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詳解3D打印在航空制造中的優(yōu)點與局限(2)

時間:2017-06-15 20:45 來源:南極熊 作者:中國3D打印網(wǎng) 閱讀:

3D打印對復(fù)合材料的支持 

3D打印不僅可以用于金屬和非金 屬材料,還能夠用于碳纖維這類復(fù)合材料的制造。 

現(xiàn)代航空復(fù)合材料主要采用絲材鋪、繞和樹脂固化。復(fù)合材料絲材采用鋪帶方式疊層制造成型,使復(fù)合材料大都呈現(xiàn)平均厚度的平面結(jié)構(gòu),組合件則采用粘接或標(biāo)準(zhǔn)件固定的方式。如果將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料制造,將絲材的鋪疊和樹脂填充由平面向立體發(fā)展,能夠使復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)件一體成型,省去零件粘接和共固化的后續(xù)工藝過程,降低復(fù)合材料整體部件的制造周期,并避免組合加工過程控制中可能出現(xiàn)的工藝缺陷。3D打印可以制造出立體網(wǎng)格形的 復(fù)雜結(jié)構(gòu),每個網(wǎng)格的空間尺寸可以達到高度一致,雖然網(wǎng)格結(jié)構(gòu)并不適合獨立作為航空部件,但卻可以成為航空復(fù) 合結(jié)構(gòu)件的基材。

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△3D打印無人機的機翼結(jié)構(gòu)特寫

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基材與復(fù)合材料纖維組合,利用樹脂固化/燒結(jié)金屬/陶瓷與復(fù)合材料,能較好兼顧強度、曲面外形和安裝組合的要求。高性能航空發(fā)動機全復(fù)合材料葉片與金屬葉盤組合時,不同的材料機械、熱性能對工藝要求很高,設(shè)計和施工難度也很大。如果用3D打印技術(shù)將金屬基材料與復(fù)合材料組合制成葉片,金屬的葉根與盤體材料性能一致,能明顯降低發(fā)動機葉盤的組裝難度,也有利于在發(fā)動機改進中直接替代全金屬葉片,為發(fā)動機整體減重提供非常大的改進空間。 

3D打印的應(yīng)用限制 

3D打印能夠有效提高航空產(chǎn)品的工藝和制造水平,通過結(jié)構(gòu)減重改善航空器性能的潛力也很大,但實際應(yīng)用所 面對的技術(shù)局限也非常明顯,直接限制了3D打印在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。3D打印的一體化制造能夠取得減重效應(yīng),那把飛機的大部件都用3D打出來不行嗎?飛機大部件全3D打印的技術(shù)難度并不算大,目前國外已實現(xiàn)長度超過5米,直徑1.2米矩形框的3D整體成型,將飛機前機身的框架一體化制造,在加工工藝方面是沒有問題的。理論上只要結(jié)構(gòu)材料相同,大部件整體打印并沒有什么難度,選區(qū)熔化成型件的表面粗糙度比較高,基本能滿足替代鈑金組合件的工藝要求。問題是現(xiàn)在的飛機結(jié) 構(gòu)并不僅是要滿足尺寸要求,而是要滿足飛機使用和維護的各方面需要。 

現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機的機載設(shè)備分布全機,飛行控制、燃料和電源系統(tǒng)的導(dǎo)管與線纜同樣分布廣泛。遍布全機的設(shè)備和管線需要頻繁維護,這就要求飛機表面必須開有對應(yīng)的檢查口蓋,先進戰(zhàn)斗機的表面開口率甚至可以超過60%。設(shè)備檢查開口需要內(nèi)部結(jié)構(gòu)避讓,機體結(jié)構(gòu)還要留出故障件更換所需的操作空間。如果機體結(jié)構(gòu)的大部件實現(xiàn)一體化,內(nèi)部成品設(shè)備和導(dǎo)管等無法分解的部件,將很難利用外場維護條件實現(xiàn)無損更新。

如果把內(nèi)部設(shè)備分解化裝配,成品與導(dǎo)管增加的接頭和組合件,又會在很大程度上消耗掉結(jié)構(gòu)整體化的收益,增加外場維修和檢查難度將惡化飛機的完好率,也不利于軍用飛機隨使用過程進行改裝完善。現(xiàn)代軍用飛機的改進很頻繁,如美國海軍已退役的F-14艦載戰(zhàn)斗機,各種設(shè)備和結(jié)構(gòu)隨飛機生產(chǎn)過程調(diào)整,最終幾乎不存在兩架結(jié)構(gòu)和成品完全一致的飛機。如果實現(xiàn)3D打印大部件直接替代組合件,現(xiàn)在的很多改進措施事實上將無法應(yīng)用,或在改進中必須對結(jié)構(gòu)進行大范圍更換,時間與資金的消耗直接限制了飛機改造的效費比。

事實上,越是功能和設(shè)備簡單的飛機越容易實現(xiàn)一體化,越是設(shè)備和功能要求復(fù)雜的飛機,對結(jié)構(gòu)可拓展性和包容性的要求就越高,采用大規(guī)格一體化結(jié)構(gòu)的難度和全壽命成本就越大。維護難度是限制大規(guī)格一體化結(jié)構(gòu)的難點,飛機本身的使用特點更影響到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。 現(xiàn)代噴氣戰(zhàn)斗機的飛行速度可達到M1.5,地面停放時的低溫可達到-50℃,飛行時也存在結(jié)冰等低溫環(huán)境的影響,但駐點溫度在高速飛行時甚至要超過百度,M2以上速度的駐點溫度甚至可以達到200℃,機體外表和結(jié)構(gòu)還要承受高速飛行的速壓。

同時,飛機內(nèi)部設(shè)備艙和管線需要進行溫度和壓力控制,發(fā)動機段存在高溫區(qū),均使機體結(jié)構(gòu)和蒙皮要反復(fù)承受高/低溫和壓力變換的影響。金屬材料在飛機使用過程中,不同材料和結(jié)構(gòu)存在不同的膨脹系數(shù),不同使用環(huán)境將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多種狀態(tài)的應(yīng)力。整體固定結(jié)構(gòu)勢必集中承受這些應(yīng)力作用,大規(guī)格整體結(jié)構(gòu)很難平衡各種因素的影響,很容易因為應(yīng)力集中和傳導(dǎo)產(chǎn)生破損和裂紋,結(jié)構(gòu)損壞將主要集中在零件的折角和孔位。組合件雖然在加工和使用中存在問題,但組合件本身就是個分解應(yīng)力的分散結(jié)構(gòu),更容易承受飛機使用的惡劣環(huán)境要求,出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形和裂紋時也方便更換破損零件,這也是3D打印大部件難以替代的技術(shù)優(yōu)勢。 

3D打印大部件的應(yīng)用前景 

3D打印可以支持航空設(shè)計師實現(xiàn)夢寐以求的組合件最大化,以及最小化裝配量的高經(jīng)濟性目標(biāo)。通過3D打印技術(shù)制造整體零件,有條件把維護和結(jié)構(gòu)允許的部分一體化,大幅度減少因為 零件數(shù)量和裝配工藝所產(chǎn)生的重量,使飛機設(shè)計和裝配的難度明顯得到降低。國內(nèi)外現(xiàn)階段3D打印的應(yīng)用范圍還不大,主要集中在復(fù)雜零件的快速原型和小批制造,但以鑄造件對航空裝備減重的效果作為依據(jù),只要突破了設(shè)計和應(yīng)用方面的幾個關(guān)鍵點,3D打印一體化應(yīng)用的發(fā)展將是必然的趨勢。

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△3D打印的飛機零件

隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用成熟度的提高,也將出現(xiàn)相應(yīng)的工藝和制造規(guī)范。3D打印只要突破整體大部件材料堆積速度和制成品質(zhì)量/壽命控制的難關(guān),將會首先在大型民用和軍用特種飛機(普遍采用民用飛機作為平臺)制造中得到應(yīng)用。民用大飛機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)尺寸大,機體開口比例低,飛機交付后一般不會進行大的結(jié)構(gòu)改動,適合3D打印一體化大部件的應(yīng)用。按照空客公司的設(shè)想,未來的民用飛機可以利用3D打印的方式,采用“鳥巢”式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體成型機體,用透明件填充框架,讓民用客機擁有“花房”式全景布局的機體,最大化發(fā)揮3D打印所帶來的性能和使用優(yōu)勢。

國外已經(jīng)制造出全3D打印的無人機的機體和發(fā)動機,實現(xiàn)用3D打印生產(chǎn)小型化、低維護要求航空產(chǎn)品的目標(biāo)。按照國外航空企業(yè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃,到2050年就有實現(xiàn)飛機整體結(jié)構(gòu)3D打印成型的可能,屆時將會出現(xiàn)由3D打印大部件組成的實用型民用中、大型航空器。 

3D打印實際應(yīng)用的成本和成熟性 

3D打印可降低毛坯件重量和減少機加工時間,能提高生產(chǎn)速度和降低成本,但這只是比較零件的后期加工費用,而沒有考慮到全生產(chǎn)周期的綜合成本。3D打印需要精細(xì)度很高的粉材作 為基材。高精細(xì)度和高純度的粉材,制 造工藝和單位重量成本遠(yuǎn)高于金屬坯材基料。普通的民用塑料件每千克成本不 過幾十元,可用于3D打印的同材料粉材 每千克成本上百元,進口高品質(zhì)粉材的成本可達幾百元,航空用金屬材料的坯、粉材料成本差異也大體相似。

事實上,3D打印的基材本身就要對原坯進行專門的加工,使冶煉坯料成為可用于燒結(jié)的高純度粉材,而宣傳3D打印時卻很少考慮這方面的生產(chǎn)周期和成本。嚴(yán)格說起來,常規(guī)鍛件由鑄造的坯材軋壓成型后加工,與先制成粉材后再通過燒結(jié)方式3D成型后加工,綜合成本必須統(tǒng)計整個生產(chǎn)周期的成本,而不是僅去對比毛坯件成型和機加工周期成本。 

3D打印航空零件雖然已經(jīng)實際應(yīng)用了十幾年,但作為關(guān)鍵件使用的歷史并不長,沒有哪個型號真正完成了全壽命實際使用的驗證。3D打印零件的試驗數(shù)據(jù)確實比較理想,但與經(jīng)過上百年傳承的常規(guī)工藝相比,3D打印存在有很多還不夠清晰的應(yīng)用問題,需要經(jīng)過長時間使用才能夠積累足夠的數(shù)據(jù)。3D打印減重最直接的措施就是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化,而沒有得到完整的設(shè)計體系支持的一體化,僅能在生產(chǎn)制造階段發(fā)揮直接作用,在周期最長的使用階段的經(jīng)濟效益卻缺乏驗證,而且存在比常規(guī)工藝更大的質(zhì)量控制風(fēng)險。3D打印零件需要長時間使用才能積累應(yīng)用數(shù)據(jù),目前設(shè)計師和使用者都不敢放開3D打印的應(yīng)用范圍。 

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△3D打印的微型航空發(fā)動機進行測試

3D打印能適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計,工藝實現(xiàn)難度比鑄/鍛要低。但是,3D打印單件與批量的生產(chǎn)消耗沒有差異,相比之下,鍛/鑄生產(chǎn)制造出模具就可以重復(fù)制造,批生產(chǎn)消耗明顯低于首件。因此,達到批生產(chǎn)效益平衡點的可以利用3D制造,否則還是應(yīng)采用常規(guī)方式。現(xiàn)代軍機的正常生產(chǎn)周期在1年左右,飛機壽命卻能達到30年,結(jié)構(gòu)壽命也有近萬飛行小時,這個期間所面對的問題遠(yuǎn)比生產(chǎn)周期更多,也更復(fù)雜。

3D打印用于設(shè)計驗證與原型機的快速制造時,短周期和低成本的優(yōu)勢明顯,如果把3D打印零件廣泛用于批生產(chǎn)型號,帶來的縮短生產(chǎn)周期和降低成本的收益是否能平衡全壽命周期內(nèi)的風(fēng)險還是問號。3D打印是足以影響航空設(shè)計和制造的前沿技術(shù),但這種技術(shù)真正融合到航空工藝體系中,所需要的時間和應(yīng)用研究還遠(yuǎn)非現(xiàn)在的規(guī)模所能企及。

(責(zé)任編輯:admin)

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