3D打印技术在航空领域中的应用前景(2)

时间：2017-06-19 10:20 来源：南极熊作者：中国3D打印网阅读：次

组合件组合要求增加了零件的结构重量，组合用标准件也增加了整体重量，对于某些小型的复杂轻金属结构，组合用标准件的重量甚至比零件本身的重量还要高。如果能够通过工艺手段直接成型组合件，一体化结构将实现明显的减重效果。
  如两个组合件的对合壁板厚度均为2毫米，将其一体成型后的整体壁板只需要不到3毫米，取消铆钉施工要求又可以明显降低重量。美国在F-16战斗机改进设计中，曾经在前机身结构改进中应用精密铸造件，用整体铝合金铸件替代铆接组合件，使替代总重量超过11千克的组合件的精铸件重量降低到4.7千克。利用复合材料替代金属材料时，虽然复合材料壁板的单体结构重量比铝合金高，但用桁条胶接为整体结构的复合材料壁板，却能够取消组合件的独立桁条和固定铆钉，总重量反而比组合金属结构降低了接近30%。
  3D打印直接体现的减重优势主要就是打印出复杂的封闭/半封闭零件，直接取代由多个零件组成的组合件，零件重量可以大幅度降低，固定零件的铆钉和螺栓的数量也可以减少，这才是3D打印减重最直接的应用方式。
  飞机结构一体化减重是效果最明显的措施。航空系统很早就在争取实现结构件一体化，尤其是复合材料应用到航空结构件后，曲面加筋壁板这种整体结构相比金属组合件，已经表现出很突出的减重和降低零件数量的优势。复合材料工艺水平发展很快，现在已经出现全复合材料的飞机，但复合材料不仅存在成本高和工艺难度大的问题，大部件制造还存在维护和维修难度高的使用困难，限制了复合材料在飞机结构大部件方面的应用范围。现代复合材料还无法取代结构件的金属材料，3D打印则通过高度灵活的成型手段，有利于实现金属和多种金属/非金属组合结构的一体化，与复合材料共同组成航空轻重量结构。
  3D打印不仅在结构制造上可以发挥减重作用，也有利于成品安装和系统布局的减重和改进。机载成品安装支架或运动装置的支撑结构复杂，又不是承力结构，很适合采用3D打印方式制造。如果把现在普遍采用的组合件用3D整体件替代，利用高尺寸精度的选区熔化方式一体成型，将有利于提高结构一致性和装卸更新的方便性。
  飞机的各种液体和气体导管种类很多，分布广泛，管道走向还要避开结构件和成品，没有办法在飞机内部设置长距离的直管。机载液、气管线存在很多弯曲度大的转角，为保证管道弯曲时的机械性能，必须在大的转角位置采用转向接头，消除因为小半径弯管产生的应力集中，这就使管线敷设中需要使用很多工艺接头。如果能够在保证安装和更换方便性的同时，3D打印出整体弯管替代传统的机械弯管、扩口和接头固定，将在保证管道弯曲尺寸要求的同时，降低管线的零件数量，提高机械性能。取消接头还能减少渗漏检查和维护的接口数量，一体成形的光滑内壁还可以优化管道内部液体和气体流动效果。
  3D打印对复合材料的支持
3D打印不仅可以用于金属和非金属材料，还能够用于碳纤维这类复合材料的制造。现代航空复合材料主要采用丝材铺、绕和树脂固化。复合材料丝材采用铺带方式叠层制造成型，使复合材料大都呈现平均厚度的平面结构，组合件则采用粘接或标准件固定的方式。如果将3D打印技术应用于复合材料制造，将丝材的铺叠和树脂填充由平面向立体发展，能够使复合材料复杂结构件一体成型，省去零件粘接和共固化的后续工艺过程，降低复合材料整体部件的制造周期，并避免组合加工过程控制中可能出现的工艺缺陷。3D打印可以制造出立体网格形的复杂结构，每个网格的空间尺寸可以达到高度一致，虽然网格结构并不适合独立作为航空部件，但却可以成为航空复合结构件的基材。

3D打印无人机的机翼结构特写

(责任编辑：admin)

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