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國機國造起飛 靠3D列印裝上翅膀

關鍵字:3D列印
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林倞、專利佈局情報分析團隊 發表於 2017年11月13日

圖、國機國造起飛 靠3D列印裝上翅膀
 
「國機國造」隨著小英政府的「5+2創新產業」而成為熱門的議題,因此3D列印技術應用於航太工業,既是顛覆式創新也是必要的選項。

3D列印具有將材料以一層層薄層的型式堆疊形成產品的特性,相較於傳統加工方法(鑄造、銑削、焊接等),3D列印最大的優勢在於,產品整體結構不論複雜或簡單,對3D列印而言沒有差別,都能輕易完成;相反的,想要用傳統加工方法製造扭曲不規則形狀、重複連續的微小結構等,成本極高,甚至不可能達到。故3D列印技術已利用其優勢在航太產業找到利基。

巨觀上,飛機是一種模仿小鳥外形的人造機械;而微觀上,小鳥為了飛行必須減輕重量,同時不犧牲結構強度,進化出了空心、充滿巢狀支架的骨骼,這部分是飛機過去利用傳統加工方法所無法模仿的。而如上所述,3D列印能輕易製造複雜結構的優點,為飛機帶來輕量高強度結構的重大突破。3D列印提升了飛機的「強度/重量比」,以更輕的材料重量達到相同的飛機結構強度,意味著節省了製造時的材料成本,甚至節省了飛行時所要耗費的油料。

航太產業龍頭波音從1997投入3D列印的研發,如今,在全球飛行的波音客機上,搭載了超過5萬個3D列印的零件。波音在2016年8月發表了用於機翼製造的3D列印修整鑽孔器,這個修整鑽孔器長5.3公尺,寬1.7公尺,重達0.74公噸,被金氏世界紀錄承認為目前世上最大的3D列印產品,將用於777X客機的開發。傳統做法下,製造機翼修整鑽孔器需要3個月的時間,而3D列印只需30小時。2016年10月,波音與Stratasys公司、西門子合作開發了機器手臂系統Infinite-Build,這種機器手臂能在軌道上無限延伸地執行3D列印,生產大型高強度、高精度的複合材料航太零件。波音還有一件專利揭露一種用於模擬在高空中機翼上結冰的3D列印塑膠冰;由於高空中機翼上的結冰對飛行安全有很大的影響,所以模擬機翼結冰進行飛機測試是連美國聯邦航空管理局都非常重視的技術。該專利提到,3D列印不但能模擬結冰外觀,連結冰內部的結晶結構都能用3D列印真實重現。

空中巴士旗下的APWorks是專門研究3D列印的單位,他們利用品名為Scalmalloy®的鋁鎂鈧合金粉末材料進行3D列印,開發出重量減低45%(30公斤)而強度更強的艙體隔牆;若將艙體整個都用這種仿生高孔隙率合金製造,預計省下的油料相當於每年減少465,000公噸的二氧化碳排放量。空中巴士也從2014年開始將Stratasys公司所3D列印的零件用於新型飛機A350 XWB的開發,2016年更認證其產品型號為9085 3D的3D列印用樹脂材料的飛機零件適用性,認證標準包括強度重量比、耐火性、低燃燒煙塵度、低毒性等。空中巴士的A320neo客機亦將採用MTU公司生產的3D列印零件,預計能使油耗降低15%。

2017年6月的巴黎國際航太展上,奇異公司一舉拿下310億美金的航太零件訂單,其中很大一部分有關3D列印零件;這使得奇異公司過去在3D列印項目超過14億美金的投資顯得非常划算。奇異預計2020年將以3D列印技術產出超過10萬個航太用引擎零件,目前的成果已應用在飛機引擎噴嘴。奇異的LEAP引擎噴嘴結構非常複雜,唯有以3D列印才能製造。材料方面則使用了超級陶瓷材料,能耐受攝氏1300度的高溫,比絕大多數的合金高了260度,不但比過去的引擎噴嘴更便宜、耗油量降低、更容易冷卻,同時具有壽命長、密度低、靭性強、抗腐力強、高溫強度穩定的特性,重量也減少了25%。

隨著國機國造的推動,國內業者也確實看到了3D列印在航太業日趨重要的地位。2017年6月15日工研院與漢翔簽署合作備忘錄,合作內容有關3D列印之部分包括「航空零組件雷射加工試製開發」與「航空零組件金屬積層製造試製開發」;然而將上述試製開發合作備忘錄,對比於同年同月奇異公司拿下的310億美金訂單,更凸顯我國在3D列印技術發展時程的規劃上,尚有討論空間。


(作者是國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心研究員)
本文刊登於經濟日報2017/11/12)

 
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