波音公司新实践:金属3D打印双材料、大尺寸飞机零件钢模

来源:增材工业
2026-10-02

波音公司新实践:金属3D打印双材料、大尺寸飞机零件钢模


一个冲压成型模具,高约6英尺(1.83米)、宽约4英尺(1.22米),重量接近2吨,采用电弧增材制造(DED-Arc,通称WAAM)技术打印,整个打印过程持续约8周。


这是近日美国橡树岭国家实验室(ORNL)与波音合作完成的一项大型模具制造项目,这个模具将用于波音参与的NASA高速复合材料飞机制造(HiCAM)项目。


传统金属模具,为什么要用3D打印?


这个冲压成形模具,用于对加热后的热塑性复合材料进行成形。


过去,这类大型模具通常通过机加工、铸造、锻造和钻孔等传统工艺制造。对于尺寸较大的复杂模具而言,不仅制造流程较长,而且内部用于加热、冷却的通道也受到加工方式限制。


ORNL和波音希望验证一个问题:能不能直接用WAAM打印出大型模具,同时把传统加工难以实现的结构直接制造出来?


答案是可以。


此次项目还有一点值得关注的,是电弧增材制造技术被用于重新设计模具的材料和内部结构。


多材料WAAM:不同区域使用不同金属


此次项目采用ORNL的Arc-1系统进行制造。


与常规WAAM不同,Arc-1可以同时输送多种金属丝材,从而实现多材料增材制造。


最终的模具采用了不同材料的组合,根据不同区域的功能需求进行材料配置:


· 低碳钢:用于主要结构区域,提供强度和刚度;


· 不锈钢:沉积在模具工作表面,用于提高耐腐蚀性、尺寸稳定性和耐久性。


这也是大型WAAM模具制造的一个重要方向——通过材料梯度或局部材料配置,把性能需求与制造过程结合起来。


内部“随形”冷却通道


传统模具通常需要通过钻孔加工出较为笔直的流体通道,用于输送加热或冷却介质。而增材制造可以改变这一限制。此次项目中,工程师直接在模具内部构建了沿模具曲面分布的弯曲通道,使冷却、加热通道更加贴合模具形状。相比传统的直线孔道,这种设计能够更加有效地对模具进行加热和冷却,从而改善模具的热管理性能。


这也是大型金属增材制造用于模具制造时的重要价值之一:


不仅是换一种方式制造模具,更是利用增材制造重新设计模具。


2吨级WAAM模具,最大的难题是什么?


大型WAAM结构并不容易打印。


随着金属丝材逐层熔化、沉积和冷却,材料内部会产生残余应力,最终可能导致大型结构发生翘曲、扭转和尺寸偏移。


此次模具制造同样遇到了这一问题。


为控制变形,ORNL团队在模具背面设计了临时加强筋,同时利用计算机模拟预测和补偿打印过程中的变形。


波音公司新实践:金属3D打印双材料、大尺寸飞机零件钢模

带临时加强筋的整体模具打印件,图源:ORNL


整个过程中进行了32轮模拟迭代,最终使打印件的形状控制在距离目标尺寸几毫米的范围内。


波音公司新实践:金属3D打印双材料、大尺寸飞机零件钢模


打印完成后,模具被送往美国Baker Industries进行退火,以消除内部应力;随后去除临时加强筋,并完成后续加工,使最终工具满足波音的要求。


虽然最终模具并非所有部分都通过3D打印完成,而是采用了增材制造与传统加工相结合的方式,但本项目中开发的技术可以复制到类似应用中。


从“打印零件”走向“打印大型制造工具”这项项目的意义,并不在于单纯制造了一件大型金属构件。更值得关注的是,WAAM正在从过去较常见的大尺寸结构件制造,进一步进入航空复合材料制造工具这一环节。


对于大型模具而言,增材制造可以带来几个潜在优势:


大尺寸制造:利用高沉积率电弧增材技术快速构建大型金属坯体;


结构一体化:冷却通道、加强结构等可以在打印过程中直接集成;


多材料设计:不同区域可以根据功能需求采用不同材料;


减少材料去除:先近净成形,再进行必要的机加工,有望降低大型模具制造中的材料去除量。


此次项目同时也验证了一个更加现实的技术路线:


增材制造并不一定要全部替代传统制造,而可以承担大型结构的快速近净成形,再结合热处理、机加工等工艺完成最终制造。


ORNL表示,这次项目作为测试案例,其形成的技术路线还可以进一步用于其他大型工具制造,并有望拓展至能源、汽车等领域。


对于大型WAAM而言,真正值得持续关注的,可能不是“能不能打印更大的东西”,而是如何把材料、结构、热管理和变形控制一起纳入设计,让增材制造从“大型金属打印”进一步走向“大型制造工具的重新设计”。

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