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Stratasys公司Scott Sevcik:"增材制造走向成熟,航空航天正当时。”

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-09-09 14:06:51   来源:TCT亚洲展  浏览次数:3346  
核心提示:2014年的时候,当3D打印技术的泡沫期逐渐褪去的时候,设备厂商开始寻找原型以外的应用,Stratasys正是寻找新商机的厂商之一,他
      2014年的时候,当3D打印技术的泡沫期逐渐褪去的时候,设备厂商开始寻找原型以外的应用,Stratasys正是寻找新商机的厂商之一,他们发布的一则招聘广告,吸引了一名名叫Scott Sevcik的工程师,Scott本人有航空航天的多年经验。

这个岗位的设立是为了Stratasys的公司里有航空航天领域的技术背景的员工,利用他们的专业知识来发展公司在该行业的业务。两天后,Sevcik和猎头讨论了这个职位。然后没过多久,Rich Garrity,现任的Stratasys北美区总裁面试了他,然后提了一个问题。

在航空航天相关系统内工作了12年,其中三分之二的时间在洛克希德-马丁,四分之一的时间在联合技术公司(以下简称UTC公司),Garrity问Sevcik是否准备离开航空航天行业。

Sevcik斟酌了一下,回答道。"并没有。"

"到现在,我一直没有把加入Stratasys看作是离开航空航天行业,因为增材制造的确在这一行业创造了价值。"到今天Sevcik已经升任了Stratasys的航空航天副总裁,他告诉TCT。"我之所以对增材制造感兴趣,是因为我在UTC公司时,它帮我节省了几个项目的费用。我当时在几个方案中遇到了一些挑战,在每一个方案中,利用不同的增材制造技术,我们找到了解决方法。"

第一个挑战是为公务机开发航空数据系统,探头必须定位在相对于一架主要由复合材料构成的飞机的特定位置,这意味着用铝制的夹具并不那么适用。通过利用一台老旧的Stratasys 400机器(在此之前,该机器几乎只用于原型制作),打印出了一个塑料夹具,并固定好了探头。一年后,3D打印再次提供了解决方案。这一次采购铸件需要花费大概9周时间,会导致Sevcik的发动机传感器项目比计划晚了16周——4个月。

根据Sevcik回忆,第二个用例的有趣之处就在于,在2012年或2013年左右,客户对使用3D打印来生产铸件忧心忡忡,客户坚决要求UTC公司马上用回传统铸造。过了不久,GE使用增材制造生产LEAP燃料喷嘴的部件被曝光,Sevcik和他的同事们便以此消除了客户的疑虑。

"在那个阶段,整个行业还在纠结增材制造是否有价值,但对于变化及新产品的引入还是十分积极。"Sevcik说。

当他在2014年加入Stratasys的航空航天业务发展团队时,Sevcik了解到,有很多知名的航空航天企业在利用增材制造时没有那么犹豫,尽管在加工的组件是保密的。与此同时,空客和美联航等公司则领先了一步,他们已经确定了内舱部件是合适的应用,并采取行动用3D打印技术来生产。此后1-2年他们一直保密地开发这些应用。不过在公开之前,比如他的旧主洛克希德马丁,已经迎头赶上了,并利用3D打印技术在其联合攻击战斗机装配线上制造了数千种工具。

"那个时候,保密性给行业带来了巨大的负面作用,减缓了行业发展速度,"Sevcik认为。随着2015-2017年的到来,越来越多的人意识到,这是一项可以使用真正的热塑性塑料的技术,可以生产出真正耐用的部件和工具。到今天,航空航天领域的每个人都意识到在金属3D打印方面,有很多关注,很多焦点,很多新的应用;然而聚合物3D打印已经成熟,并广泛地被航空航天企业所接受。

"五年前我们还在讨论,试图让人们相信技术已经足够好了,可以专注于应用需求,找到解决方案,而不是克服这个信心障碍。这是一个相当戏剧性的转变。"

多年前,在Sevcik面试的时候说,他离开UTC到一家3D打印厂商工作,他并不是真的离开了航空航天行业,这有点诡辩意思。但当列出安装设备的公司名单、零部件供应商和其他合作单位的名单时,你会发现不久后的确如此。

在所有突出的应用领域,Stratasys的3D打印技术都被用于大量生产零部件。在模具方面,GKN航空航天公司将F900机器与ULTEM 1010高强度耐热材料合作生产辅助工具,而Eckhart公司则在其位于密歇根州的先进技术中心部署了一批Stratasys设备,以碳纤维增强型零件替代金属工具。在众多行业中,这些应用被认为是 "易如反掌的应用",因此当内舱部件成为Sevcik最繁忙的业务时候,我们可想而知其中应用的进展是多么迅速。

"目前我们看到了大量有关客舱内饰的资格认证项目,"他说。"有几个客户在这方面起到了领头作用。现在,就主要供应商的数量的增加上,这确实是个转折点。"

对于空客,早在Sevcik刚开始与Stratasys合作的时候,他就将这种合作描述为一个 "教学相长"的过程,在这个过程中,空客逐渐掌握利用3D打印技术能做什么和不能做什么,同时还制定材料标准和提供符合公司要求的产品。并认证Stratasys的ULTEM 9085材料,该材料具有强度和可燃性,并将其FDM技术为A350 XWB飞机生产超过1000个零件。

在A350 XWB飞机上的打印部件中,有一个窗帘头,通常由几层夹层玻璃纤维组成,每层都需要复杂的夹具,尺寸高达1140×720×240毫米,由12个部件在制造后粘合而成。由代傲航空系统提供,在Stratasys F900上制造出来,是Diehl迄今为止尺寸最大的系列3D打印部件。

赛峰航空座椅公司是另一家利用Stratasys技术制造机舱部件的公司,马歇尔航空航天与国防集团并且还有Boom超音速客机公司(以下简称为Boom)也有同样的应用。


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窗帘头由代傲航空系统利用

Stratasys 3D打印设备制造并提供给空客

Boom是另一家利用Stratasys的F900打印机和ULTEM 9085材料认证飞机内饰件(CAI)组合的公司。该公司将这一能力引入内部,以更快的速度为其XB-1飞机客舱制造定制部件,而第三方参与的程度更低。Stratasys的应用开发团队与Boom公司合作,与最初和空客公司合作相比,显示了增材制造在航空航天领域的巨大变化。

"我们与像Boom这样的公司合作,这与我们在世界各地合作的团队类似,他们小批量、非常快的速度在做一些非常先进的事情,在很多这样的情况下,与他们合作的第一步只是掌握能力。"Sevcik说。

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压缩机可变放气阀管道适配器是

通过马歇尔航空航天与国防集团

采用Stratasys ULTEM 1010材料3D打印出来的

他还指出,随着美国空军为飞机打印替换部件,增材制造在MRO方面的应用“大大提高”。赛峰是另一家据说正在利用Stratasys技术进行MRO的公司,而3D打印供应商与SIA工程公司的合作已有3年时间,SIA工程公司是全球80多家航空公司的MRO服务供应商。

此外,Stratasys还看到了采用和应用在不断增加。Sevcik评估道"我们已经有多家在太空工作合作的公司都在广泛地使用这种技术来制造工具,但是越来越多的零件正在以非常聪明的方式进入飞行器。"

5月,据悉意大利一家研究机构使用该公司的FDM技术,以及可靠的ULTEM 9085材料,为国际空间站制造了一台宇宙紫外望远镜。联合发射联盟也在部署ULTEM 9085,以实现高达90%的成本降低,并将4个月的交货期缩短到10天。该公司已经从主要打印定制制造工具转变到在其Atlas 5火箭上安装最终使用的部件,其新型Vulcan火箭将拥有更多的3D打印部件。

"传统制造业像一个液压马达,而增材制造就像一个电动马达--也许电动马达没有液压马达那么强劲有力,但是他不像液压马达一样,电动马达不要需要启动时间。”

为了促进人类进一步登上月球,美国国家航空航天局(以下简称为NASA)和洛克希德公司一起开发了 "猎户座 "深空航天器,该航天器配备了100多个3D打印部件。该项目不仅依靠Stratasys的技术来制造飞行器,而且各项严苛的要求影响了航空器推出的时间计划。虽然 "猎户座 "航天器已经使用了ULTEM 9085的可用性制造出许多部件,但对于某些部件来说,例如对接舱盖,洛克希德和NASA要求使用静电释放(ESD)材料来制造。

"他们很喜欢ULTEM9085,"Sevcik回忆道,"它具有很好的放气性能,很高的强度性能以及很好的可燃性,但是他们说,'我们需要的是类似一种ESD材料,我们无法把航天器上的零件制造成有电荷的。“

"客户们是带着需求来的,但是当时并没有这一种材料存在。"

在洛克希德公司成为该产品的测试版用户后,这种ESD材料已经以Antero的形式存在,并且已在多个猎户座航天器计划中使用。洛克希德公司已经使用了六台以上的增材制造设备,其中一台Fortus 900mc是用于制造猎户座的3D打印部件。Fortus 900平台使大零件的生产具有更高的热性能,而Antero材料确保了对接舱口盖等零件,该零件由六个组装件组成,直径为一米,不必在材料生产后涂层。洛克希德公司表示,除了在性能上的优势外,他们在'成本和时间上也节省的一个数量级'。

“节流”一直是Stratasys针对航空航天领域采用增材制造的产品开发的核心。例如计算机辅助教学(CAI)广受欢迎;长期合作伙伴英国宇航系统(BAE Systems)现在增加获取Stratasys新产品;ULTEM 9085、Antero和碳纤维尼龙12CF等材料符合某些航空航天规格,这是 "扩大应用空间的下一个巨大步骤";Sevcik认为与索尔维集团(以下简称为Solvay)和帝斯曼(DSM)等公司的合作关系,而且这些合作关系正在帮助公司跟上采用规模的步伐。当2019年苏威宣布与Stratasys合作时,Stratasys负责战略增长的高级副总裁Pat Carey告诉TCT, Stratasys相信自己有能力开发和优化这些公司提供的许多材料,但“这需要时间。如果我们能提前4年推出一些东西,那就去做吧。”

在Sevcik上任之初,Stratasys更愿意在交付产品上花些时间,而大多数使用3D打印的航空公司还只是迈出了第一步,但现在,Stratasys意识到需求的紧迫性。去年,该公司迈出了重要的一步,与国家先进材料性能中心(NCAMP)、 America Makes、国家航空研究所、美国空军研究实验室、美国联邦航空管理局(FAA)和它的一些商业合作伙伴利用其增材制造技术。

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猎户座对接舱盖-3D打印制造

NASA的猎户座航天器利用Stratasys公司的Antero 800NA制造了一个连接复杂的3D打印对接舱门。

"几年前我们看到的一个问题是,作为一项新技术,阻碍我们发展的原因之一是缺乏基本的信任和熟悉度。我们必须克服这个信任问题,让技术看起来更像是一种传统技术,"Sevcik解释说。"我们花了很多时间在3D打印的流程中尽可能地提高可重复性,并尽可能消除缺陷。一旦我们能够做到这一点,我们就效仿复合材料行业的发展的先例,征募行业和许多商业合作伙伴以取得公开资格。“

"这样做的目的是为了能够客观地显示可重复性的程度,以及技术已经达到的成熟度。例如,有一种机制可以让公司使用这种数据,显示出它的等效性,并将其用于美国联邦航空管理局的认证等,但我们看到的这种数据主要是被用于保密目的。"

Stratasys公司的产品ULTEM9085是第一个获得NCAMP认证的增材制造材料,并且来自Solvay、赫氏(Hexcel)和东丽(Toray)的热固性材料以及一些热塑性塑料也获得了该组织的认证。希望使用这些材料的用户,例如像空客、GE Aviation和洛克希德公司都是NCAMP的成员,他们可以访问NCAMP的程序和每种材料得获取资格的认证。它允许公司通过独立组织提供的数据和信息,完全透明地了解他们可能想用于最终用途部件的材料,并促成了与国际汽车工程师学会(SAE)就用于制造航空航天部件的熔融长丝制造的AMS7100工艺认证进行合作。

Sevcik补充道。"许多公司现在正在或已经在准备了自己的认证项目,而不是像空客在2014年技术认证时所冒的风险,当时他们不知道自己是否能通过认证,也不知道这项技术是否能达到他们所要的效果。现在,这些数据以及出来了,并且他们知道当他们通过认证过程时会得到什么。我认为这是我们或者说是整个行业所做的最重要的事情之一:将客观的数据公布出来,以便得到信任和进行标准化进程。"

对这项技术的信任不仅对实现航空零部件所需的质量、耐用性和可重复性至关重要,而且对实现供应链转型和减少实际库存也至关重要。据Sevcik所知,航空航天领域的公司在世界各地都有价值数十亿美元的库存,大部分资金都被花在存储、运输以及报废在不需要的备件上。但对于他们来说,如果要摆脱掉这种零件的实际库存,转向数字库存,他们需要相信这项技术将会在需要的时候发挥作用,他们的文件和IP将会在数字运输过程中是安全的。在COVID-19爆发后,有关库存减少的担忧是可以理解的,因为世界各地的政府都在努力采购供应短缺的个人防护装备和医疗设备,但这样可以节约大量的成本。Sevcik喜欢 "在货架上的零件 "的概念,这是一种理想的平衡,即减少了实物库存,但在需要的时候不必再等待生产零件,如果不需要,只要报废一个零件就可以了。

根据Sevcik的说法,尽管这种供应链的实施还未展开,但是已经许多航空航天公司考虑到物流的问题了。然而,2020年初发生的事件可能已经让一些人看到了3D打印技术所能提供的灵活性。Stratasys已经看到其许多客户,包括波音(Boeing)、蓝色起源(Blue Origin)和雷神公司(Raytheon),都公开谈论他们是如何利用增材制造为全球的医疗专业人员生产面罩部件的,而FDM正是他们核心的技术。Sevcik听到了“来自某实验室里的人”被召集与C级高管和政府官员开会的故事,解释该公司如何应对以及改变了3D打印的“高管曝光度”。供应链中的工作人员被引入了全新的产品制造方式,仅Stratasys的航空航天用户就交付了数以万计的防护罩。

"这表明,尽管我们被认为是一个发展缓慢的行业,但由于有增材制造的存在,我们相信有能力将生产转换为一两天前我们无法生产的东西。这并不是传统航空航天能够做到的。"Sevcik说。"我最近采访过的一位高管说,传统制造业像一个液压马达,而增材制造就像一个电动马达--也许它没有液压马达那么强劲有力,但它也不像液压马达,电动马达不需要准备时间;你只需要打开开关,就能达到100%的产能,这就是传统制造业跟增材制造的区别。正如他们所看到的,这才是真正实现供应链灵活性的方式,而这种方式一直是梦寐以求的但从未真正在实践中看到。

"在一天内能够切换零件设计,这样你就可以从一个定制化或个性化的零件转向不同的零件;在小批量制造中增加高混合度的能力一直是我们在行业中努力的方向。今年早些时候,一批航空航天公司突然在一夜之间成为个人防护设备的主要供应商时,这一点得到了强有力的证明。"

现在,这些公司的目标是能够复制航空航天部件的灵活性、速度和规模,同时Sevcik还强调道,增材制造行业仍然还需要在更多材料、更多机器和更多流程的认证方面取得进展。为了促进该行业的持续发展,还有很多工作要做。但是,Sevcik仍然觉得自己和十年前一样是航空航天行业中的一员,他比以往任何时候都更相信增材制造业是他整个职业生涯中最好的选择。

航空航天是一个跨越很大的行业。它通常被认为是一个非常缓慢、乏味的行业,事情需要永远的改变,但同时,每一次改变都是一个重大的并且重要的一步。我们从发明航天器到飞上月球,大约用了50年时间。现在,撇开COVID-19的影响,每20秒就有一架飞机降落在世界上的某个机场——空域中布满了飞机。这是一个实现巨大飞跃的行业,并真正使制造业的其他部分得以跟进。"Sevcik最后说道。"与40年前的复合材料一样,虽然增材制造作为一种年轻的制造技术,但航空航天是它走向成熟的正确归宿。他们承担了风险,进行了投资,现在它正在向走向能源和其他行业。

"正是这个行业看到了能够按需生产、就地生产以及创造出减少零件数量和减轻重量的长期价值。因此,这些价值无论是在设计还是在供应链效率,对航空航天业都具有难以置信的吸引力,这恰巧是为他们培育和成熟技术的正确行业。"

 
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