增材制造技術在飛機裝配過程中的一種應用

姜乃乾 溥光星 張頌亞

【關鍵詞】航空制造;增材制造;工裝

一、緒論

（一）研究背景

增材制造技術誕生于80年代，現在已經廣泛應用在人們生活的各個領域中。例如醫療領域，3D打印頸椎已經幫助人類突破了骨骼重建的難關，而生活中，3D打印的工藝品、服裝，鞋等更是層出不窮。而這項技術在深入工業領域的過程中，也展現了非凡的潛力。在被譽為工業王冠上的“明珠”的飛機制造領域，對于增材制造技術應用的研究也是方興未艾。3D打印制作的零件可以滿足很多常規機械加工方式難以達成的零件特征，例如空腔。同時，3D打印制造可以將原本分割開的零件制作成一個整體，大幅減少抗剪緊固件的使用。

（二）研究現狀

國內方面，一些大型民用飛機均已在制造過程中采用了增材制造技術。其中，C919 型飛機機翼上下緣條鈦合金構件就是使用SLS（選擇性激光燒結）加工方式，同時，已經有企業實踐了利用LMD（激光融化沉積）修復的航空發動機軸承后機匣的技術[1]26。

國外方面，我們可以了解到增材制造技術已經深入地應用在了工業領域。以3D打印汽車為例，從制造業的視角來看，這輛由美國Local Motors公司設計制造、名叫“Strati”的小型兩座車，除輪胎和發動機外，全車僅由40個零件構成，成本約11萬元。

二、增材制造方案的選擇

（一）增材制造的分類

增材制造的分類可以通過受加工材料和加工方式加以分別。其中，熔融沉積加工（FDM）是最常見、最具經濟性的制造方式，選擇性激光燒結（SLS）則是加工有強度要求金屬件的首選方式。

就FDM技術加工而言，主要的已經可以成熟應用的材料包含ABS樹脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PLA樹脂（聚乳酸）和TPU橡膠（熱塑性聚氨酯彈性體）等。

（二）本文研究的方向

本文的研究方向是使用FDM技術，利用桌面級3D打印機加工ABS樹脂，快速制造形狀不規則的定位工藝裝備。

三、增材制造工裝的模擬、制造與分析

（一）模擬問題的描述

本文選取的問題是在一處不開敞的空間區域，要求利用已有的不規則平面，定位兩處螺紋連接點，此兩處螺紋連接點方向不共線，角度不規則，定位點的空間位置公差贏不多于0.5mm。

（二）模擬問題的解決方案

經三維建模，本文規劃了一件工藝裝備定位板，如圖1。

該定位板利用下表面（內部鏤空）貼合不規則的定位平面，左上部的兩處模擬螺紋接口作為已定位、待裝配的螺紋連接點，定位板壁厚3mm。該定位板經3D裝配仿真模擬，可以滿足模擬問題的要求。

（三）解決方案的檢驗校核

該方案中所使用的ABS樹脂，經查閱，其彈性模量為2×103 MPa，拉伸屈服強度為30MPa，密度為1.02×103kg/m3 ，泊松比為0.394。方案模擬的加載載荷為50N，作用于定位板左上的螺紋連接點，豎直向下。最終應力分析結果如圖2，最大von Mises應力為0.65MPa;最終形變分析結果如圖5，最大變形量5×10-4 mm。可見，定位工裝的應力和形變量均遠遠小于其材料極限，因此可以認為該方案在使用過程中不存在被破壞或因形變導致定位超差的風險。

（四）解決方案的加工能力測驗

本方案的模擬過程中所采用的一般的桌面級FDM式3D打印機，可以保證XY方向加工精度為0.1mm，Z軸方向精度0.05mm，打印速度超過40mm/s。實際加工時長32小時（含設備冷卻降溫時間）。

四、增材制造工裝方案的結果評估

（一）增材制造工裝的即時使用狀況評估

該方案制造的增材制造工裝，經檢測與試用，可以比較完美地解決所提出的模擬問題，定位面貼合良好，螺紋連接點可順暢無應力連接，精度合格。工裝在制造過程中，多次因制造設備噴頭溫度過高而需定期停機冷卻，但就綜合加工制造時間而言，仍然遠遠優于傳統的金屬機械加工方案。

（二）增材制造工裝的長期使用狀況評估

該方案制造的增材制造工裝， 在一定濕度條件（75%）下經歷30天的常溫（25°C）保管后，出現了因樹脂老化而導致的工裝變色、變脆的現象。

五、增材制造工裝方案的結論與展望

（一）增材制造工裝方案的結論

經過以上的理論與實際應用分析，本文得出結論：首先，利用一般桌面級FDM增材制造打印機加工的ABS樹脂工裝，從工裝本身力學特性和加工周期的角度考慮，是可以滿足一般的不規則復雜場景下的一定精度定位問題的要求的。但從長周期應用需求來看，增材制造工裝的加工材料、加工參數、產品保存等方面，仍然有待于進一步的研究。綜上，在以臨時問題為導向的場景下，為適配各種不同的、隨機發生的定位問題，利用增材制造技術加工工裝是一個值得考慮的、有競爭力方案。

（二）增材制造技術在航空領域應用的展望

美國GE公司首個使用SLM成形且通過 FAA認證的金屬零部件是T25傳感器殼體，該零件在2015年實現裝機應用，目前已被安裝在超過400臺的GE90-94B發動機中。同年，GE公司采用增材制造技術進行全新渦輪螺旋槳發動機（ATP）的研發，該款發動機中約35%的部件（如燃燒室、動力齒輪箱等）由增材制造技術完成，零件總數由原來的855個減少至12個。可以發現，除去非金屬塑性材料，航空領域已經開始大踏步地探索金屬材料增材制造的應用模式。但同時，增材制造技術也面臨著許多問題，例如：大批量的增材制造零件批次穩定性控制能力有所不足;還有由于成形過程快速熔化和凝固以及熱循環等特點使得組織結構復雜，存在各向異性，傳統的熱處理工藝制度不再完全適用于增材制造等[1]25-27。總體來說，盡管增材制造在航空，乃至整個制造領域深入應用的路途中仍有許多曲折，但這項技術也有著可預見的光明未來。