增材制造技术在航空制造上的应用

作者：李涤尘 卢秉恒 张征宇

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三维打印(3D Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。AM技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。 航空器生产是一个复杂的设计制造系统，其中各种零部件多达数万个，设计与制造过程相互交错，制造速度响应性直接制约飞机的研制和生产周期。AM技术直接由CAD 数据制成三维实体，使成本下降为数控加工的1/3～1/5，周期缩短为1/5～1/10。它能够适应复杂结构和单件或小批量产品的制造，是目前国际航空制造技术的一个发展方向。 国外发展状况 目前，通过将AM的原理与不同的材料和工艺相结合已形成了20多种AM设备，这一技术被广泛应用于各个领域，如消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等领。美国Wohlers协会统计，在快速成型技术应用的产业领域中，航空航天领域应用从2003年的7%增加到了2011年的9.9%。该领域应用最为广泛的是航空零部件的快速制造，包括快速精铸技术、金属直接制造零部件、风洞模型的制造。这些技术可以有效提高飞机设计与制造速度，促进航空航天新产品的研发。 国外主要的航空企业都在应用AM技术研制新型航空器。例如，美国军用和商用航空发动机制造商Sundstrand公司使用AM技术为一个新型燃气轮发动机的进风口外壳（高250mm、直径为300mm、壁厚仅1.5mm）制作原型（图1），节省了4个多月的加工制造时间和超过8.8万美元的费用。美国波音公司用快速成型技术制造飞机的一些复杂结构体，如用光固化原型铸造的驾驶员座舱系统和隔扇控制阀。空客公司在一些非关键零部件上采用了AM技术来制造，包括A380飞机上的零部件。在复杂的航空零部件设计方面也有非常多的用途，例如在设计航空发动机涡轮叶片时，使用快速成型技术制造叶片，评价气膜孔的冷却效果。 金属直接制造是一个主要的发展趋势，国外在这方面开展了大量的研究工作，在航空零部件制作上取得了很好的应用。德国弗劳恩霍夫激光技术学会于2010年4月报道，航空发动机引擎中的叶片可以用激光直接制造技术快速制造Inconel 718 镍基高温合金叶片。未来更进一步的发展是“控形控性一体化”发展，即在制造外形的同时，控制组织尺寸和方向，以获得性能良好的组织。2009年POM公司与密歇根大学联合报道可以用直接金属成形工艺来制造涡轮叶片，提出了一种在工艺中控制叶片组织的方法，该系统利用感应线圈加热成形过程中的叶片，控制叶片各部位温度梯度，以获得定向晶组织。 美国空军研究实验室利用AM技术制造了全树脂的E-8C预警机全机刚性模型。该研究小组利用快速成型技术在加工上的灵活性，制造了有/无雷达整流罩、有/无尾舵偏角、有/无翼稍小翼的系列模型，同时AM技术良好的制造精度也保证了系列模型之间的实验数据对比性，通过该系列模型的风洞实验数据，为后续的研究提供了基准数据，将快速成型技术应用到了型号飞机的研制中。研究表明，利用快速成型技术制造的风洞模型可满足飞行器预研阶段的实验要求，从而加快飞行器研制进度。 美国波音公司Aero/Noise/Propulsion实验室将AM作为提高风洞试验效率、降低成本的两项革命性技术之一。该实验室主要通过金属选区烧结（SLS）工艺、塑料快速成型零件金属镀膜工艺、直接金属熔融工艺加工制造风洞模型，该实验室称快速成型工艺代替传统加工手段能够将模型的制造成本降低1个数量级，周期缩短3倍，将设计人员从烦琐的模型加工中解放出来，提高该实验室的工作效率。 意大利Politenico Ditorino的G. Romeo、美国Clarkson大学的P. Marzocca和美国Alabama大学的Illhan Tuzcu等人，用光固化快速成型技术制造了大展弦比弹性机翼的外壳，供低速颤振实验使用。 国内发展状况 大型整体钛合金关键结构件成形制造技术被国内外公认为是对飞机工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。西北工大凝固技术国家重点实验室已经建立了系列激光熔覆成形与修复装备，可满足大型机械装备的大型零件及难拆卸零件的原位修复和再制造。应用该技术实现了C919 飞机大型钛合金零件激光立体成形制造。目前民用飞机越来越多地采用了大型整体金属结构，飞机零件主要是整体毛坯件和整体薄壁结构件，传统成形方法非常困难。商飞决定采用先进的激光立体成形技术来解决C919飞机大型复杂薄壁钛合金结构件的制造。西北工大采用激光成形技术制造了最大尺寸达2.83m的机翼缘条零件，最大变形量<1mm，实现了大型钛合金复杂薄壁结构件的精密成形技术，相比现有技术可大大加快制造效率和精度，显著降低生产成本。 北航在金属直接制造方面开展了长期的研究工作，突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，解决了大型整体金属构件激光成形过程零件变形与开裂“瓶颈难题”和内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术，飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件，已研制生产出了我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金及超高强度钢等高性能关键整体构件，并在大型客机C919等多型重点型号飞机研制生产中得到应用。 西安交大以研究光固化快速成型（SL）技术为主，于1997年研制并销售了国内第一台光固化快速成型机；并分别于2000年、2007年成立了教育部快速成形制造工程研究中心和快速制造国家工程研究中心，建立了一套支撑产品快速开发的快速制造系统，研制、生产和销售多种型号的激光快速成型设备、快速模具设备及三维反求设备，产品远销印度、俄罗斯、肯尼亚等国，成为具有国际竞争力的快速成型设备制造单位。 西安交大在新技术研发方面主要开展了LED紫外快速成型机技术、陶瓷零件光固化制造技术，铸型制造技术、生物组织制造技术、金属熔覆制造技术和复合材料制造技术的研究。在陶瓷零件制造的研究中，研制了一种基于硅溶胶的水基陶瓷浆料光固化快速成型工艺，实现了光子晶体、一体化铸型等复杂陶瓷零件的快速制造。 西安交大与中国空气动力研究与发展中心及成都飞机设计研究所合作开展了风洞模型制造技术的研究，围绕测压模型、测力模型、颤振模型和气弹模型等方面进行了研究工作。设计了树脂—金属复合模型的结构方案，采用有限元方法计算校核树脂—金属复合模型的强度、刚度以及固有频率。通过低速风洞试验，研究了复合模型的气动特性，并与金属模型试验数据相对比。强度校核试验显示，模型的整体性能良好，满足低速风洞的试验要求，研制的复合模型在低速风洞试验下具有良好的前景。 复合材料构件是航空制造技术未来的发展方向，西安交大研究了大型复合材料构件低能电子束原位固化纤维铺放制造设备与技术，将低能电子束固化技术与纤维自动铺放技术相结合，研究开发了一种无需热压罐的大型复合材料构件高效率绿色制造方法，可使制造过程能耗降低70%，节省原材料15%，并提高了复合材料成型制造过程的可控性、可重复性，为我国复合材料构件绿色制造提供了新的自动化制造方法与工艺。 结语 AM已成为先进制造技术的一个重要的发展方向，在航空航天领域有着广阔的应用发展前景，其发展趋势有三：（1）复杂零件的精密铸造技术应用；（2）金属零件直接制造方向发展，制造大尺寸航空零部件；（3）向组织与结构一体化制造发展。未来需要解决的关键技术包括精度控制技术、大尺寸构件高效制造技术、复合材料零件制造技术。AM技术的发展将有力地提高航空制造的创新能力，支撑我国由制造大国向制造强国发展。(end)

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