的解决方案来提供更有效的冷却方式。

根据3D科学谷的市场研究，波音通过3D打印技术在制造电磁干扰滤波器冷却装置方面实现了创新，并申请了专利。这种新设计的冷却装置包括一个或多个外部腔室，一个或多个中央流动通道和外围流动通道。

其中，一个或多个外部腔室可以围绕EMI滤波器的外表面。而外围流动通道可以延伸电磁感应过滤器外部的长度，外围流动通道可以设置在腔室之间并且通向腔室外部。

壳体的材料可以是聚醚醚酮（PEEK），G-10玻璃纤维或铝合金，壳体还可包括基部和帽部，基部和帽部可以夹在一起包围EMI滤波器。主腔可以由基部的中心结构和基部的外围结构形成。

周边的流动通道可以围绕冷却装置的纵向轴线对称地设置。中央流动通道也可围绕冷却装置的纵向轴线对称设置或围绕纵向轴线对称地偏移。

冷却流体可包括液氮，可以将液氮的温度保持在一定范围内，使得在冷却装置内不会发生从液态到气态的完全相变。

 3D科学谷Review

3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中提到热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破。

根据3D科学谷《3D打印与换热器及散热器白皮书》，通过应用3D打印技术，降低了热传导路径的热阻，同时保持或降低了系统的重量。

在以产品功能实现为主导的正向设计方面，热交换器和散热器方面，正在发生产品设计层面上的不断的创新，这些创新将以商业化实现的方式提升人类热管理的效率和能力。

而根据3D科学谷的市场观察，不少的公司在3D打印热交换器和散热器方面获得了进展。其中包括在航空航天领域的GE、雷神公司、诺思罗普·格鲁曼公司、Unison Industries公司；在汽车领域的HiETA Technologies与雷尼绍合作开发的换热器，Conflux所开发的新型高效热交换器ConfluxCore以及菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）开发的铝制散热器；在IT电子领域微软、IBM、Ebullient LLC等公司开发的微处理器冷却解决方案以及热管理系统。

参考资料：
US10136557B2 Thermal management systems and methods for heat generating electronics
US10107555B1heat_exchanger_assembly_unison_industries
US10398059B2_system and method for cryogenic cooling of electromagnetic induction filter_boeing

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HexPEKK™ 材料与3D打印工艺 HexAM™ 制造的零件。来源：Hexcel

 在材料与设计层面迈向轻量化

波音公司纳入到合格供应商名单中的3D打印复合材料是由赫氏（Hexcel）生产的 HexPEKK-100 材料。

这是一款聚醚酮酮和碳纤维复合材料，Hexcel 开发了专有的材料配方，打印工艺为选区激光烧结（SLS），将被用于制造最终使用的飞机零部件，例如优化设计的支架、复杂管道，以及替代部分铸造件。

HexPEKK™材料与3D打印工艺 HexAM™ 制造的零件。来源：Hexcel

HexPEKK 材料比铝轻50％，是一种可替代金属的轻量化工程级材料，该材料具有优异的温度耐受性和耐化学性，并具有良好的机械性能，能够满足飞机内部烟雾和毒性要求（UL VO，OHS）。

与传统的铝加工或复合材料加工相比，Hexcel 将通过3D打印技术与HexPEKK 材料提供高效的连续零件生产，有助于缩短交付周期，降低复杂部件的生产成本。

 3D科学谷Review

根据3D科学谷的市场观察，波音早在航天器制造中应用了PEKK 3D打印技术，供应商为牛津性能材料（OPM），OPM 被选定为波音CST-100火箭飞船提供3D打印的结构件。

CST-100 飞船。来源：Boeing

OPM称PEKK材料“是一种具有卓越的强度、耐化学性、耐低温和高温、耐辐射性，以及优异的耐磨损性能的超高性能聚合物”。OPM通过3D打印 PEKK材料制造具有独特几何形状的零部件，为航空航天、能源、医疗及半导体领域提供低重量、高性能的3D打印部件。

OPM 公司的航空航天和国防（A＆D）业务在2017年被Hexcel 收购。在收购之前，OPM 已经开展了与波音的合作，并获得了许多认证，包括AS9100C认证。

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 根据性能要求来设计材料

根据3D科学谷的了解，其基本原理包括，通过输送机构推动丝材的运动来实现连续的3D打印过程，其中丝材包括非树脂组分和光聚合树脂组分。进给机构包括相对的辊子和与至少一个相对的辊子接触的刮刀。

通过输送导向器沿着打印路径沉积一段连续柔性丝材，然后沿着打印路径沉积的连续柔性丝材的一部分提供固化能量，通过使用刮刀去除光聚合树脂组分的残余物。

连续柔性丝材包括预浸料复合材料和非树脂组分，包括一种或多种纤维材料，例如碳纤维，玻璃纤维，合成有机纤维，芳族聚酰胺纤维，天然纤维，木材纤维，硼纤维，碳化硅纤维，光纤，纤维编织物，金属线，导线等。连续柔性丝材与增塑剂层叠以制造复合材料部件。

而具体采用哪一种材料，则需要根据所需要实现的物理特性来决定，这些物理特性包括强度，刚度，柔韧性或硬度等。不过除了强度，硬度，柔韧性，硬度的考虑，有时候还可以扩展到颜色、发光、导电性，导热性等方面的精确选择。

在加工过程中，除了可采用紫外线来固化聚合物树脂，还可以采用红外光或者X射线。

或许你会好奇为什么波音公司要开发这样的材料，其实在波音公司宣布将600多件3D打印部件用于波音的Starliner太空出租车之时，这也意味着塑料代替轻质金属合金将成为交通工具领域的一大趋势。

不过根据3D科学谷的市场研究，波音公司开发的连续树脂基复合材料3D打印技术不仅仅适用于航空航天应用，还可以应用于其他行业，可以在车辆、海上交通工具、航天器等应用。

 3D科学谷Review

市场上的连续纤维增强树脂基复合材料的3D打印方法存在以下主要问题：

- 各类纤维在出厂时，其表面活性基团均只适应于与热固性树脂的浸润过程。在使用简单的措施将未处理的纤维与熔融热塑性树脂共混时，难以使纤维与树脂充分浸润，这导致构件的纤维-树脂界面较差。

- 大丝束纤维呈展平带状，现有3D打印方法难以使用大丝束纤维，且小丝束纤维在成型过程中成型速度慢，成型后的表面质量、纤维树脂体积分数、纤维树脂分布情况、层间结合力等性能指标难以控制。

- 现有的方法在打印过程中，由于纤维的局部分叉、断裂，容易造成纤维在腔体中堆积、堵塞，对成型过程造成影响，同时，成型轨迹中纤维呈松散、无规律的分布状态，使得构件的承载性能受到影响。

根据3D科学谷的市场研究，在国内，南京航空航天大学针对现有的热塑性树脂基复合材料3D打印成形时所使用的连接纤维尺寸较小，且不能对连接纤维实现有效浸渍而造成成型速度低、构件尺寸受限较大、成型件综合性能低的问题，发明了连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的3D打印方法。适用于尺寸较大的纤维丝束，该打印技术成型速度快，表面质量提高，同时纤维与热塑性基体间的界面结合性能好，构件纤维含量高，纤维密实度高，并且提高了打印构件的力学。

南京航空航天大学还研发出连续纤维增强热塑性树脂基复合材料旋转共混3D打印头，其特征在于: 挤出头连接于熔融腔也可绕中轴旋转，且旋转方向与熔融腔相反；熔融腔与挤出头内侧均有搅拌齿环，纤维束和熔融热塑性树脂受到两级反向旋转的螺旋齿环搅拌作用下均匀共混，且共混体以螺旋状密实缠紧成圆柱丝束，树脂沿纤维取向均匀分布；挤出头挤出材料至成型区域并固化成纤维增强树脂基复合材料。

南京航空航天大学的技术对当前热塑性复合材料成型技术是一种突破，南京航空航天大学采用两级旋转腔体对纤维和树脂的共混体进行搅拌和缠绕，适用于较大尺寸的纤维丝束，优化了打印头对纤维原有状态的适应性，在相同的打印速度下，提高了打印效率，改善了构件的表面质量；搅拌共混的作用下，纤维与树脂间的浸润充分，共混体中的纤维呈紧密螺旋缠绕状，提高了增强体的承载能力，树脂在纤维中各处分布均匀，改善了构件的层间和界面结合性能，提高了打印构件的力学性能；挤出头的旋转作用可使共混体在挤出后，纤维与树脂的分布均匀，纤维体积含量高。

当前针对连续纤维增强的热塑性复合材料成型FDM打印技术领域，活跃的企业和研究机构包括美国Mark Forged，日本大学、东京工业大学，西安交通大学等。3D打印随着南京航空航天大学将这一技术水平推向新的高度，3D科学谷认为FDM技术用于连续纤维增强的热塑性复合材料打印技术进一步走向工业级应用。

南京航空航天大学的突破性在于实现了较高力学性能连续纤维增强热塑性基体复合材料构件的3D打印，且成型效率高，表面质量好，可适用于对性能要求较高的航空航天复杂构件的成型过程。

从金属到高性能材料的转换目前是航空航天市场的一个既定趋势，3D科学谷认为复合塑料成为追求设计自由度、制造便利性和轻质以超越传统铝材的方案。

参考资料：US10112380B2_methods for additively manufacturing composite parts

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波音公司曾在2015年展示了他们独特的3D打印微点阵结构材料的巨大潜力，并且波音相信这是世界上最轻的金属。该材料的研发背景是2011年由波音子公司HRL实验室为国防高级研究计划局（DARPA）开始研发的。重量比塑料更轻，壁结构比人的头发丝还细一千倍，密度仅为0.9毫克/ CC，该结构是一种由相互连接的空心管金属晶阵，这使得它具有非常强的抗压缩能力和高水平的吸收力。

那么此类微晶格结构的制造思路和商业用途具体是怎样的呢？本期，3D科学谷为谷友逐一揭示其背后的理念与技术：3D打印与材料学，结构力学的结合。

 不再依赖于温度

通过3D打印技术创造的这一突破性的金属结构，其基本的架构是通过UV光固化聚合物形成的模板。然后使用化学电镀的方法为模板镀上一层超薄的镍，再除掉热聚合物模板材料，只留下空心的金属结构。该金属结构的99.99%都是空气，纳米固体结构只占0.01%，空心管壁厚度仅100纳米，比头发细1000倍。

在此之前，市场上通常使用的是粘弹性阻尼材料，这些材料通过在应力下滑动的聚合物链吸收能量，不过，粘弹性聚合物的功效强烈依赖于温度，因此，粘弹性聚合物仅在较小的温度范围内表现出高阻尼系数，而在极端温度下则性能较差。

通过利用中空管弯曲的能量吸收机构（如微晶格所提供的），HRL实验室的研究结果可以提供高阻尼的性能，特别是适用于声学，振动或冲击领域的阻尼用途。

根据3D科学谷的市场研究，HRL实验室实现的中空管壁厚与直径之比小于3.ε，中空管直径在10微米到10厘米之间。材料方面，中空管由金属、陶瓷和塑料材料形成。微晶格适于在大于300摄氏度的温度，低于负100摄氏度的温度或在超过200摄氏度的温度范围内提供阻尼用途。

阻尼的物理意义是力的衰减,或物体在运动中的能量耗散。通俗地讲，就是阻止物体继续运动。一般来说，材料的阻尼系数越大意味着其减震效果或阻尼效果越好。但是并不是阻尼越大越好，阻尼大到一定程度时两个物体之间变成了刚性连接。

当然，微晶格需要阈值应力以触发屈曲和伴随的能量吸收等特性是可以设计的。

通过制造这种具有类似于粘弹性阻尼材料的金属或陶瓷微晶格材料，同时保留金属或陶瓷的优点，例如温度不敏感（与粘弹性仅20-30摄氏度范围相比）。

 可期待的商业化前景

关于微点阵结构的商业化应用，3D科学谷曾介绍过Incase利用Carbon的20台3D打印平台来设计和生产更先进的移动设备保护设备，这是业内首个3D打印的新型弹性体复杂结构设计的移动设备防护解决方案。

这样的微晶格材料还可用作吸声器，其比传统的吸声器更薄更轻。另外，它可以用在汽车中作为减振器来减弱声音并提供冲击保护。可扩展的商业化前景包括可以用作约束层阻尼器，以抑制平面或旋翼机机身中板的振动。

这是一种具有较低的重量，较低的温度依赖性和多功能特性的材料，而3D打印让这种新型的材料成为现实。

参考资料：US10119589B2_microlattice damping material and method for repeatable energy absorption

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Assembrix的基于云的平台将允许波音公司使用安全分配方法传送3D打印设计信息，以保护数据在分销和制造过程中不被拦截、破坏或解密。该平台负责监控整个3D打印过程，从原始零件模型到经过验证的物理零件以及更多。它还允许为多个室内用户或外部客户分配和监控3D打印机，提供全自动化和自控过程，从而提高打印利用率和投资回报率。

波音目前在其20个地点使用3D打印，并在全球拥有供应商，为其提供用于商业、太空和国防平台的3D打印部件。除了为Dreamliner飞机使用3D打印部件之外，波音公司最近还委托他们为太空出租车、卫星等3D打印零件。该公司的目标很大，包括超音速飞行和火星运输，3D打印将帮助它更有效地实现这些目标，特别是现在该技术受到Assembrix软件的保护。

Assembrix首席执行官Lior Polak表示：“我们很高兴能与波音合作。这次合作支持我们的愿景，即开发和实施连接世界的创新解决方案，并将3D打印数字线向前推进一步。”

Assembrix总部位于以色列，专门从事航空航天、汽车和医疗行业的解决方案。这些解决方案包括Assembrix VMS、Assembrix Prepare、Assembrix Quote和Assembrix API。波音公司使用Assembrix的平台进行安全、快速和简单的报价和沟通以及管理和保护知识产权。

“越来越多的客户成功使用Assembrix制定的独特虚拟3D打印机解决方案，使他们能够随时向我们发送任何尺寸的文件，”UCT客户的Lavi Lev说。“创新的基础设施使新加坡UCT能够在其3D打印机上为我们的客户、工业制造商分配虚拟制造量，并使其能够在类似Airbnb的生态系统中共享他们的设计。总之，该系统节省时间和金钱，促进与客户的无缝沟通，优化计划并自动实现报价功能。”

来源：3D虎

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波音和劳斯莱斯已投资2650万英镑（约合3760万美元）于英国Reaction Engines公司，致力于3D打印SABRE发动机和开发未来超音速旅行发动机方案。

SABER是一种混合动力发动机，能够在低空和高空飞行，使用氢/氧混合（低海拔）或储存液态氧（LOX），SABER的多功能性意味着由引擎供电的飞机可以在四个半小时的时间内从伦敦飞往澳大利亚（大约15,160公里），也可以集成到可重复使用的航天飞机中。

这种混合动力发动机的发展的一个重大突破是Reaction Engines专有的换热器技术，它是“世界上冷却空气最强有力的手段”。该技术可以从空气中去除400 MW的热量“相当于一个小型发电厂。”

在此热交换过程中防止结冰的推进剂注射器系统使用3D打印增材制造技术制造。

SABRE发动机使得军事反应或长途飞行变得轻而易举。SABRE发动机是Reaction Engines公司同时在开发的“单级入轨云霄塔（Skylon）航天飞机的核心零部件。云霄塔航天飞机将可以从传统的机场跑道自行发射进入太空。SABRE发动机通过从大气中吸入氧气将飞机的速度推升至5.4马赫（超过6000公里/小时）甚至是25马赫的速度，然后切换至氢燃料并使用内置的液氧。为了使发动机能够在极端的大气条件下工作，它需要能够在不到百分之一秒的时间里将吸入发动机的空气流从超过1000℃降低到零下150℃。如今它做到了这一点，而且发动机因此而增加的重量微乎其微。

根据波音投资分支机构HorizonX副总裁Steve Nordlund，波音将继续推动全球各地的制造能力与SABRE发动机引擎投资相结合。随着英国Reaction Engines公司开启先进的推进技术，这可能改变航空和太空旅行的未来，波音期望利用他们的革命性技术来支持波音公司对超音速飞行的追求。

此前，英国政府以及英国航天局和欧洲航天局/欧空局）资助了6000万英镑（约合8510万美元）给SABRE发动机项目。该公司此前还从全球第二大防务公司和英国企业BAE系统获得了2060万英镑（约合2920万美元）。

利用波音和劳斯莱斯的最新基金，Reaction Engines在过去三年里筹集了超过1亿英镑（1.42亿美元）的资金。

而波音还在与美国国防部高级研究计划局（DARPA）和加利福尼亚火箭开发商Aerojet Rocketdyne签署合同，进行超音速飞行开发。

根据DARPA的报告，超声速飞机将在其生产中融合“众多先进技术”。而波音和Aerojet在增材制造方面的领先优势将在此开发过程中发挥重要作用。此外，波音公司最近与瑞士上市技术集团欧瑞康签署增材制造合作协议

而Aerojey Rocketdyne的3D打印部件AR1发动机将于2019年获得认证。

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与洛克希德·马丁（Lockheed Martin）同为联邦政府的两大承包商，波音公司在2015年获得了超过160亿美元的订单。在这些订单的执行过程中，3D打印正在扮演越来越重要的角色。2017年8月，波音宣布已经组建了新的波音增材制造（BAM）业务单元，以简化和加速增材制造在整个波音企业内的应用，这也意味着3D打印的重要性提到正式议程。

在2003年，波音就通过美国空军研究实验室来验证一个3D打印的金属零件，这个零件是用于F-15战斗机上的备品备件。当需要更换部件时，3D打印的作用显现出来，因为通过传统加工的时间太长了，并且通过3D打印加工钛合金，替代了原先的铝锻件，而钛合金的抗腐蚀疲劳更高，反而更加满足这个零部件所需要达到的性能。（腐蚀疲劳是在腐蚀介质与循环应力的联合作用下产生的。这种由于腐蚀介质而引起的抗腐蚀疲劳性能的降低，称为腐蚀疲劳。）

波音企业技术战略总监Leo Christodoulou，当时这个零件是通过激光能量沉积的工艺加工金属粉末来获得的，这种定向能量沉积（DED）的工艺被首次应用到军事飞机上。同时也打开了波音公司的3D打印应用之路。近14年后，波音公司现在已有超过50,000件3D打印的各种类型的飞机零件。

波音公司开始通过DED技术为其787梦幻客机生产结构部件。通过Norsk Titanium的快速等离子沉积技术，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。

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，这些公司预计今年将获得额外的FAA批准的物料和制造流程。

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化工艺不同的是，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。

根据Christodoulou，有些技术比DED工艺提供更好的复杂性，但DED工艺却提供了另外一种价值。尤其是加工例如钛合金这种昂贵的材料，所节约的材料的价值是显而易见的。

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。

根据Christodoulou的说法，DED可能是波音公司为生产终端而首先采用的技术之一，不过显然3D打印是一系列不同的制造技术的组合，包括塑料的3D打印，复合材料，金属和陶瓷等不同材料的打印工艺，都各具特色，并且为工艺链创造独特的价值。

在波音公司的3D打印”工具箱”中，有一项技术是Stratasys的FDM技术。Stratasys的Infintely build 3D打印系统是Stratasys推出的大尺寸塑料零部件3D打印设备，打印的零件高度达0.76米（30英寸），宽度达1米（40英寸），Infinite-Build系统能自动检测出材料的剩余量，材料耗尽之后由机械臂自动更换材料罐，从而实现不间断的无人操作。

打印大型的塑料零件还有BAAM技术，去年，波音和橡树岭国家实验室（ORNL）赢得了吉尼斯世界纪录，他们合作3D打印了飞机机翼的夹具，这个夹具用于固定777X复合翼面以进行钻孔和加工。

不过虽然飞机零件制造商对尝试一种新的技术保持开放的心态，但要进入到生产体系是需要经过严格的验证的，波音公司不仅仅使用新的3D打印技术，以创造出新颖性的零件。根据Christodoulou的说法，每个技术和零件都需要经过严格的质量控制过程。

“一些技术比其他技术更成熟，所以它比其他技术更有可能满足波音的要求，”根据Christodoulou，“波音有充分的开放心态来捕捉新技术的好处，但落实到生产领域的实施必须是基于使用稳定的技术和反复验证的可靠性。”

Christodoulou表示，波音公司拥有非常严格的过程规范，以便在获得一致的零件生产能力。一旦在多台机器和全球各地的多个安装中的过程中证明了稳定性，波音就会开发一个数据库来记录零件的产品生命周期数据。这使得波音公司能够拥有使用特定过程制造的特定零件的全部数据。

这不仅适用于制造工艺与流程，而且对于材料也是如此。最新的材料之一是波音公司正在试验由Oxford Performance Materials（OPM）-牛津性能材料开发的一种激光烧结OXPEKK。波音公司将为波音船员太空运输（CST）-100 Starliner航天器提供600多个零件。Starliner航天器最多可以携带七位乘客，也作为船员和货物到达如国际空间站等低地轨道的交通工具。

与其他采用增材制造技术的航空航天公司不同，波音公司并不完全依赖内部生产，Christodoulou指出，波音企图在内部工作和利用其供应链之间取得平衡。

根据Christodoulou，“65％的工作是由波音的供应商在波音之外完成的。但是波音必须在内部活动和供应链之间取得平衡。在很多情况下，波音的价值主张是与外部的供应基地合作，利用他们的专长和资本投入。例如，Norsk对其技术进行了大量资本投资，波音不一定要复制。而是宁愿和他们合作。波音重视并欣赏供应商的贡献。”

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