3D打印技術在航空領域中的應用前景(4)
時間：2017-06-19 10:20 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
3D打印大部件的應用前景
3D打印可以支持航空設計師實現(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。通過3D打印技術制造整體零件，有條件把維護和結構允許的部分一體化，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打印的應用范圍還不大，主要集中在復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)，只要突破了設計和應用方面的幾個關鍵點，3D打印一體化應用的發(fā)展將是必然的趨勢。
隨著3D打印技術應用成熟度的提高，也將出現(xiàn)相應的工藝和制造規(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，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)制造中得到應用。民用大飛機的優(yōu)點是結構尺寸大，機體開口比例低，飛機交付后一般不會進行大的結構改動，適合3D打印一體化大部件的應用。按照空客公司的設想，未來的民用飛機可以利用3D打印的方式，采用“鳥巢”式網(wǎng)格結構整體成型機體，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。按照國外航空企業(yè)的遠景規(guī)劃，到2050年就有實現(xiàn)飛機整體結構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打印需要精細度很高的粉材作為基材。高精細度和高純度的粉材，制造工藝和單位重量成本遠高于金屬坯材基料。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)實際應用了十幾年，但作為關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)結構一體化，而沒有得到完整的設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)量控制風險。3D打印零件需要長時間使用才能積累應用數(shù)據(jù)，目前設計師和使用者都不敢放開3D打印的應用范圍。
3D打印能適應復雜的結構設計，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，結構壽命也有近萬飛行小時，這個期間所面對的問題遠比生產(chǎn)周期更多，也更復雜。
3D打印用于設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)的風險還是問號。3D打印是足以影響航空設計和制造的前沿技術，但這種技術真正融合到航空工藝體系中，所需要的時間和應用研究還遠非現(xiàn)在的規(guī)模所能企及。
(責任編輯：admin)
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