增材制造推動飛機結構技術創新與軍民融合應用

■ 沈陽飛機設計研究所 崔 燦 吳 斌 胡宗浩 王向明

增材制造為飛機結構技術創新發展提供了新的契機。引入民間資本后，以結構設計為牽引，通過設計制造一體化試驗驗證模式，以及軍民融合產品創新開發管理模式，促進了增材制造技術在飛機結構上的應用，并取得了良好的效果。

一、引言

飛機機體結構是航空武器綜合系統的重要載體和平臺，對飛機的機動性、作戰性能等關鍵指標起著決定性作用。為提高現代戰斗機的技戰性能指標，要求機體結構具有輕質高效、長壽命、多功能、低成本及快速響應等特點。第二次世界大戰后，飛機進入噴氣時代，隨著作戰使命和要求的不斷提升，戰斗機的綜合技術水平和性能要求也逐步提高。隨著戰斗機設計思想的轉變，以及先進制造技術的不斷發展，飛機機體結構技術也在不斷進步。例如，國外在第四代戰斗機上，開始大量采用大型整體結構及輕量化結構，如大型鍛件、壁板，高強度、高韌性、損傷容限型高性能合金材料及復合材料等，框、梁等主承力結構件也開始趨向整體化。這些新材料及新結構在提高結構效率、實現結構整體減重等方面發揮了一定的作用。但目前新材料及先進制造技術在飛機上的應用大都局限于替換傳統經典結構，整體結構技術進展程度并不顯著，結構形式并未發生本質性的變化。傳統工藝制造方法曾創造出很多“經典”的結構構型，但同時也對結構形式產生了較大的束縛。隨著飛機技戰術指標要求的提高，對結構的重量、性能、疲勞壽命等提出更為苛刻的要求，傳統的結構技術越來越不能滿足需求，出現了難以克服的技術瓶頸。

增材制造技術又稱3D打印技術，是以激光、電子束、離子束高能束為熱源，通過逐層熔化金屬粉末或絲材并凝固堆積，實現金屬零件的直接制造。增材制造技術通過零件的三維數字化模型直接制造零件，是一種材料“自上而下”累加的制造方法。這種制造技術改變了傳統的金屬零件制造模式，對制造大型復雜整體結構及多功能拓撲優化結構等傳統工藝無法實現的新結構具有特別重要的意義。增材制造技術作為一項具有前沿性、先導性的新興先進制造技術，使得傳統生產方式和生產工藝發生了巨大變革。西方發達國家稱其是“再工業化”戰略的開路先鋒和技術突破口，2012年英國著名雜志《經濟學人》將增材制造技術作為“第三次工業革命的重要標志”，認為該項技術是推動新一輪工業革命的重要契機。目前，增材制造技術在各國的“再工業化”戰略中擔負著制造業發展思維轉型的重要作用，對制造業的創新發展具有重要意義。隨著技術的不斷成熟，增材制造技術越來越多地在制造、醫療、航空航天及其他裝備領域中得到應用。

國內在增材制造技術研究方面起步較早，部分技術走在了世界的前列，特別是在航空領域，增材制造鈦合金大型主承力整體結構件率先實現了裝機應用，多項應用技術走在世界的前列。

增材制造技術的發展為飛機傳統結構技術的創新注入了新的活力，為突破傳統結構技術瓶頸提供了新的契機。采用增材制造技術可制造出一些在傳統制造工藝條件下無法實現的結構形式，如超大型復雜整體結構或多種材料復合的金屬梯度結構；同時，增材制造技術可以與拓撲優化設計相結合，實現功能/結構一體化，使通過傳統裝配方式組合在一起的結構件與功能件，利用增材制造技術融為一體，減少設計冗余，實現結構減重，提高結構效率。增材制造技術的這些優勢及應用不僅可以拓寬飛機結構的設計域，而且會促進結構技術的創新發展，推動結構技術的更新換代，為突破飛機結構設計技術瓶頸，制造輕質、高效、長壽命、低成本的飛機結構提供了一條全新的技術途徑。

但由于增材制造技術具有個性化強、工藝門檻窄等特點，飛機機體創新結構應用均需要開展大量的試驗驗證工作，周期長、研制驗證成本高，極大地制約著該項技術在飛機型號中的規模化推廣應用。國家軍民融合戰略為增材制造技術及其在航空領域的應用與發展帶來了新的契機。

二、增材制造技術在飛機結構上的 應用現狀

自20世紀90 年代起，以美國為代表的一些西方發達國家開始開展增材制造技術在航空結構件上的應用研究工作，如美國波音公司、洛克希德?馬丁公司、美國通用電氣公司航空發動機分公司等。經過20多年的發展，增材制造技術取得了顯著的發展，得到了越來越多研究機構的重視，增材制造的飛機結構件也開始實現應用。2000年，波音公司首先宣布：采用激光沉積增材制造技術（Laser Solid Forming，LSF）制造的鈦合金零件實現了在F-18、F-22戰斗機上的應用。同期美國軍方也開始加大了對該項技術的關注，并支持該項技術在飛機結構件上的應用驗證工作，研究對象包括先進鈦合金支架、吊耳、框、梁等承力結構件。2001年以來，美國西亞基公司及波音公司等開展了針對航空鈦合金大型結構件的增材制造技術研究，并取得了一定的研究進展。2012年8月，美國成立了增材制造創新研究院，把航空航天應用需求作為增材制造技術發展的優先研究目標。除美國外，英國、法國、加拿大、澳大利亞等西方國家的相關研究機構也開始瞄準增材制造技術及其在航空航天領域的應用，如英國在諾丁漢大學成立增材制造技術創新中心，并加大對增材制造技術經費的投入；歐空局（ESA）啟動一項有關增材制造技術研究的計劃；澳大利亞也開始開展相關研究工作，并制定了增材制造技術發展路線圖。目前，在增材制造航空結構件應用研究方面，美國仍走在世界前列，如洛克希德?馬丁公司宣稱，已在F-35II型戰斗機上應用了900多個增材制造的零件。

國內增材制造技術研發與國外保持同步，以北京航空航天大學、西北工業大學等為代表的研究機構最早開展相關研究工作。從2003年起，沈陽飛機設計研究所（以下簡稱研究所）開始組建增材制造技術應用研究團隊，聯合國內相關技術優勢單位，開展增材制造技術在飛機結構件上的應用研究，歷經10余年的技術攻關，突破了飛機鈦合金大型整體主承力結構件增材制造應用關鍵技術，實現了鈦合金激光直接沉積成型技術在飛機次承力結構件到主承力結構件再到工程化應用的3個跨越。目前增材制造技術在飛機結構領域的應用范圍包括框類、梁類、接頭類及格柵類等，涉及的增材制造工藝包括以激光、電子束為熱源的送粉/絲成型技術。

研究所依托多年來在增材制造應用研究技術方面積累的經驗，形成了基于增材制造技術的創新結構設計方法，建立了增材制造創新結構工程化驗證流程，以創新結構設計為牽引，設計制造一體化共同研發，形成了完整的設計研發、工藝研究、考核驗證及應用推廣全技術鏈條。

三、基于增材制造的創新結構技術特點

由于增材制造技術與傳統制造技術相比，具有成型不受零件結構形式和材料規格限制等優點，結構設計可突破傳統制造技術的工藝束縛，優先考慮功能與性能需求，從而使傳統的結構設計理念發生轉變，這些特點適用于快速試制大型復雜金屬結構件或功能與結構融合一體化的構件。增材制造是實現復雜結構構型整體成型的一種最佳工藝手段，通過結構優化創新設計可充分發揮增材制造工藝的優勢，實現結構的大型整體化及減重等需求。因此，增材制造技術在飛機結構的應用主要體現在結構創新設計方面，未來將圍繞飛機結構的輕質、高效、長壽命、多功能等技術指標要求，開展結構創新技術研究，充分發揮增材制造技術的優勢。增材制造創新結構主要體現在大型整體化、構型拓撲化、梯度復合化、結構功能一體化等4個方向。

（一）大型整體化

大型整體化是指采用增材制造等先進制造技術整體成型，替代原來由若干各自獨立的零部件裝配而成的大型結構，可有效消除分離面，減少冗余結構，減緩應力集中，減少疲勞薄弱環節。飛機傳統的金屬組合結構（如焊接件或裝配件）通過焊接或機械接頭連接等形式進行組合，在結合過渡區域（如焊縫或螺栓連接區域等）都存在明顯的薄弱區。焊接件在焊接部位存在一定的熱影響區，一般該區域的疲勞性能低于母材；若采用機械接頭連接，則需通過螺栓或鉚釘等進行組合，導致零件數量增多，不可避免會帶來結構整體重量增加等問題。因此，傳統組合結構存在疲勞薄弱環節多、制造周期長、成本高等缺點。結構大型整體化是先進飛機設計與制造技術進步的重要標志之一。以某大型整體框為例，采用增材制造技術制造整體結構，結合拓撲優化設計，將傳統的需要多個零件裝配在一起的結構設計為一體，使結構性能與效能實現最優，將傳統裝配區域融合為一體，可實現整體減重30%，動力學等效剛度提高30%，零件數量減少50%，疲勞薄弱部位減少50%，儲油增加數百公斤，成本降低50%等顯著收益。大型整體化示意圖如圖1所示。

圖1 大型整體化示意圖

（二）構型拓撲化

構型拓撲化是指在給定的材料品質和設計域內，基于拓撲優化技術，按照載荷分布，將材料集中在最有效區域，實現材料布局最優的高效輕質結構構型。由于增材制造技術極大地提升了零件成型的自由度，避免了傳統制造工藝對構型的約束，將傳統基于“工藝優先”的設計模式轉變為“性能優先”設計模式，因此可以根據“性能優先”進行構型拓撲設計，采用激光選區熔化、粉末成型等增材制造工藝實現。通過計算分析發現，構型拓撲化可實現結構減重60%以上；傳載更均勻、更優化，構件使用壽命延長60%以上；材料利用率提高60%以上，更綠色環保。構型拓撲化示意圖如圖2所示。

圖2 構型拓撲化示意圖

（三）梯度復合化

梯度復合化是指基于激光成型等增材制造技術，將不同金屬材料復合成一體，實現材料合理布局、無連接、均勻過渡，可以根據設計師的意愿按強度、剛度、壽命、功能進行材料合理布置，使結構按需求呈現梯度變化，實現對性能的主動調控。該類結構件可使金屬材料布局具有可設計性，拓寬結構設計域。梯度復合化示意圖如圖3所示。

（四）結構功能一體化

結構功能一體化是指將功能系統融入結構中，取消功能系統冗余。可由微桁架/單胞有序排列的超輕質點陣結構構建，集宏觀、微觀結構設計和功能設計于一體，使得功能系統與機體結構融合設計，減少了設計冗余，并根據需求實現隱身、變體、耐熱、自潔、減振噪、健康監控等多功能。

四、軍民融合模式下增材制造新產品開發

（一）軍民融合設計/制造一體化驗證

為保證飛機新結構技術的使用安全性，在新技術應用之前，需要開展大量的結構完整性試驗驗證考核。結構完整性是關系到飛機安全使用、使用費用和功能的機體結構強度、剛度、損傷容限和耐久（或安全壽命）等飛機所有結構特征的總稱。基于結構完整性屬性要求對增材制造創新結構進行驗證考核，從工程應用的角度來驗證完善技術，可提升技術成熟度并實現應用。傳統模式下，設計、工藝、試驗和生產是相互獨立的，新產品研發的技術鏈條銜接存在不暢通現象，不利于產品的快速研制。軍民融合機制下，借助民間資本融入，為產品研發管理模式注入新的活力，通過組建項目研究團隊進行產品開發，有利于各研究環節的銜接，進一步完善了增材制造創新結構的技術產業鏈，通過設計制造一體化共同研發，形成完整的設計研發、工藝研究、考核驗證及應用推廣全技術鏈條，促進了軍用技術的延伸，形成軍民融合一體化創新模式，推進增材制造與創新結構技術的協同發展。

按照結構完整性要求，結合新技術在飛機結構的應用驗證實踐，建立了增材制造技術的設計制造一體化試驗驗證模式（見圖4）。以結構設計為牽引，通過覆蓋六級成熟度的試驗驗證與制造工藝反復循環迭代，及時發現增材制造技術問題，加快研究進程。采用小試、中試、大試等結構完整性試驗驗證考核，消除技術風險，確保增材制造創新結構在型號上的安全應用。

（二）軍民融合創新產品開發模式及實施效果

在軍民融合背景下，研究所針對某多接頭燃油導管，借助上市公司融入的民間資本，依托結構創新研究技術力量組建項目研發團隊，開展軍民融合產業化技術開發，開發模式如圖5所示。產品研發采用創新生態圈項目機制進行管理，借鑒民營企業靈活的管理機制，設置臨時、動態項目創新研發團隊，主要包含結構設計、工藝試制及試驗驗證的相關技術人員，基于設計制造一體化研發驗證模式開展研究工作。按照項目收支預算，項目研制期內由項目負責人對團隊進行獨立的績效考核，加強項目的執行力，有利于項目的順利推進。產品開發成功后將技術全面移植至投資公司，由其進行產品的批量生產供貨。該模式實現了軍用技術與民間資本的深度融合，具有一定的示范效應。

圖5 軍民融合產業化產品開發模式

傳統工藝下多接頭燃油導管采用鍛件+鑄件共3個件焊接而成（見圖6），采用激光選區熔化增材制造可實現零件一體化成型。通過結構優化設計、工藝試制及試驗驗證，試制出合格的產品（見圖7）。

圖6 傳統工藝下多接頭燃油導管

圖7 采用增材制造工藝試制的多接頭燃油導管

結構優化設計主要是基于激光選區熔化成型工藝技術約束進行零件一體化設計。綜合考慮邊界條件，通過外形優化設計、有限元應力分析、制造工藝性分析，對應力較大的部位如導管中心根部進行局部補強，經過反復優化迭代，確定最終的結構設計數模。工藝優化主要是根據結構數模形式，對零件成型擺放角度、支撐方式、掃描路徑等進行試驗研究，通過組織性能及無損檢測等驗證零件的性能與質量，最終形成優化的工藝方案。最后，進行結構完整性驗證考核試驗，主要包括氣密性、耐壓性、極限綜合等驗證性試驗，通過試驗考核驗證產品的可靠性，為結構的應用提供試驗依據。多功能燃油導管的研制流程如圖8所示。

圖8 增材制造多接頭燃油導管的研制流程

采用激光選區結合增材制造技術研制的多接頭燃油導管，解決了傳統工藝受制造方式和水平制約的問題，大幅度提高了零件的成品率，提升了零件的強度和壽命，實現了明顯的減重，并縮短了制造周期，具體效果見表1。

表1 軍民融合產業化增材制造產品開發所取得的效果

五、結束語

增材制造技術對推動飛機結構技術的創新具有重要的意義。本文結合某多接頭燃油導管軍民融合產業化研發實例，驗證了軍民融合協同發展創新管理模式及實施效果，并通過結構創新設計、設計制造一體化試驗驗證，加快提升了創新結構的技術成熟度，促進了新產品的開發與應用，取得了良好的效果，為增材制造技術在飛機創新結構上的應用提供了示范作用。