淺析增材制造技術在飛機模具制造中的應用

徐意

（上海飛機制造有限公司，上海 201323）

隨著復合材料技術的發展，當今復合材料正呈現出性能顯著提升、成本逐漸降低、制造工藝日趨成熟的技術特點。結合目前航空公司降低飛機全生命周期成本及提高燃油經濟性的需求，復合材料結構在飛機結構重量中的比重不斷提高，以至于復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量新機型結構先進性的重要指標之一。復合材料在飛機上的應用除了用量不斷提高外，還具備應用部位由次承力部件向主承力部件過渡、型面越來越復雜、尺寸不斷擴大的特點。為保障復合材料結構件的制造精度，需要提供精度更高的復合材料制造模具。傳統模具采用鍛件或型材通過機械加工及焊接裝配的方法進行制造，其設計加工周期長、生產成本高，特別是對形面復雜或有內腔的模具，鍛造和加工都很困難，甚至不能實現。而增材制造技術的出現，為模具設計和制造提供了新的思路及解決方法。

1 增材制造技術

1.1 增材制造技術的特點

對于增材制造技術，美國材料與試驗協會（ASTM）給出了如下定義，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術是一種與傳統的材料去處加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD 模型數據（數字化），通常采用逐層制造方式，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。

相對于傳統的通過車銑刨磨等機械加工手段去除材料，將毛胚件切削成產品的減材制造方法，增材制造方式在材料利用率、制造便捷性及制造成本方面均具有明顯的優勢。

（1）材料利用率高。傳統機械加工，尤其是銑削加工，在復雜構型產品的制造時材料損耗大。增材制造基本等于凈形制造，只在堆積完成后有少量的表面精加工工作，材料利用率能達到70%～90%。

（2）自由制造。增材制造技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序,在一臺設備上就可以快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件,從而實現自由制造。

（3）制造成本低。增材制造不受產品結構限制，設計制造周期短，單件、小批量研發成本低，構型更改對制造周期及成本也無明顯影響。

（4）機械性能優良。在傳統原材料制造工藝中，鑄造由于中心偏析，晶粒粗大，組織分布不均勻，因此，力學性能較差；鍛造力學性能好，但對于大尺寸鍛坯的制造，存在壓力分布不均勻的問題。部分增材制造工藝由于能量輸入高，工作區溫度達到材料熔點，材料在制造過程中存在多次再結晶。通過調整工藝參數，可控制材料結晶方向及晶粒大小，從而優化合金性能。

1.2 典型增材制造技術

電熔精密成型（WAAM）及激光熔覆技術（LENS）是增材制造技術中兩種較為典型的用于實際工業產品制造的工藝方式。尤其是在航空工業中，以上兩種工藝手段能直接用于飛機裝機結構件的制造。

（1）電熔精密成型。電熔精密成型是以強電流（包括電弧、等離子束等形式）為能源，以焊絲為材料，按照數控軌跡熔化焊絲逐層堆積形成產品的制造手段。首先，在工作臺上裝夾用于材料堆積的基板；其次，通過控制焊槍位移速度、送絲速度及保護氣體釋放速度等工藝參數，控制堆積材料的截面尺寸。并在數控程序的控制下，聚合形成單一截面的外形；再次，逐層累積，形成所需產品的外形；最后，根據設計需求，對產品表面進行少量加工。

（2）激光熔覆技術。激光熔覆技術是以激光為能源，以金屬粉末為材料，通過噴粉熔覆的手段完成產品制造的工藝方式。制造過程第一步依然是基板裝夾；第二步，通過打開激光發生器在基板上產生一個小尺寸熔池（熔池尺寸與激光束光斑大小相當）；第三步，將金屬粉末直接噴入熔池進行熔覆堆積，最終形成所需的產品外形。激光熔覆技術所得產品外形接近設計尺寸精度要求，只需進行少許表面磨削加工。在航空工業中，電熔精密成型技術可用于結構復雜程度適中，力學性能要求不高，機械加工材料利用率低、材料附加值高的裝機結構件及工裝模夾具的制造；激光熔覆技術技術可用于飛機大尺寸關鍵承力件的制造。

2 增材制造技術在飛機復材模具制造上的應用

對于復材制造密切相關的傳統復材成型模具，尤其是大尺寸曲面模具的制造，成本高難度大。增材制造技術中的電熔精密成型技術，設備投入成本低，制造工藝簡單，低投入高回報，一旦投入能夠很快形成生產能力，將其用于復材模具的制造，具有很大的應用前景。

2.1 傳統復合材料模具制造方式

復合材料構件主要由結構件（梁、框、肋）和薄板件（蒙皮、艙罩、口蓋）組成。對于薄板件的制造，預浸料鋪帶、環氧樹脂增強、真空袋包覆后送熱壓罐固化的方法是一種典型的復合材料制造工藝組合，在制造企業中有著廣泛的應用。對于上述薄板類成型模具，按用材主要分為普通碳鋼模具、鋁合金模具、Invar 鋼模具。

（1）普通碳鋼模具。普通碳鋼成本低廉，制造工藝成熟，廣泛用于復材模具的制造。但由于普通碳鋼熱膨脹系數與復合材料的熱膨脹系數相差懸殊，這種差異可能導致復合材料零件在固化溫度下成型后回復到常溫自然條件過程中產生不可控制的變形，因此只能用于中小尺寸復材模具的制造。

（2）Invar 鋼模具。從表1 中可以看出，Invar 鋼的熱膨脹系數與復合材料相近。采用Invar 鋼作為復合材料制件的成型模具可很好解決復材零件制造過程中變形產生的問題，因此廣泛用于尺寸及型面精度要求高的大尺寸復材模具的制造。為了改善復合材料固化時形成的溫度場并提高熱利用效率，目前對于大尺寸復材模具的制造，廣泛采用薄板框架式的結構。為保證產品型面的制造精度，模具整體結構都需使用Invar 鋼制造。Invar 鋼材料價格昂貴，且加工困難。

表1 模具材料熱膨脹系數對比

2.2 增材制造用于復材模具制造

圖1 為某型飛機的中央翼下壁板復材成型模具。復材中央翼壁板采用樹脂纖維結構，長桁預成型后二次固化，形成整體壁板件。模具為典型薄板框架式結構。模具型面模板展開尺寸為4500mmx4000mm 左右，由多塊鋼板滾彎后焊接而成。為保證模具進熱壓罐后熱膨脹均勻，模具主體均采用Invar鋼制造，制造周期長，成本高昂。采用電熔精密成型技術進行制造，只需準備一塊機加后的底板及相應的焊絲材料。設計人員在設計模具時，只需考慮模具的型面精度，對于其余結構可通過有限元分析優化后自由制造。模具數模設計完成后，設計人員通過專用軟件生成制造程序，無須其他工序即可獨立完成模具本體的制造。

此外，電熔精密成型可實現不同材料的梯度制造，如Invar 鋼與碳鋼的復合制造。針對大型Invar 鋼模具Invar材料用量高的特點，可通過有限元合理分析Invar 鋼與普通碳鋼在不同材料分布及配比下的熱應力變形，在保證型面精度的前提下，提高碳鋼的用量，降低模具的成本。

圖1 大客中央翼下壁板成型模具

3 結語

目前，在航空工業中，由于適航條款的約束以及制造標準的缺失，增材制造技術的應用仍然局限在軍用飛機領域，在民機制造尤其是大型客機制造中的直接應用寥寥無幾。而在航空模具制造領域則無以上要求的限制。將增材制造技術用于航空模具的制造，不但可以節約成本、縮短周期、提高模具制造的靈活性，還能以做代練，提高航空制造企業的增材制造水平。當今航空結構發展的趨勢是以復雜整體件代替簡單裝配件、以高性能難加工材料代替傳統鋁合金材料。這些趨勢對航空制造企業的加工能力提出了巨大的挑戰，因此，迫切需要應用增材制造技術解決制造難題。隨著增材制造標準的逐漸完善，設備的產業化及工藝的日趨成熟，增材制造技術必將得到更為廣泛的應用，從而推動航空工業的快速發展。