XB-1是美国航空初创公司Boom研发的超音速客机的原型机，于2020年10月推出，让超音速旅行的梦想离大众又近了一步。XB-1计划于2021年开始飞行测试，是按照Overture超音速客机的三分之一比例制造的原型机，Overture客机原定于2025年亮相。

在项目早期，Boom公司的超音速客机设计研发团队就开始注意增材制造（AM）技术，并结合增材制造的特点完成了其中最复杂零件的设计。

 “选择增材制造的原因有很多，”Boom公司研发工程师Byron Young说道，“飞机设计中最繁琐的部分，就在于部件之间的接口设计。以增材制造的思路进行设计，可以最大程度地减少零件和接口的数量，这就大大缩短了研发时间。并且，零件的合并还能减轻飞机的重量。”

利用1kW的双激光准确追踪零件的几何形状，并将钛合金粉末融合，生产出XB-1客机中的可变旁通阀（VBV）。(图片由DMP公司提供)

VBV系统中的三个零件已制备完成，等待从Sapphire制造系统中取下。

几何结构自由

Boom超音速客机中许多3D打印的通风管道零件，都有非常复杂的叶片、风道、百叶窗结构，用以引导气流。其中一些部件的气流通过温度超过500°F。

 “对于有气流快速通过的零部件，我们将从效率和性能的角度来考量其结构的合理性，”Byron说道，“因此，在设计这些零件时，要从空气动力学角度出发，创建的流道实体必须是平滑的、有圆角过渡并且满足壁厚要求的。最终的零件结构往往非常复杂，需要通过增材制造来生产。”

VELO3D公司的应用工程师Gene Miller与Boom公司的设计工程师，以及负责3D打印后处理供应链的Duncan Machine Products（DMP）公司进行了密切合作。

 “Boom公司为超音客机设计的空气导流结构是非常独特的，其核心的设计目标在于减重，是无法通过钣金或铸造等传统方式来制造的，”Gene说道，“为了达到减重的目标，复杂的结构设计不可避免，这时唯一的制造方法就是金属增材制造。”

3D打印的百叶窗结构零件的特写。(图片由VELO3D公司提供)

Boom公司的超音客机研发团队于2019年开始与VELO3D公司展开试验性合作，是看中了他们的新一代激光粉末床融合（LPBF）技术，该技术的应用场景如下所述：
◆ 用于可变旁通阀（VBV）系统中钛合金歧管的3D打印，该歧管可将飞机引擎压缩机释放的空气引导至外部模块线路（OML）；
◆ 用于环境控制系统（ECS）的出气口百叶窗的3D打印，该系统用于座舱和系统舱制冷；
◆ 用于将中央进气口的二次放气流引导至OML的百叶窗的3D打印；
◆ NACA管道和两个分流器法兰部件的3D打印。NACA管道通常用在高速飞机上，以捕获和引导外部空气对发动机舱进行冷却。
上述所有零件，均在VELO3D公司的Sapphire制造系统上完成3D打印。并且，Sapphire系统是直接抓取Boom公司的CAD数据来完成打印的，这就保证了设计表达的准确性和完整性。

 “我们确实使用了Sapphire系统的Flow预打印软件，对NACA管道的薄壁区域进行了修改，增加了一些加强筋结构，”Gene说道，“但是在大多数情况下，零件都是原样打印的，不需要改变原始设计。”
Byron对Sapphire系统的极薄壁零件的制造能力印象深刻，他说：“Sapphire系统能够打印厚度仅为750μm的极薄壁结构。在大多数情况下，不需要额外的机加工序就能完成零件制造。”

Sapphire系统中的非接触式涂覆装置，可分配每层粉末金属层的厚度，并通过双激光对其熔合，这是该系统的另一个优势。为了减轻重量，中央入口的排气百叶窗上的叶片之间做了镂空设计，这样会使零件的长宽比跨度非常大，因此只能在Sapphire系统上完成其制造。

Gene表示：“我们的3D打印技术非常适合用于制造这样的长宽比跨度极大的零件，不需要多余的加固结构，非接触式的涂覆机也不会干扰到制造过程。”

钛合金
该项目面临的一大挑战是，Boom公司选择了钛合金作为3D打印的金属材料。
DMP公司的增材制造工程师Aaron Miller说：“钛合金的优势之一是其适用温度非常高。与铝或碳纤维相比，其在高温下的强度损失较小，并且强度/重量比更高。”

尽管钛合金的比重轻且耐高温性能好，但是如果其在制造过程中的冷却速度太快，也会变得脆弱易裂。也就是说，如果找不到合适的制造方式，钛合金的优势就无从发挥。

Gene指出，钛合金零件通常通过铸造制造，这就保证了较慢的冷却速度，可以有效防止零件开裂。但是某些飞机零件采用了极薄壁结构，这几乎是铸造不出来的。

Gene说：“这也是使用3D打印制造这些零件的原因之一，如果用传统的铸造方法生产这样的薄壁钛合金零件，裂纹废品率会非常高。”

Gene认为自己在与Boom公司的合作中学到了很多。“ Boom公司帮助我们打开了全新的零件设计思路，薄壁零件的制造不再是瓶颈，将减重目标推上了新的高度。从钛合金零件的3D打印中，我们学到了很多。比如说薄壁结构的走向是怎样的，什么时候不需要加支撑结构，什么时候需要加等等。”

过程控制至关重要
为了让钛合金零件更坚固耐用，VELO3D公司对3D打印的工艺参数和流程进行了优化。
“金属粉末沿着Z方向沉积，减少了基板的内应力，”Gene解释道，“另外，通过减轻冷却过程中形成的内应力，也可以有效减少裂纹。”

质量控制已经延伸到整个增材制造流程，从Flow预打印模拟开始，Sapphire系统执行打印命令，Assure系统对质量进行验证。只需轻击一下鼠标，即可完成设备的校准调试，包括自动检查激光对准、自动检验光束的稳定性和粉末床质量。在整个制造流程中，会自动记录关键参数并标记异常。最后，会将所有的流程数据进行汇总，形成报告，以供日后参考。

Boom客机的钛合金零件经过3D打印后，会用电锯或线切割机将其从基板上切下来。DMP公司的机械师认为3D打印的后处理过程是简单易行的。

 “将3D打印的零件从基板上切下以后，只需要去除掉少量的支撑物就可以了，后处理的工作量很小，”Aaron说道，“在零件的缝隙结构中或难以触及的地方，是没有冗余的支撑结构需要去除的。这多亏了SupportFree技术消除了对这些支撑的需要。从Sapphire系统中取下的工件几乎就是成品零件了，只需要用螺丝刀或砂轮对毛刺稍加处理即可。对于尺寸较大且有安装要求的零件，我们还需要铣出定位孔，并确保其位置尺寸正确。总之，不同零件的后处理流程略有不同，但普遍的加工时长不超过半小时，这没有什么困难的。”

由于机身零件的形状具有一定的特殊性，机加时用以固定零件的夹具的设计是有一定难度的。Aaron补充说：“飞机上几乎没有完全由规则的平面或圆形结构组成的零件，这使它们的装夹变得异常困难。但是，我们根据零件的CAD模型，快速设计出了用3D打印方式制造的定制化塑料夹具，这种夹具在单独的FDM（Fused Deposition Modeling，工艺熔融沉积制造） 3D打印机上制造，这些夹具的曲面结构是和飞机零件相合的，可以方便地固定住零件。

用轮廓仪测量3D打印零件的表面粗糙度，平均值约为250Ra。
 “如果客户需要将表面粗糙度控制在125Ra，则只需几分钟的蒸汽处理。”Aaron说道。
对成品零件进行热处理和/或热等静压（HIP）处理，可以延长其疲劳寿命。Gene指出：“超音速客机不同于普通客机，它所承受的环境影响和气流压力要大得多。”

“超音飞机所承受的主要负载，通常不是高速引起的压力负载，”Byron补充道，“在很多情况下，是飞机整体结构弯曲变形而引起的每个零件的变形应力。比如说，安装连接在一起的两个零件的热膨胀系数不同，热变形也不同，就会造成两个零件间的变形应力。3D打印零件可以设计得非常薄且轻巧，可以缓解这种应力的产生。”

Boom公司的XB-1超音速客机中，有21个硬件组件是在VELO3D公司的Sapphire 3D打印系统上制造完成的。这些零件的结构特征包括极薄壁、超大长宽比等等，无法通过传统的焊接和铸造，或是老式的3D打印技术来制造。

尝试，学习和迭代
通过XB-1超音速客机原型机的增材制造项目，Boom与VELO3D合作双方都从中学到了很多东西。 Boom公司的研发团队发现增材制造的潜力超出了他们的想象，可以完整还原他们的设计意图。DMP公司通过这一项目，也极大地扩展了3D打印专业知识，并决定购入第三台Sapphire系统。“由于我们在增材制造方面能力增强了，新业务也增多了。” Aaron说道。