根據國際航空的報導，3D列印-增材製造在複合材料、鈦合金、高溫合金等用於超音速客機承力、熱端部件的材料製造方面，隨著增材製造技術在製造精度、速度、質量控制等方面不斷取得新突破，在標準化鑑定認證、價值鏈集成方面更加統一和完善，增材製造將助力超聲速飛機成為商業與製造業角逐的新高地。
根據3D科學谷的市場了解，在3D列印-增材製造超音速客機的市場化進展方面，國際上，航空航天公司 Boom超音速已從美國空軍 (USAF) 獲得價值高達 6000 萬美元的合同，以加速其即將推出的「序曲-Overture」超音速飛行飛機的研發。
3D列印超音速飛機的應用空間© 3D科學谷
下一代飛機？
根據3D科學谷，3D列印可能是贏得超音速競賽的關鍵，3D列印在其中的應用空間很大，包括金屬3D列印3D列印超燃衝壓發動機幾乎全部的零件，3D列印熱混合動力發動機中防止結冰的推進劑注射器系統，結構部件等等。還包括3D列印在陶瓷、碳纖維材料、金屬陶瓷連續體等方面的應用。
根據3D科學谷，由於空氣的摩擦，任何交通工具表面都會變得非常熾熱,高超音速飛行器在臨近空間/大氣層內長時間以超過馬赫數5的高速持續飛行，採用吸氣式動力形勢的發動機進氣道、燃燒室等部位所處的熱環境尤其嚴酷。這使相關零部件對材料的耐高溫性能、結構的力學性能等有著很高要求，同時對其空間外形、自身重量等也有著苛刻要求。
當傳統製造技術無法滿足要求時，3D列印技術為其開闢了一條全新的道路。3D列印技術以其能夠快速製備具有高材料性能、異形結構、整體特性的零部件特點，在高超聲速飛行器相關領域得到了愈發廣泛的應用。
資金與更開闊的未來
航空航天公司 Boom超音速獲得的6000 萬美元資金由美國空軍的 AFWERX 創新部門授予，旨在幫助加強 Overture 的航空和發動機測試計劃，其最初的 XB-1 演示機部分使用 3D 列印製造。Overture 將能夠以當今客機的兩倍速度運載多達 88 名乘客，同時還使用 100% 可持續燃料，計劃於 2030 年投入使用。
根據國際航空，XB-1是超聲速客機「序曲」（Overture）的1:3縮比原型驗證機，而「序曲」的載客量達55~75人。XB-1採用了雙座設計，機長21.64m、翼展長6.4m，裝載3台GE公司J85-15發動機，巡航速度Ma 2.2。XB-1後續將進行地面測試，並計劃於2021年進行100%碳中和測試後實現首飛。同時，公司將完成「序曲」的推進系統設計製造並進行風洞測試和驗證。當XB-1在飛行測試中突破聲障後，Boom將最終確認「序曲」的設計，並在2025年推出全尺寸的超音速客機，據悉，維珍集團和日本航空公司已經預訂了30架該型客機，聯合航空公司訂購了15 架。
據了解，作為空軍潛在的未來平台，「序曲」（Overture）將提供寶貴的時間優勢，這是目前國際上無與倫比的選擇。
Boom Supersonic 的 XB-1 演示機© Boom超音速，參考自：國際航空
Boom Supersonic 成立於 2014 年，根據國際航空，Boom公司於2016年宣布了XB-1超聲速客機的設計方案及參數，並公開展示了其驗證機。2017年，Boom公司修改了XB-1的進氣道、機翼和垂尾設計方案，隨後陸續與日本航空公司、Advent飛機系統公司、Stratasys公司、VELO 3D公司及美國空軍等建立合作關係。2020年，Boom公司完成了靜態機翼加載測試、機翼結構組裝與關鍵對接測試，並於2020年10月推出了二代驗證機「XB-1」，以證明該公司 2.2 馬赫 Overture 設計的可行性。
Boom飛機開發與組裝現場
儘管這款原型機的尺寸只有「序曲」（Overture）的三分之一，但其定製的複合結構仍然包含 3700 多個部件，包括起落架、飛行控制執行器和冷卻系統。為了承擔建造這個演示器的艱巨任務，Boom Supersonic 經常通過3D 列印來實現零件的快速製造。
3D列印技術為核心
根據國際航空的報導，從2019年起，Boom公司與VELO 3D公司就鈦合金部件的增材製造開展了合作，VELO 3D利用該公司的「藍寶石」系統為XB-1開發和製造了飛機關鍵位置零件，這些鈦合金部件大多用於發動機、環境控制系統和結構部件。在XB-1演示驗證機上已安裝有21個鈦合金增材製造部件，包括：將發動機壓氣機引氣至飛機的外模線（OML）的可變涵道閥（VBV）系統歧管；用於冷卻駕駛艙和電子系統艙的環境控制系統（ECS）的排氣窗板；用於將中央進氣口的二次引氣流引導至外模線的窗板；NACA導管和兩個分流器法蘭結構部件。
金屬3D列印方面，3D列印的鈦零件用於發動機硬體、環境控制系統和結構件。其幾何設計特徵包括具有高縱橫比的高而薄的外壁，這些外壁本身難以通過傳統工藝（例如焊接和鑄造）或大多數現有的3D列印技術來製造。其中，VELO3D獨特的SupportFree列印工藝支持前所未有的設計自由度和質量控制，消除了飛機設計創新中的製造限制。
XB-1的每台發動機均安裝有可變涵道閥（VBV）系統。該系統可以排出壓縮機空氣以防止發動機失速。左為來自Flow前處理軟體的數字模型；中為列印完成的3個零件；右為窗板葉片。
© Boom超音速, 參考自：國際航空
根據3D科學谷的了解，XB-1的開發過程充分利用了計算機仿真軟體和3D列印的優勢，使得設計和製造過程更快、更高效。Boom的優勢在於可以在數百種計算機仿真中疊代和測試設計，相比於使用風洞對設計進行疊代，不僅成本高昂，而且非常耗時。
Boom金屬零件3D列印
工程師能夠在飛機的設計過程中運行數千個計算機模擬計算，仿真和3D列印對提升Boom的設計效率很重要，基於市場對長途航空旅行的巨大需求，數十年的技術進步以及燃油效率的提高，Boom發力運行經濟性大大改善的超音速客機，通過下一步要開發的Overture以便使乘機的成本與目前的公務艙旅行相當，據稱已經獲得了日本航空和維珍航空的預定。
Boom還試圖通過使用最新的降噪技術來提高環保意識，確保其發動機的穩定性與低碳排放，面向可持續的航空燃料兼容，並建立LEED認證的裝配線。
在NACA導管的薄壁部位生成加強肋以增加結構強度
© Boom超音速，參考自：國際航空
根據3D科學谷的市場了解，Boom還採用了先進的碳纖維複合材料結構，目前採用的是模壓碳纖維複合材料，該複合材料可提供出色的強度對重量比，更好地處理與超聲速相關的高溫。這些複合材料獲得了美國聯邦航空局（FAA）的批准。
Boom還跟Stratasys 建立了長期的合作夥伴關係，這使兩家公司超越了快速原型製作，並為 XB-1 和可能的 Overture生產最終用途零件。
此外，諸如碳氧化矽（SiOC）之類的陶瓷材料可承受難以置信的溫度。如果通過3D列印技術成型為複雜的幾何形狀，那其用途就更加特殊了。陶瓷材料的3D列印，可能是開發未來超音速飛彈和飛機的關鍵。由於空氣的摩擦，任何交通工具表面都會變得非常熾熱，如果想要製造高超聲速飛行器就需要用高溫陶瓷製造整個外殼。目前，沒有任何材料可以承受超音速飛行過程中產生的極端熱量和壓力，而 3D列印陶瓷可能就是解決這個問題的方法。
作為一項為期三年的「戰略合作夥伴關係」，美國空軍對 Boom超音速的投資大幅增加，這可以繼續增強建設 Boom超音速的快速全球運輸和後勤能力，特別是在其行政運輸、情報、監視、偵察、特種作戰或太平洋空軍行動中。
儘管 XB-1 自 2020 年底推出以來一直沒有飛行，但 Boom超音速迄今已成功獲得 2.7 億美元為其開發提供資金。在商業發布方面，Boom超音速表示「序曲」（Overture）預計將於2023年投入生產，然後在 2025 年推出，並在2030年開始載客。
布局下一代飛機製造陣營
越來越多的航空公司開始採用 3D 列印來優化與製造可飛行的飛機部件相關的重量、交貨時間和成本。在最近的粘結劑噴射 3D 列印試驗中，JPB Système 發現這項增材製造技術能夠將其一些航空部件的重量減輕 30%，製造速度提高 80%。
JPB Système 之類的公司也已開始試用 3D 列印來生產可飛行的航空航天部件
© JPB 系統。
© 3D科學谷
根據3D科學谷的市場觀察，國際上和國內活躍的超音速飛機發動機領域的企業有老牌的大型企業，也有新興的創業企業，這其中包括GE, Aerojet Rocketdyne ，Reaction Engines（背後的投資者包括波音，勞斯萊斯等），雷神公司(Raytheon)、諾格公司(Northrop Grumman)等等。
3D列印正在助力超音速飛機成為新的商業角逐點，根據3D科學谷的市場觀察，波音和勞斯萊斯已投資2650萬英鎊（約合3760萬美元）於英國Reaction Engines公司，致力於3D列印SABRE發動機和開發未來超音速旅行發動機方案。而Aerojet Rocketdyne 為美國國家航空航天局（NASA）和美國國防高級研究計劃局（DARPA）製造的新型高超音速發動機2018年成功通過測試。GE將旗下Affinity渦扇發動機經行特殊改裝優化，採用了經過驗證的超音速飛行技術，能夠滿足Aerion AS2的超音速飛行要求。
2020年12月，我國首次公開，正在研製的「超燃衝壓發動機」，能達到16倍音速，2小時抵達全球任何地方，號稱中國的「怪獸級」發動機。2021年9月，北京凌空天行科技有限責任公司宣布完成逾億元A+輪融資，據悉，凌空天行具備豐富的研發設計與工程實踐經驗，掌握了氣動、控制、防熱等多項核心技術。
知之既深，行之則遠，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智能製造深度觀察，有關3D列印在細分應用領域的更多分析，請前往3D科學谷發布的《3D列印與航空發動機白皮書2.0》，《3D列印與航天研發與製造業白皮書》。
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