交通運輸工具，尤其是航空航天領域，不斷追求輕量化和優化製造工藝的需求越來越大。 根據3D科學谷的市場觀察，目前計算模型與實驗室測試工作使得評估3D列印的零件是否符合適航認證要求成為可能，特別是，疲勞壽命表征仍然是DfAM（專為增材製造設計）航空零部件需要深入研究的關鍵點。
3D列印液壓歧管的設計
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/ 伴隨機遇的挑戰
根據3D科學谷，隨著3D列印技術應用的深入，航空航天中的大多數AM-增材製造金屬零件應用都朝著降低成本和更短的製造周期以及減輕重量和簡化先前設計的幾何形狀的顯著優勢發展。
航空航天領域有很多極端應用，包括火箭發動機、油壓閥、推進劑儲存器、葉片、熱交換器和衛星部件等。然而，3D列印帶來的真正經濟效益只能從長期來看。目前許多未解決的問題都與流程成熟度問題有關，增材製造工藝仍以原型製造和實驗線為主，生產率還不夠高，無法保證整個供應鏈的良好利潤率。以增材製造為基礎的金屬零件生產雖然增長迅速，但仍有許多需要鞏固的地方，尤其是在認證流程、質量控制方法和機械性能的可重複性方面。
3D科學谷白皮書
就航空航天領域而言，主要政府實體正在制定測試和鑑定協議，例如 EASA（歐盟航空安全局）、NASA（美國國家航空航天局）、ESA（歐洲航天局）和 FAA（聯邦航空管理局）等等，公認的認證過程被認為是可能的，這可以在很大程度上加速 AM-增材製造在航空航天工業中的可靠採用。
實際上，AM-增材製造的金屬合金的靜態行為表征方面已經達到相當成熟的置信水平，然而有關於增材製造的金屬合金疲勞和蠕變機械性能具有不確定性。尤其是孔隙率可能帶來過早疲勞損傷，這種缺陷會引發潛在開裂。然而，業界在減輕這些製造缺陷方面已經取得了許多進展，包括通過熱處理和 HIP（熱等靜壓）等特殊工藝可以改善這些問題。
/ 3D列印液壓歧管
增材製造對於製造幾何形狀高度複雜的零件非常有利，液壓歧管是3D列印發揮優勢的一類零件。這些組件用於管理油壓迴路中泵、閥和執行器之間的流量通信，傳統的液壓歧管是從不鏽鋼或鋁合金坯料開始製造的，傳統上，閥塊製造從鍛造原材料開始，然後進行機加工、修邊、鑽孔，最後組裝。這個過程既耗時又複雜，幾乎沒有優化空間，並且通過CNC機加工鑽孔工藝完成內部通道的加工，這通常非常昂貴，且精度難以控制。
液壓歧管實際上非常適用於增材製造 (dfAM) 設計，因為它們具有內部管道和複雜的特徵，此外，3D列印帶來的液壓歧管重量/體積優化無疑是另一個重要的優勢。
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根據3D科學谷的市場分析，Safran-賽峰、Liebherr-利勃海爾和 Airbus-空客等研究了基於 AM-增材製造的液壓零件在航空航天系統的一些應用。目前3D列印液壓歧管的巨大的挑戰涉及機械零件設計和生產過程的標準化，製造過程仍然很昂貴。 一旦可靠的生產工藝成熟，增材製造技術就可以克服傳統生產的主要缺點，通過對原有零件的重新設計， AM-增材製造可以將組件替換為單個或更少的零件，其次提供具有最佳強度重量比的形狀。這意味著減重直接關係到增強的經濟性能，包括降低燃料成本、減少排放、增加有效載荷和增加航程。
下面的具體案例分享用于飛機起落架應用的增材製造歧管的設計和鑑定。
l 設計優化
設計從用于軍事應用的現有歧管開始，該歧管材料為2024 鋁合金，使用 CAD 根據DfAM思路進行了重新設計，目的是去除不必要的質量並提高加壓油通道的流體動力學性能。起始約束由空腔、埠和固定點的定位和大小表示, DfAM 設計方法允許移除輔助部分，例如插頭部分。
光滑的通道可以提高流體動力學性能，因為不再需要CNC機加工的典型 90° 角，以及直徑恆定的直通道。設計過程從流體通道的設計開始，始終考慮到設計未來的可3D列印性。然後，金屬外殼被繪製在流體通道周圍。其典型的初始厚度為 5 毫米，適用於關鍵壓力。通過反覆驗證設計解決方案的靜態阻力，增加了金屬表皮的厚度（通常最多增加 40%），還可以在結構中引入了肋骨以實現足夠的加固。
根據定義，通道的設計應該是自支撐的，因為通過耗時的後處理機械地移除通道內的支撐是一種製造層面上的浪費。對於直徑最大為 10 毫米的圓形截面，這已得到普遍驗證。在此特定情況下，通道的最大內徑為 7 毫米。然後，外部支撐被限制在絕對必要的表面。金屬 3D 列印提供了傳統 CNC 機技術無法獲得的機會，如果在建模階段通過仿真發現應力集中或變形，始終可以改變通道的截面，增加某些點的尺寸，或從圓形變為橢圓形，然後返回圓形。
在該案例中，使用 3D 列印軟體 (Materialise 的Magics 3D) 定義支撐和列印部件擺放，使用3D印表機 (EOS M290, 52)的專有軟體，定義了構建室的工藝參數（例如，底板溫度、氬氣流速、刮刀速度等）。
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基於有限元的分析可能會準確地檢測出最高應力集中的位置，但更難準確地預測部件的壽命，因為它無法解釋所有生產公差或製造過程中可能影響疲勞壽命的其他影響 。更穩健的方法是進行加速測試，通過測試以最接近的方式檢驗零件在服役期間經歷的操作條件下的表現。
圖 1. 用於重新設計增材製造液壓歧管的自動化 CAD 步驟。(a) 常規歧管的初始管道；(b) AM 增材製造的設計優化：重新設計的通道（藍色）；要移除的插頭（紅色）；(c) AM 增材製造的最終管道設計
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隨後，在3D列印的液壓歧管組件合格的情況下，進行了耐壓、忍耐力、耐沖疲勞、脈衝疲勞、爆破壓力、泄漏測試。當前設計活動的結果是比傳統 CNC 加工的初始解決方案輕 40%。此外，AM增材製造重新設計的歧管的流體動力學性能等於或優於 CNC 生產的具有直通道設計的流體動力學性能。雖然在3D列印條件下通道內的粗糙度較高，因此可能會導致更大的壓降，但這將被流暢的連接通道產生的較低壓降充分補償。
知之既深，行之則遠。基於全球範圍內精湛的製造業專家智囊網絡，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智能製造深度觀察。有關增材製造領域的更多分析，請關注3D科學谷發布的白皮書系列。