3D打印技術(shù)對(duì)民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的影響探討

薛　飛，陳　凡

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

3D打印技術(shù)對(duì)民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的影響探討

薛飛，陳凡

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

介紹了3D打印技術(shù)的工作原理、發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用情況，深入研究了3D打印技術(shù)對(duì)民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的影響。以某型號(hào)飛機(jī)駕駛艙空調(diào)格柵作為案例，探索3D打印技術(shù)在民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)的應(yīng)用及發(fā)展方向。

3D打印；民用飛機(jī)；內(nèi)飾設(shè)計(jì)

2012年，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志刊登文章，將3D打印技術(shù)視為“第三次工業(yè)革命”的重大標(biāo)志之一，3D打印引起了全球的廣泛關(guān)注［1］。

3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成復(fù)雜形狀的實(shí)體，從而極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了生產(chǎn)率和降低了生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)在航空航天、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)等其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用，對(duì)改善制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造水平起到了巨大作用。

波音、空客、美國(guó)宇航局以及一些大學(xué)研究機(jī)構(gòu)，都已經(jīng)對(duì)3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用做了很多整體性的研究。3D打印使用的材料有很多種已經(jīng)通過(guò)FAA、歐洲航空航天局等權(quán)威機(jī)構(gòu)組織的適航認(rèn)證許可，并早已在波音、空客等航空企業(yè)廣泛應(yīng)用。一些國(guó)外公務(wù)機(jī)改裝企業(yè)已經(jīng)將3D打印的產(chǎn)品應(yīng)用在飛機(jī)內(nèi)飾中。本文以某型號(hào)飛機(jī)駕駛艙空調(diào)格柵作為案例，對(duì)3D打印技術(shù)在民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

1　3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)（3D Printing）是快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）的一種，也叫做增材制造（Additive Manufacturing，AM）。

3D打印采用分層加工、疊加成型，即通過(guò)逐層增加材料來(lái)生成3D實(shí)體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)（如用機(jī)床切削）完全不同［2］。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，3D打印是將3D數(shù)字化模型按照某一坐標(biāo)軸切成無(wú)數(shù)個(gè)剖面，然后一層一層地打印出來(lái)，疊加到一起，形成一個(gè)實(shí)體的立體模型。

3D打印的主流技術(shù)包括光固化立體成型（Stereo Lithography Appearance，SLA）、熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）等，國(guó)際領(lǐng)先的品牌主要包括：3D system、Stratasys、ExOne、Voveljet、EOS、Ultimaker等。3D打印機(jī)通常的劃分是工業(yè)級(jí)和桌面級(jí)。其中，桌面級(jí)設(shè)備加工產(chǎn)品尺寸一般較小，目前大部分使用的是FDM技術(shù)［3］。工業(yè)級(jí)設(shè)備，如Objet 1000，能打印100 cm×80 cm×50 cm尺寸的成型產(chǎn)品，而桌面級(jí)設(shè)備的加工尺寸一般般都在20 cm×20 cm×20 cm左右。圖1所示。

圖1　FDM工作原理

2　在民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

在民用飛機(jī)研發(fā)階段，3D打印技術(shù)在內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：（1）縮短產(chǎn)品的研制周期；（2）降低產(chǎn)品的研制成本；（3）提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性。

在民用飛機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)階段引入3D打印技術(shù)之后，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)CATIA軟件對(duì)產(chǎn)品給出多種造型方案，再通過(guò)3D打印技術(shù)建出實(shí)物模型。通過(guò)實(shí)物模型，設(shè)計(jì)人員可以更為直觀的對(duì)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行驗(yàn)證，也可以在機(jī)上安裝試驗(yàn)件，進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估，避免設(shè)計(jì)缺陷。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，原型試驗(yàn)件需要開(kāi)模制造，制造周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高。民用飛機(jī)的內(nèi)飾設(shè)計(jì)錯(cuò)綜復(fù)雜，有些不合理的設(shè)計(jì)如果不在研發(fā)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)，等到零件生產(chǎn)或機(jī)上安裝階段再發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成更嚴(yán)重的損失。

此外，由于3D打印的逐層加工、積累成型的特點(diǎn)，制造幾乎不受結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的限制，設(shè)計(jì)人員也不需要掌握各種復(fù)雜的制造工藝和加工技能，這大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性。

3　在民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的局限性

3D打印技術(shù)在民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)中還面臨以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）與傳統(tǒng)工藝相比，3D打印技術(shù)受產(chǎn)品尺寸和材料范圍限制，打印出來(lái)的產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量相差也較大；

（2）如果產(chǎn)品尺寸大且形狀簡(jiǎn)單，使用3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制造在加工速度上并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)；

（3）從現(xiàn)階段3D打印制造的成本構(gòu)成來(lái)看，設(shè)備和材料占主體部分，但工業(yè)級(jí)設(shè)備和材料價(jià)格昂貴，如基于金屬粉末的打印成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝制造［2］。

4　對(duì)民用飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)流程的影響

某型號(hào)飛機(jī)駕駛艙空調(diào)風(fēng)影響機(jī)組人員舒適性，需優(yōu)化空調(diào)格柵結(jié)構(gòu)外形，調(diào)整空調(diào)風(fēng)風(fēng)向，提高機(jī)組舒適性。

4.1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

在引入3D打印技術(shù)之前，考慮到原型試驗(yàn)件制造成本高和周期長(zhǎng)，會(huì)對(duì)空調(diào)格柵的功能進(jìn)行仿真分析之后才確認(rèn)是否進(jìn)行制造生產(chǎn)，最后還需對(duì)生產(chǎn)的試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估，具體流程見(jiàn)圖2所示。

圖2　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

4.2引入3D打印技術(shù)后的設(shè)計(jì)流程

在引入3D打印技術(shù)之后，設(shè)計(jì)人員通過(guò)CATIA軟件設(shè)計(jì)多種格柵數(shù)字模型并存為STL格式，再使用3D打印機(jī)制造格柵實(shí)物模型，每個(gè)格柵只需要幾個(gè)小時(shí)就能完成打印制造，比仿真建模分析更有效率，而且產(chǎn)生的成本也非常低。所以，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程已經(jīng)不適用，3D打印的試驗(yàn)件可以直接進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。引入3D打印技術(shù)之后的設(shè)計(jì)流程如圖3所示，3D打印和仿真分析同時(shí)進(jìn)行。

圖3　更改后的設(shè)計(jì)流程

根據(jù)圖2和圖3的對(duì)比分析可知，引入3D打印技術(shù)之后，大大縮短了研制周期，降低了研制成本。除此之外，設(shè)計(jì)人員白天通過(guò)CATIA建立三維數(shù)模，晚上就可以用3D打印機(jī)打印出來(lái)，第二天就可以對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行討論修改，如此不斷調(diào)整，很大程度上降低了設(shè)計(jì)缺陷發(fā)生的可能性，也能快速提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。甚至當(dāng)存在多個(gè)造型方案時(shí)，CATIA建模和3D打印幾乎是同步進(jìn)行的，見(jiàn)圖4和圖5.這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程無(wú)法辦到的。

圖4　MakerBotReplicator

圖5　3D打印的原型模型

5　結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)的一次革命性突破，能夠與切削、鑄鍛等傳統(tǒng)工藝之間相互支持與補(bǔ)充。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)也將逐步打破

打印尺寸、加工精度、材料范圍和加工速度等局限，3D打印設(shè)備和材料的價(jià)格還有較大的下降空間。

所以，在民機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)中引入3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也將越來(lái)越明顯，將從設(shè)計(jì)理念、造型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)流程等方面對(duì)民機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響，長(zhǎng)此以往，必然會(huì)顛覆傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，這大大加快了我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

［1］胡迪·利普森，梅爾芭庫(kù)曼.3D打印：從想象到顯示［M］.北京：中信出版社，2013.

［2］吳懷宇.3D打印：三維智能數(shù)字化創(chuàng)造［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

［3］楊恩泉.3D打印技術(shù)對(duì)航空制造業(yè)發(fā)展的影響［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2013，（1）:13-17.

The Influence of 3D Printing to the Interior Design of CivilAircraft

XUE Fei，CHEN Fan
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai201210，China）

This article shows the operating principle，development tendency and application condition of 3D Printing.The influence of 3D Printing to the interior design of civil aircraft is analyzed.With the air-conditioning grille in a aircraft cockpit as a case，the application and developing direction of 3D Printing in civil aircraft interior design are explored.

3D printing；civil aircraft；interior design

V223.1；TP334.8

A

1672-545X（2016）05-0103-02

2016-02-17

薛飛（1988-），男，浙江人，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)槊裼蔑w機(jī)駕駛艙內(nèi)飾設(shè)計(jì)。