航空结构部件混合制造路径的工艺级成本分析

《Journal of Manufacturing Processes》：Process-level cost analysis of hybrid manufacturing pathways for aerospace structural components

　　- 对代表性航空航天零部件的多种混合制造路线进行了比较评估。- 开发了参数化、基于活动的成本模型，整合了增材制造、结构光扫描和精加工。- 通过敏感性分析确定了劳动率和加工时间作为主要成本驱动因素。- 量化了几何缩放和关键工艺参数对混合制造路线成本变化的影响。- 强调了自动化和工艺集成是实现可扩展且经济可行的混合制造的关键推动因素。## 引言航空航天行业不断寻求创新的制造解决方案，以在降低制造成本、缩短交货时间和减少材料浪费的同时提升零部件性能 [1]。增材制造（AM）作为一种变革性方法已经崭露头角，它能够在极少材料使用的情况下生产复杂几何形状，使其尤其适用于高性能航空航天零部件 [2]、[3]。然而，仅依靠增材制造往往无法满足关键承载零件对表面光洁度、尺寸精度和力学性能的严格要求。因此，将增材制造与扫描和精密加工等后处理技术相结合的混合制造方法，作为一种实用且有效的策略，已获得广泛关注 [4]、[5]。混合方法结合了增材和减材工艺的优点，以弥补各自方法的不足。近年来，在工艺控制、多轴系统和数字制造方面的进步，使得将这些技术整合到单一生产流程甚至单台设备中变得越来越可行 [6]。混合制造可以与所有形式的增材制造相结合。增材制造工艺根据基本技术（如熔融、挤出、摩擦）或所用原材料的状态（如粉末、固体或液体）进行分类。图1对常见的金属增材制造技术和工艺进行了分类 [7]。ISO/ASTM 52900标准将增材制造工艺分为七类，即粘结剂喷射（BJT）、定向能量沉积（DED）、材料挤出（MEX）、材料喷射（MJT）、粉末床熔融（PBF）、片材叠层（SHL）和槽式光聚合（VPP）[8]。PBF和DED是最常用的金属增材制造技术 [9]。PBF工艺利用聚焦的能量源（电子束或激光束）选择性地熔化粉末层以形成精密的零件几何形状 [10]。后续层的材料粘合通过重新熔化之前沉积的层来实现。PBF制造的零件通常需要经历放电加工（EDM）以去除构建板，然后进行加工以达到最终的几何公差和表面光洁度要求 [11]。虽然PBF提供了高尺寸精度、良好的表面光洁度，并且非常适合生产复杂几何形状和内部特征，但DED由于其开放式构建配置和能够在自由曲面上沉积材料的能力，在修复或增强现有零件以及构建大型结构方面具有独特优势。DED涵盖了一系列增材制造技术，其中使用集中的能量源（如激光、电子束或电弧）产生局部熔池，并向其中引入金属原料 [12]。根据系统配置，原料可以以丝材或粉末的形式供应。DED工艺源自先进的焊接方法，通常使用惰性保护气体来维持熔池的完整性，从而实现在封闭构建环境之外的材料沉积。在送粉DED（也称为激光堆焊或激光金属沉积，LMD）中，金属粉末被送入激光热源 [13]。送丝激光DED将丝材送入熔池，是焊接技术的延伸 [14]。使用DED生产的零件为近净成形且致密，但表面粗糙，需要加工等后处理方案。另一种使用丝材作为原料并以电弧作为热源的增材制造工艺是电弧增材制造（WAAM）[15]、[16]。WAAM将标准焊接设备（如电源、焊炬和送丝系统）与机器人运动控制相结合，以生产大型复杂零件。WAAM最具吸引力的特点之一是其能够以高沉积速率快速制造细长的薄壁结构，从而减少整体加工时间，包括构建时间和后加工需求 [17]。金属粘结剂喷射（MBJ）虽然也是一种粉末基技术，但与熔融基方法不同，它使用液态粘结剂选择性地连接金属颗粒，随后经过固化和炉内烧结以固结零件 [18]。它能够实现高产量生产且热变形极小，但需要精确控制烧结过程以减少收缩引起的尺寸变化 [19]。上述讨论的增材制造工艺涉及使用激光或电子束等高能耗热源熔化或烧结原料。因此，这会引入残余应力、孔隙、裂纹、空洞等缺陷，并导致各向异性微观结构。为应对这些挑战，利用摩擦热和剧烈塑性变形的固态增材工艺被开发出来 [20]、[21]。增材摩擦搅拌沉积（AFSD）由MELD Manufacturing首次开发并商业化，是一种基于摩擦搅拌焊接（FSW）原理的固态工艺 [22]、[23]、[24]。AFSD使用中空、非消耗性工具，通过该工具将固体棒材或粉末形式的原料输送到静止的基体或底板上 [23]。工具的旋转和直线运动分别在工具-原料和原料-基体界面产生摩擦热，从而在不达到熔化温度的情况下使材料软化 [25]、[26]。塑性变形的材料通过工具被挤出，并在轴向和横向力下固结到基体上。这种运动产生几毫米厚的沉积层。通过依次移动工具并叠加新材料，可以构建近净成形的三维零件 [27]。在混合制造领域中，敏捷锻造是一种新兴技术，它将传统金属锻造与现代自动化相结合，通过机器人铁匠工艺来实现 [28]。敏捷锻造通过施加可控的变形力来高精度地成形金属，能够高效生产高质量零部件，同时显著减少材料浪费。目前在俄亥俄州立大学运行的敏捷锻造系统，将Tormach 1100 M数控铣床与感应加热和开模锻造集成在一起，形成了一套紧凑的独立系统，可完成换刀、先进压制和实时扫描等功能 [29]、[30]。该技术在航空航天、生物医学和国防领域均有应用。本研究专注于对一种代表性的航空航天结构零部件——腌菜叉进行成本比较评估，该零部件分别使用上述六种不同的增材制造工艺和敏捷锻造进行制造。每种工艺之后都进行高分辨率结构光扫描（SLS）以验证尺寸，并进行最终精密加工，以确保达到所需的公差和表面特性。通过研究这些混合工艺流程，本研究旨在评估制造成本、几何保真度和力学性能之间的权衡关系。本文的组织结构如下：介绍所使用的各种增材制造工艺，腌菜叉零件的设计与分析，成本建模，方法，详细的成本分析结果，最后是结论。## 章节片段### 零件腌菜叉是波音737下一代（NG）飞机中的关键结构组件，传统上使用Al 2XXX系列和7XXX系列合金锻造 [31]、[32]。它作为机身和机翼结构之间的关键连接件，主要传递来自机翼的气动载荷，确保飞机在飞行各阶段的结构完整性 [33]。近年来，对商用窄体飞机的行业检查报告指出……### 成本建模随着混合制造在航空航天零部件中的不断应用，准确预测和比较不同工艺链的制造成本的能力变得至关重要。高价值的结构零部件（如腌菜叉）对任何新的或非传统的制造路线都要求经济上的合理性论证。在本研究中，对制造腌菜叉……所使用每种混合制造序列进行了修改版的基于活动的参数化成本分析。### 材料与方法图2(a)中所示的修改版腌菜叉零件使用七种工艺制造——六种增材制造，即送丝激光DED、送粉DED、PBF、MBJ、AFSD、WAAM，以及敏捷锻造。以下对各工艺及其相应的实验程序进行讨论。### 结果与讨论本节介绍了详细的基于工艺的成本分析，以评估每种制造路线在制造腌菜叉航空航天组件方面的经济可行性。每个零件随后都进行了扫描和精加工，以达到所需的尺寸精度和表面质量。最终组件通过力学测试和三维表面轮廓仪进行评估，以评价其性能特性，相关内容已在其他地方发表 [36]。### 结论本工作呈现了一项详细的成本对标研究，涉及多种混合增材-减材制造工艺，用于制造修改版航空航天腌菜叉组件，提供了首个系统的跨多种金属增材制造技术工艺经济学比较之一。通过将增材工艺成本模型与结构光扫描和标准化精加工相结合，本研究量化了完整的混合工作流，并突出了相对经济……### CRediT 作者贡献声明**Sweta Baruah：** 写作-审阅与编辑，写作-原稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念构思。**Jake Dvorak：** 写作-原稿，验证，方法论，数据整理。**Kamren Sargent：** 写作-原稿，验证，方法论，数据整理。**Rob Patterson：** 写作-原稿，验证，方法论，数据整理。**Caleb Campbell：** 写作-原稿。### 利益冲突声明作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。### 致谢作者感谢美国国家科学基金会（NSF）混合自主制造——从渐进到革命（HAMMER）ERC（资助号 EEC-2133630）提供的资金支持，以完成本文所述的研究目标。