航空維修中3D打印技術的有效應用

賈婷婷

摘要：3D打印技術也稱之為增材制造技術，是減材制造后衍生的快速成型技術。通過3D模型數據，逐步分切打印疊加，從而形成完整產品。在加工制造時，基本上不會生產廢棄物，在貴重稀有金屬加工中，獨具優勢，特別是航空航天制造領域。近年來3D打印技術實現了在社會各個領域的廣泛應用，使得其在成本與質量等多方面獲得了想好效益，尤其是航空領域發展，備受高度重視。在航空領域發展中，在飛機數量逐漸增多的趨勢下，航空維修環節的重要性越來越突出，在保證航空出行安全與穩定的基礎上，有效節約維修成本與時間則成為了一大主要研究熱點。因此，文章主要對航空維修中3D打印技術的有效應用進行了詳細分析。

關鍵詞：航空維修;3D打印技術;應用

中圖分類號：TQ050.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0105-03

3D打印技術以其快速成型特性，被稱之為增材制造技術，此技術始于20世紀末期，其運行基礎為數字模型文件把材料制造技術轉變為數字化，這一過程顯著提高了三維物體數據的精確性與穩定性。隨著3D打印技術在社會各界備受重視，此技術自身也實現了不斷優化發展。也正是因為3D打印技術在航空制造上深藏潛質，全世界都投入了大量成本與資源。而在航空維修領域，3D打印技術也具備其獨特性優勢，能夠切實應用到快速生產工具與維修備用件中，對航空信息化建設創新發揮著重要作用。

1 航空維修現狀

在飛機數量不斷增多的趨勢下，基于航空安全與穩定，有效節約維修成本與時間，提高資源利用率，增加經濟效益與社會效益是航空公司在深入探究的主要課題。而影響課題研究的關鍵是航材問題。航材管理方式直接影響著航空維修成本，但是我國大多數航空公司的航材管理依舊存在許多問題，亟待改善。

1.1 庫存不足

航材保障只是針對常見性故障，但是在遇到特殊情況的時候，無法在國內的航材庫中及時抽調所需航材，這樣一來，勢必會導致難以快速及時排除故障，從而造成故障遺留或者飛機停飛。

1.2 庫存過量

在飛機數量不斷增多的趨勢下，進一步擴展航材采購與儲備途徑，能夠確保航班運行的穩定性與安全性，在標準航材儲備環境下，超出五年時間都會出現金屬零部件銹斑的現象。而超出十年則硫化封嚴會直接性失效，航材過量存儲就會導致資金積壓，進而對航空公司綜合效益造成嚴重影響。

1.3 供應鏈管理不完善

航材供應鏈管理實際上就是航材生產、修理廠家、專業航材保障部門、基層機務維修部門共同構成的航材供應鏈融于一體，基于密切各節點之間的協調性與協作性，實現航材供應時間縮減，航材周轉速度加快，航材保障成本降低，航材保障資源配置優化等。由于訂貨、供應與運輸等個環節，造成的供應鏈延長或中斷，航空維修將無法得以有效保障[2]。

2 航空維修中3D打印技術應用的優勢

2.1 有利于及時生產新型零部件

3D打印技術的主要優勢是能夠分散性制造，也就是整個部件是由大量小部分拼接構成，能夠疊加。利用遠程技術、激光技術、材料熔化技術、電子制圖技術等，物理加工制造材料，并促使其生成圖紙描繪形狀，并通過疊加其中一些部分，構成完成物體。在現代化社會所謂競爭都是基于信息化的，不論市場，只要出現所需替代的故障或損毀的零部件，就能夠通過3D打印技術生產所需新型零部件，并通過專業技術人員組裝，直接傳輸到市場投入使用，像是航空設備的快速重生，不僅便捷，且高效。盡管此技術尚未全面投入使用，但是3D打印技術勢必會在很大程度上推動制造維修行業的創新性發展，從而改變傳統航空維修方式。

2.2 有利于減輕后勤部門工作壓力

在傳統航空公司后勤保障部門中，倉儲與運輸部門的工作都比較大，并且壓力也很大，同時后勤保障部門所消耗成本也非常高。但是3D打印技術能夠在一定程度上減輕后勤保障部門的壓力。如果單獨拋開實際性限制因素來講，只需要利用計算機，便能夠實現物體設計，只需要輸出有效數據，任何物體都能夠打印復制。就理論角度來講，此觀念完全能夠實現。而3D打印技術實現了航空應用材料的數字化發展，只需要通過計算機存儲設計數據信息，變能夠通過數據信息實現生產。所以，傳統后勤保障部門的物資存儲便演變成了設計數據信息的存儲，這樣一來，便直接有效節約了存儲空間，以及運輸時間與成本，實現了重大突破。

2.3 有利于縮短供應鏈

在3D打印技術逐漸優化發展的趨勢下，此技術在航空維修領域的廣泛應用指日可待。在維修時，所需更換零部件，只要打印出來。根據實際需求，制造出結構相對復雜的零部件，并保證按時交貨，3D打印技術通過摒除生產線，便會實現生產周期與產品供應鏈的快速縮短，以及維修成本的大大降低。

2.4 適合應用于小型號零部件生產

3D打印技術特別適合應用于小型號零部件生產，尤其是小批量，這正好與航空維修需求相符。由于航空裝備大部分科技含量相對偏高，其中包含很多精密零部件，這些小部件在裝備中可能具有唯一性，但是也無法由此替代。而3D打印技術生產零部件的方式不會受到批量與批次的影響，所以能夠有效節約成本，并防止傳統批量生產方式不足的不良影響，另外，對于可能已經停產的零部件，只需要計算機中存有相關數據信息，3D打印技術便能夠實現優化生產，主機維修也不會由于零部件確停產或缺失而受到阻礙[3]。

3 航空維修中3D打印技術的有效應用分析

3.1 結構零部件強化

由于三代機性能提高需要，不論自重還是載彈量都在逐漸加大，在訓練時，極易導致飛機承載力出現大量損傷。就某機型飛機來講，中央翼部分連接機身前后，以及外翼的主要零部件，并且連接著進氣道、發動機短艙、主起落架等相關零部件，位于機體的中心位置。就氣動布局可以看出，其是機翼的重要組成部分，但是就結構功能可以看出，其是常規布局的中機身，屬于機體的主要承力零部件。承力部件出現損傷，就會阻礙飛機的正常安全飛行。

以某機型三代機中央翼部分為例，通過無損檢測，發現其中下緣條位置上存在裂縫。在維修時，由于零部件的加工難度較大，成本也相對較高，因此，選擇特制的加強角盒，通過調整墊片對角盒和零部件之間的間隙進行調整，控制在0.4mm以內，最后利用螺栓和鉚釘等緊固件進行銜接，以此強化飛機結構強度，實現維修任務。而特制的加強角盒主要是由設計人員基于飛機數模比較分析修復位置，進行加強角盒數模設計，維修企業則根據設計提供的數模進行加強角盒機械加工制造。因為飛機承力部分通過不同載荷沖擊作用，導致不定向塑性變形，造成特制加強角盒難以與機體結構就要求相互配合的不良狀況，從而制約維修周期，影響維修效率與質量。

而引用3D打印技術，在其影響下，越來越多材料實現了打印，并且3D打印產品的精確度也隨之提高。在承力部件修理時，利用3D打印技術，能夠切實解決大量常規維修問題。相關工作人員在充分考慮3D打印材料可塑性、加工性、經濟性之后，根據設計要求數模，通過塑料打印所需特制角盒，試用裝配，并多次對比位置關系，利用銼修與鉗制等多元化方式進行角盒輪廓處理，最后明確能夠能夠裝配間隙要求的角盒，并通過逆向技術對角盒數模進行重新優化設計，然后利用金屬3D打印技術進行特制加強角盒制造，確保其與標準要求完全相符，從而實現結構件強化[4]。

3.2 復雜零件生產

在飛機機型不斷優化升級的趨勢下，一些飛機就會陸續停止生產，而在維修中也常常會遇到一些零部件加工難度比較大，成本較高，且采購周期較差，甚至是無法采購的不良狀況，從而阻礙維修工作順利進行。就卡箍類零部件來講，在維修時，需求量比較少，工藝相對復雜，傳統加工模式需要配置三套模具與工裝等，才能夠確保產品合格。但是生產三套模具成本將會嚴重超出產品自身價格，所以并不適合進行自制。然而，在采購時，零部件制造廠出現停產現象，不能及時采購到位，從而導致此零部件成為影響飛機維修周期的主要障礙。

而利用3D打印技術進行卡箍類零部件制造，在成型時，不需要專門的模具、工具、夾具，相關工作人員只需要通過CATIA等設計軟件轉變二維圖樣為三維CAD模型，并利用Magics軟件編程數模，通過3D打印激光燒結技術，便能夠打印所需零部件。而且3D打印技術能夠把零部件中所需焊接部分直接加工成一體，在強化結構強度時，保證零部件質量，從而滿足航空維修相關需要。

復合材料是航空領域的一種新型材料，在維修時，利用復合型材料的零部件成本較高，而且工藝難度較大，從而直接降低了維修水平與能力。3D打印技術既能夠切實應用到金屬與非金屬材料，還可以應用到碳纖維等復合材料。3D打印技術能夠制造出立體網格型的復雜結構，各網格尺寸能夠實現高度一致，盡管網格結構并不適合單獨應用到航空維修中，但是卻能夠成為航空復合材料的主要基材，網格結構基材和符合材料纖維相互組合，通過樹脂固化/燒結金屬復合材料，可以兼顧強度、曲面外形、安裝組合等相關要求。在飛機制造中，隨著符合材料使用量逐漸增大，在航空維修中，復合材料維修與更換的可能性也不斷增大，而利用復合材料3D打印技術，能夠顯著提高航空維修效率與能力，從而滿足新型航空維修的多元化要求[5]。

4 結語

總而言之，3D打印技術作為新型技術，在逐漸推動著傳統工藝的深化創新改革。不同于西方國家，我國3D打印技術尚未實現成熟化發展，特別是在航空維修領域的應用更是微不足道。對此，應掌握新型產業變革重大機遇，通過3D打印技術制造零部件，切實解決航材庫存等問題，并節約維修成本與時間，同時縮短研發周期，簡化供應鏈，以此促進航空維修領域實現長遠穩定發展。但是由于此技術依舊面臨著一定挑戰，即打印材料、仿真設計、信息安全、質量監控等等，對此，在3D打印技術不斷優化發展趨勢下，相關領域應大力優化研發，基于計算機構建航空維修3D圖像數據庫，促使3D打印技術在航空維修領域實現廣泛應用。

參考文獻

[1]郭雙全，羅奎林，劉瑞，等.3D打印技術在航空發動機維修中的應用[J].航空制造技術，2015，（s1）：18-19+27.

[2]姜舟，任斌斌.3D打印技術在航空維修中的應用研究[J].中國設備工程，2017，（18）：42-43.

[3]莫偉東.3D打印技術及其在航空裝備維修中的應用[J].產業與科技論壇，2017，16（24）：78-79.

[4]宋偉健，溫德宏，郁大照.3D打印技術及其在航空裝備維修中的應用[C].煙臺：航空裝備維修技術及應用研討會，2015：59-61.

[5]雷剛，李科，航空維修新技術應用探討[C].中山：探索創新交流（第7集）——第七屆中國航空學會青年科技論壇文集（上冊）2016：47-52.