3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用前景(2)
時間：2017-06-19 10:20 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
組合件組合要求增加了零件的結(jié)構(gòu)重量，組合用標(biāo)準(zhǔn)件也增加了整體重量，對于某些小型的復(fù)雜輕金屬結(jié)構(gòu)，組合用標(biāo)準(zhǔn)件的重量甚至比零件本身的重量還要高。如果能夠通過工藝手段直接成型組合件，一體化結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)明顯的減重效果。
如兩個組合件的對合壁板厚度均為2毫米，將其一體成型后的整體壁板只需要不到3毫米，取消鉚釘施工要求又可以明顯降低重量。美國在F-16戰(zhàn)斗機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)中，曾經(jīng)在前機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)中應(yīng)用精密鑄造件，用整體鋁合金鑄件替代鉚接組合件，使替代總重量超過11千克的組合件的精鑄件重量降低到4.7千克。利用復(fù)合材料替代金屬材料時，雖然復(fù)合材料壁板的單體結(jié)構(gòu)重量比鋁合金高，但用桁條膠接為整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料壁板，卻能夠取消組合件的獨(dú)立桁條和固定鉚釘，總重量反而比組合金屬結(jié)構(gòu)降低了接近30%。
3D打印直接體現(xiàn)的減重優(yōu)勢主要就是打印出復(fù)雜的封閉/半封閉零件，直接取代由多個零件組成的組合件，零件重量可以大幅度降低，固定零件的鉚釘和螺栓的數(shù)量也可以減少，這才是3D打印減重最直接的應(yīng)用方式。
飛機(jī)結(jié)構(gòu)一體化減重是效果最明顯的措施。航空系統(tǒng)很早就在爭取實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件一體化，尤其是復(fù)合材料應(yīng)用到航空結(jié)構(gòu)件后，曲面加筋壁板這種整體結(jié)構(gòu)相比金屬組合件，已經(jīng)表現(xiàn)出很突出的減重和降低零件數(shù)量的優(yōu)勢。復(fù)合材料工藝水平發(fā)展很快，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)全復(fù)合材料的飛機(jī)，但復(fù)合材料不僅存在成本高和工藝難度大的問題，大部件制造還存在維護(hù)和維修難度高的使用困難，限制了復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)大部件方面的應(yīng)用范圍。現(xiàn)代復(fù)合材料還無法取代結(jié)構(gòu)件的金屬材料，3D打印則通過高度靈活的成型手段，有利于實(shí)現(xiàn)金屬和多種金屬/非金屬組合結(jié)構(gòu)的一體化，與復(fù)合材料共同組成航空輕重量結(jié)構(gòu)。
3D打印不僅在結(jié)構(gòu)制造上可以發(fā)揮減重作用，也有利于成品安裝和系統(tǒng)布局的減重和改進(jìn)。機(jī)載成品安裝支架或運(yùn)動裝置的支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又不是承力結(jié)構(gòu)，很適合采用3D打印方式制造。如果把現(xiàn)在普遍采用的組合件用3D整體件替代，利用高尺寸精度的選區(qū)熔化方式一體成型，將有利于提高結(jié)構(gòu)一致性和裝卸更新的方便性。
飛機(jī)的各種液體和氣體導(dǎo)管種類很多，分布廣泛，管道走向還要避開結(jié)構(gòu)件和成品，沒有辦法在飛機(jī)內(nèi)部設(shè)置長距離的直管。機(jī)載液、氣管線存在很多彎曲度大的轉(zhuǎn)角，為保證管道彎曲時的機(jī)械性能，必須在大的轉(zhuǎn)角位置采用轉(zhuǎn)向接頭，消除因?yàn)樾“霃綇澒墚a(chǎn)生的應(yīng)力集中，這就使管線敷設(shè)中需要使用很多工藝接頭。如果能夠在保證安裝和更換方便性的同時，3D打印出整體彎管替代傳統(tǒng)的機(jī)械彎管、擴(kuò)口和接頭固定，將在保證管道彎曲尺寸要求的同時，降低管線的零件數(shù)量，提高機(jī)械性能。取消接頭還能減少滲漏檢查和維護(hù)的接口數(shù)量，一體成形的光滑內(nèi)壁還可以優(yōu)化管道內(nèi)部液體和氣體流動效果。
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(dá)到高度一致，雖然網(wǎng)格結(jié)構(gòu)并不適合獨(dú)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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