CNC数控加工技术：为什么要将CNC数控加工用于航空航天

随着科技的不断进步，航空航天业作为最早应用增材制造（AM）技术的行业之一，正在经历着一次革命性的变革。增材制造技术被广泛应用于航空航天业，作为一种轻量化制造零件的方式，在保证强度的条件下优化重量。据Strategic Market Research的一份报告显示，到2023年，全球航空航天数控加工市场预计将达到92.3亿美元，复合年增长率（CAGR）为20.23%。

在航空航天业中，增材制造技术的主要应用领域包括飞机、发动机和卫星等。飞机是航空航天业中最大的市场之一，而数控加工技术在飞机制造中的应用已经得到了广泛的应用。例如，波音公司使用数控加工技术制造了其787梦想飞机的一些零部件，这些零部件包括机翼、发动机吊架和起落架等。这些零部件的制造过程更加高效、精确和环保，并且可以降低生产成本。

除了飞机制造之外，发动机也是航空航天业中重要的组成部分。发动机是飞机和火箭的重要组成部分，其性能和可靠性直接影响着飞行安全和效率。数控加工技术在发动机制造中的应用也得到了广泛的应用。例如，美国洛克希德马丁公司使用数控加工技术制造了其F-35战斗机的发动机零部件，这些零部件包括喷油器、燃油阀和涡轮等。这些零部件的制造过程更加高效、精确和环保，并且可以降低生产成本。

除了飞机和发动机之外，卫星也是航空航天业中重要的组成部分。卫星是用于通信、导航、气象观测和遥感等领域的重要工具。数控加工技术在卫星制造中的应用也得到了广泛的应用。例如，美国SpaceX公司使用数控加工技术制造了其星链卫星的一些零部件，这些零部件包括太阳能电池板、天线和电子设备等。这些零部件的制造过程更加高效、精确和环保，并且可以降低生产成本。

除了上述应用之外，增材制造技术在航空航天业中还有许多其他的应用。例如，数控加工技术在航空航天业中的另一个重要应用是制造复杂的结构件。传统的生产方式需要经过复杂的工艺流程才能完成，而数控加工技术可以在数小时内完成复杂结构件的制造。此外，数控加工技术还可以制造传统生产方式无法生产的复杂结构件，从而满足客户的不同需求。

除了在生产方面的重要性之外，数控加工技术在航空航天业中的另一个重要应用是测试和验证。传统的生产方式需要进行大量的试制和试验才能确定最终产品的性能和可靠性。而数控加工技术可以在短时间内制造出不同条件下的测试样品，从而加速产品的研发和测试过程。

总之，增材制造技术在航空航天业中的应用已经得到了广泛的应用，并且具有广阔的发展前景。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，增材制造技术将在航空航天业中发挥越来越重要的作用。

尽管在航空航天业聚合物数控加工同样发挥着重要作用（尤其是在涉及PEEK和PEKK等高性能聚合物时），但金属增材制造在该领域也得到了快速发展。然而，如何将CNC数控加工技术应用到航空航天领域呢？它又能带来什么好处？CNC数控加工零件如何获得认证？为了回答这些问题，南极熊在本期文章中总结了增材制造领域的三位专家对此给出的建议。

第一位专家是MartinWhite博士，他是国际标准组织ASTMInternational全球先进制造计划部的技术运营总监。White博士负责监督ASTM的所有数控加工技术项目，重点关注从资格和认证挑战到材料允许生产的组件，以及加速标准化和提供专家培训。他解释说，ASTM已经开发了一些针对CNC数控加工的标准，如F2404-11"CNC数控加工用熔模铸造铝合金的标准规范"，F2706-12"CNC数控加工用熔模铸造铜合金的标准规范"，以及正在制定的"增材制造合金的标准规范"。这些标准为CNC数控加工的工艺、材料、设计、测试和认证提供了依据。

第二位专家是VELO3D的技术销售工程师BrianHawkes。Velo3D是航空航天领域领先的CNC数控加工公司之一。他在航空航天业工作了大约10年，在他总共20年的工程师生涯中，他专注于设计热交换器和复杂的制造。Hawkes先生强调说，CNC数控加工在航空航天领域有巨大的潜力。它可以用于制造复杂的、高强度的、高性能的零件，而这些零件无法通过传统的机加工方法制造。同时，它可以显著减少制造时间和成本，提高生产效率。他指出，VELO3D已经与一些主要的航空航天公司合作，为他们的生产工作提供支持。

第三位专家是伊顿航空航天公司增材制造总监MichaelYork。他是一个项目的负责人，该项目拥有23个获奖的金属增材制造组件，涵盖商业航空航天、军事、太空和售后市场应用。York先生认为，CNC数控加工在航空航天领域的应用有以下几个优点：首先，它可以制造复杂形状的零件，而传统的方法难以制造；其次，它可以提高生产效率，减少生产时间和成本；最后，它可以制造高性能的零件，满足特定的高强度、高硬度等要求。他指出，获得认证是一个重要的步骤。这需要解决标准化、质量保证、可靠性验证和安全问题等方面的问题。这些问题可以通过ASTM等标准的制定和实施来解决。

总之，尽管在航空航天业聚合物数控加工同样发挥着重要作用（尤其是在涉及PEEK和PEKK等高性能聚合物时），但金属增材制造在该领域也得到了快速发展。然而，如何将CNC数控加工技术应用到航空航天领域呢？它又能带来什么好处？CNC数控加工零件如何获得认证？为了回答这些问题，南极熊在本期文章中总结了增材制造领域的三位专家对此给出的建议。

△马丁·怀特（Martin White）

△布赖恩霍克斯（Brian Hawkes）

△迈克尔·约克（Michael York）

CNC数控加工在航空航天领域的应用

随着航空航天行业的发展，对高性能、高精度、高复杂度的零件需求越来越大。传统的加工方法难以满足这些需求，而CNC数控加工技术以其独特的优势，成为了航空航天领域的重要应用技术。本文将探讨CNC数控加工在航空航天领域的应用途径。

设计新组件的需求

随着航空航天技术的不断发展，设计新组件的需求也在不断增加。CNC数控加工技术可以快速、精确地制造出复杂的零件，从而满足设计的需求。例如，在空客的A350 WXB机翼挂架制造中，使用了增材制造技术制造了一个支架作为结构部件，从而提高了飞机的性能和可靠性。

提高行业可持续性发展

随着航空航天行业的不断发展，对可持续性发展的需求也越来越高。CNC数控加工技术可以减少生产过程中的废料和能源消耗，从而降低对环境的污染。例如，在波音787后舱室支架的制造中，使用了Norsk的DED送丝技术，减少了85%的材料浪费和加工时间，从而提高了生产效率和可持续性发展。

复杂几何形状的制造

CNC数控加工技术可以制造出传统方法无法实现的复杂几何形状的零件。这些零件可以用于复杂的机械结构和流体通道的设计，从而提高机械性能和可靠性。例如，在热交换器的制造中，使用了CNC数控加工技术制造了复杂的管路结构，从而提高了热交换效率和可靠性。

多种不同的数控加工技术

在航空航天领域，可以使用多种不同的数控加工技术来制造零件。例如，粉末床熔融技术可以用于制造钛、铝、铬镍铁合金等复杂结构的零件；电子束粉末床熔合技术可以用于制造钛等高温合金的零件；粘合剂喷射技术可以用于制造不锈钢等金属零件。不同的数控加工技术适用于不同的应用场景和材料要求。

材料选择的重要性

在CNC数控加工中，材料的选择至关重要。不同的材料具有不同的性能和用途，需要根据具体的应用场景进行选择。例如，钛具有高强度重量比，适用于航空航天领域的高温环境；镍基高温合金能够在接近熔点的温度下工作，可用于制造高温环境下的零件；铝具有良好的导热性，适用于热交换器等应用。在选择材料时，需要考虑其力学性能、耐高温性能、耐腐蚀性能等多种因素。

整个飞机的飞机结构改

由于CNC数控加工技术具有独特的优势，因此它可能被用于整个飞机的飞机结构更改。增材制造可以快速、精确地制造出复杂的零件，从而快速响应市场需求和客户需求。例如，在波音787的制造中，使用了CNC数控加工技术制造了复杂的叶轮和蜗壳等零件，从而提高了飞机的性能和可靠性。

结语

CNC数控加工技术在航空航天领域的应用越来越广泛，可以快速、精确地制造出复杂的零件，从而提高飞机的性能和可靠性。随着技术的不断发展和创新，相信未来会有更多的应用场景被发掘出来。

△空中客车公司使用金属 3D 打印技术制造的 A350 WXB 上的支架（图片来源：空中客车公司）

航空航天业是一个对材料质量和性能要求极高的行业，因此，金属增材制造技术在航空航天领域的应用具有很大的潜力。以下是航空航天使用金属增材制造的好处和缺点：

好处：

1. 优化设计：增材制造技术允许工程师根据需要进行定制设计，以实现最佳性能和重量优化。通过调整打印层厚、扫描路径和材料比例，工程师可以创建具有所需性能的复杂几何形状，而无需使用传统的加工方法。
2. 轻量化：金属增材制造技术可以制造出比传统制造方法更轻的零件。通过减少材料浪费和优化设计，工程师可以减轻零件的重量，从而提高燃油效率并降低成本。
3. 更快和更便宜的开发应用：与传统的加工方法相比，金属增材制造可以更快地制造原型和生产零件。工程师可以利用数字模型进行设计和仿真，然后将文件发送给打印机制造商进行打印。这种方法可以显著缩短开发周期和降低成本。
4. 消除工具：在金属增材制造中，不需要使用工具进行切割和加工。因此，在生产过程中，可以避免昂贵的设备和工具磨损的成本。
5. 降低成本：与传统的机械加工相比，金属增材制造可以显著降低成本。使用增材制造技术可以减少生产时间和成本，并允许在较少的地点进行生产。
6. 可持续性：金属增材制造可以减少废物和减少对环境的影响。与传统的机械加工相比，使用增材制造技术可以减少废料和能源消耗，从而减少对环境的影响。

缺点：

1. 设备成本高：金属增材制造需要昂贵的设备和材料。这些成本可能会限制该技术在较小规模或预算有限的组织中的应用。
2. 打印材料限制：金属增材制造需要使用昂贵的金属材料，这些材料可能存在一些限制，例如耐高温、耐腐蚀性等。因此，工程师需要寻找适合其应用的材料，以最大限度地发挥金属增材制造的潜力。
3. 打印过程控制：金属增材制造需要精确控制打印过程，以确保零件的质量和性能。这需要高精度的扫描器和控制系统，以确保在打印过程中获得所需的设计形状和性能。
4. 制造周期长：与传统的机械加工相比，金属增材制造需要较长的制造周期。在生产之前，需要进行设计、打印、后处理等一系列过程。因此，在短时间内大规模生产零件可能会受到限制。
5. 设计复杂性：金属增材制造技术可能需要较长的设计时间来优化形状和性能。对于复杂的几何形状和细小的结构，需要精确的数字模型和控制策略来进行打印。因此，设计过程可能会变得复杂和耗时。

△使用 DED 制造的波音 787 船尾厨房支架。增材制造可用于制造像这样的复杂零件（图片来源：波音）

CNC数控加工是一种新兴的制造技术，它通过将金属粉末、丝材或液体等材料逐层堆积来制造复杂的金属零件。这种技术可以大大缩短制造周期，降低成本，并且可以根据设计者的意图制造出更加复杂的零件。然而，采用CNC数控加工并非没有挑战。

安全性是用户在部署新技术时持谨慎态度的一个因素，这是可以理解的。此外，就测试数据而言，与来自铸造或锻造材料的测试和操作经验的巨大存储库相比，增材制造可用的数据要少得多，这使得情况更加恶化。根据White博士的说法，这意味着用户必须在风险接纳和创新需求之间徘徊。

然而，这是可以克服的。一个例子是ASTM正在通过AMCoE的材料数据和标准化联盟缩小数据收集方面的差距。其目标是利用增材制造价值链中27个成员的输入创建高质量的数据集。建模和仿真还可以减少所需的测试量，使增材制造在行业中的使用总体上更有把握。

除了数据和测试方面的挑战之外，对于任何希望在航空航天领域采用CNC数控加工的制造商来说，关键问题之一是零件是否可以通过认证。尽管有可能，但也可能很困难。BrianHawkes指出，“目前对航空航天应用的部件进行认证是一项挑战，因为增材制造在航空航天工业中被视为一项相对较新的技术，一些用于认证增材制造部件的标准和指南尚未完全制定。在航空航天工业中，需要一种全面的认证方法。资格认证必须详细说明打印部件的所有方面，包括材料选择、生产验证和测试。但这并不意味着没有希望。尽管面临挑战，但随着当局致力于制定全面的标准和指南，增材制造仍有可能彻底改变航空航天业。“

MartinWhite还特别强调，不仅航空零部件需要通过FAA或EASA等监管机构的认证，而且公司还需要拥有自己的质量保障系统。他解释说，“鉴于需要控制增材制造产品的可变性，必须有一个可以提供资格和认证的基础，即质量管理体系(QMS)。增材制造的质量保证本身就是增材制造的一个大话题，但在最高级别，建议始终是制定计划并坚持计划。基于ASTM/ISO共识的标准也可以构成航空航天QMS以及基于标准的认证的基础。”

对于任何希望在航空航天领域采用CNC数控加工的制造商来说，拥有自己的质量保障系统是至关重要的。这意味着需要有一套严格的质量控制体系来确保生产的零件符合规定的质量标准。质量管理体系(QMS)是一套用于管理和监控质量的系统和方法，包括质量策划、质量控制、质量保证和质量改进等环节。通过建立QMS，制造商可以确保从原材料采购到生产过程再到最终产品的整个过程中都遵循了严格的质量标准。

在航空航天领域，对零件的质量要求非常高，因为任何微小的缺陷都可能导致严重的安全问题。因此，航空航天制造商通常会选择采用经过严格质量检验的供应商和原材料。对于采用CNC数控加工技术的制造商来说，建立自己的质量保障系统尤为重要。

然而，建立QMS并非易事。它需要投入大量的时间和资源来进行质量规划、培训、监控和改进等环节。此外，还需要建立严格的质量控制体系来确保生产过程的稳定性和一致性。这意味着需要采用先进的质量管理工具和技术，如统计过程控制(SPC)、测量系统分析(MSA)和持续改进(Kaizen)等。这些工具和技术可以帮助制造商识别生产过程中的问题和改进机会，从而提高生产效率和降低成本。

除了建立QMS之外，制造商还需要拥有一支高素质的团队来管理和监控生产过程。这包括质量控制工程师、工艺师、操作员和质量保证人员等岗位。这些人员需要具备丰富的专业知识和技能，以便能够有效地监控生产过程并识别潜在的问题。

总之，建立自己的质量保障系统是采用CNC数控加工技术进行航空航天零件生产的必要步骤。通过建立QMS并采用先进的质量管理工具和技术，制造商可以确保生产的零件符合规定的质量标准，从而为航空航天领域提供可靠、安全和高性能的产品。

△尽管有限制，公司仍能够使用金属增材制造创建许多经过认证的零件，例如 Velo3D 中的这些示例（图片来源：Velo3D）

CNC数控加工在航空航天领域的应用

CNC数控加工在航空航天领域的应用正在迅速发展，这种增材制造技术能够制造出复杂的、具有精确几何形状的零件，这在传统制造方法中是难以实现的。通过使用CNC数控加工，可以制造出具有更高强度和更低重量的零件，这对于航空航天领域来说非常重要，因为重量和成本是关键考虑因素。

Michael York 是一位在航空航天领域有着丰富经验的专家，他指出，CNC数控加工在航空航天领域的应用具有许多优势。首先，它可以制造出具有复杂几何形状的零件，这在传统制造方法中是难以实现的。其次，CNC数控加工可以制造出具有更高强度和更低重量的零件，这对于航空航天领域来说非常重要。最后，CNC数控加工可以制造出具有更高精度和更高质量的零件，这对于航空航天领域来说也是非常重要的。

虽然CNC数控加工在航空航天领域的应用具有许多优势，但是它仍然存在一些局限性。York 指出，CNC数控加工的成本仍然较高，这限制了它的应用范围。此外，CNC数控加工的零件需要进行认证和测试，以确保它们符合航空航天领域的标准和质量要求。

尽管如此，随着技术的不断发展和成本的降低，CNC数控加工在航空航天领域的应用将会越来越广泛。像 ASTM International 这样的标准组织在这方面尤其重要。例如，ASTM 有增材制造质量保证高级培训课程。此外，这些组织通常拥有有助于培养个人能力的认证，例如基于 ASTM/ISO 52942 的 ASTM 机器操作员认证，它可以支持在 QMS 中展示操作员能力。此外，它肯定有助于与可能在航空航天领域使用金属 3D 打印经验的公司合作，无论是像 Velo3D 这样的 3D 技术制造商，还是像 Eaton Aerospace 这样经验丰富的航空航天公司。

总的来说，CNC数控加工在航空航天领域的应用具有巨大的潜力。随着技术的不断发展和成本的降低，它将会成为制造复杂、高质量零件的一种更经济高效的方法。