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详解3D打印在航空制造中的优点与局限

OFweek3D打印网讯 3D打印技术是在上世纪70年代末期开始出现,主要应用于产品研制阶段的“快速原型”和生产阶段的“快速制造”。3D打印技术与曾经应用于工业生产的堆焊工艺方法相似,之所以称为3D打印,就是在成型工艺上采用CAD和计算机3D模型数据,将两维基材通过不同融合方式组合成三维结构。用在航空生产上的工艺方法主要有激光近净成形技术(LENS)、激光选区熔化技术(SLM)及电子束选区熔化技术(EBSM)。
详解3D打印在航空制造中的优点与局限
△世界上第一架采用喷气动力的3D打印无人机
3D打印复杂框类结构毛坯的减重效果比较明显,如F-22最大面积锻造结构框的毛坯重量为2790千克,毛坯加工后的净重量只有144千克,材料去除比例达到了95%!如果按照已经能够验证的工艺要求制造盘形复杂结构零件,锻造工艺无法直接制成细节结构,材料利用率只有毛坯重量的约10%。铸造则可以完成部分细节的粗略成型,毛坯实际利用率可达到总重量的20%~25%。3D打印可以直接制成与成品接近的外形,考虑到外表加工工艺和材料品质要求,成品零件可以达到毛坯总重的60%~70%,材料利用率和机加工效率都有很大提高。
相对的,铸造成型模具的再利用效果比较好,成品芯型能进行批量毛坯的制造。锻造的锻压模具成本虽然很高,工艺设备标准要求也高,但锻造也有利于进行批次生产毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工艺手段,无论只制造1个还是批制造100个,单件的生产时间和成本均没有任何差异,零件的成型工艺要求和品质控制则更为严格。
详解3D打印在航空制造中的优点与局限
3D打印与其它制坯方式的对比
现阶段3D打印技术的航空应用主 要集中在金属结构,以坯材成型加工难度大的钛合金和合金钢为主,加工难度低的铝材则更适合采用锻铸方式成型。3D打印航空零件的应用已比较广泛。国外用于F-22的3D成型TC4接头已经达到2倍设计疲劳寿命,F/A-18的翼根吊架结构强度达到设计要求的225%,疲劳寿命也达到4倍设计要求,C-17等型号的进气道附件也都开始批量应用3D打印,部分3D打印件已能在现有机型制造中替代钣金和精铸件。
中国在航空3D打印方面取得了很大的成绩,已有多个型号应用3D打印的承力结构,达到了缩短制造周期和简化工艺的效果,对产品减重的作用也比较明显,宣传资料中甚至有过减重40%的说法。国内很多军迷仅根据这个40%和类似说法,就对航空结构减重抱有很大希望,而这个40%虽然理论上存在可能,但要受到非常严格的条件和应用限制。
SLM制成品的尺寸精度较高,但成型体结构密度控制效果不好,难以承受高载荷的结构效应,承力结构的3D打印主要采用的是LENS。按照已经公开的3D打印整体框架坯材外形对比,3D打印件毛坯重量大致只有锻造的15%,这是3D打印的技术优势,但坯材减重比并不代表最终制成品的重量对比。飞机的整体结构框架的设计要考虑到轻巧、坚固,以及工艺和成品机械/理化性能的一致性,结构设计必须严格满足标准化的要求,不同机型类似结构的设计并没有大的差异。
详解3D打印在航空制造中的优点与局限
展览上公开的3D打印承力框架制成品,结构设计与锻造框架并没有任何差别,区别仅体现在毛坯成型的工艺方式。3D打印的LENS和SLM工艺均已比较成熟,无论是采用激光还是电子束作为能量源,无论是使用粉材还是丝材作为基材,材料本身的理化条件并不会因为加工方式不同而变化。按现有技术,近净成型烧结的材料理论密度比锻造低近1%,选区熔化方式成型的粉末材质密度相对较小,与锻造件的密度差别也在3%以内,工艺实现条件越好材料密度差异就越小。
无论采用什么样的3D成型方式,同样零件的材料性能如果没有大的差别,零件的制成品重量就不会存在明显的差别。所以说,3D打印坯材加工方式取得的减重效应非常有限,考虑到目前3D打印的材料性能还不够完善,相比成熟的锻造结构容限保险设计更多,同样设计结构件的净重甚至还要重些。
按照已公开的数据看,3D打印钛合金零件的成品件,抗拉强度和硬度已达到锻件的标准,但疲劳寿命和裂纹容限受工艺影响较大,未来相当时间里还缺乏全面替代锻造的条件。美国飞机制造中大量应用整体锻造框架,对高风险的3D打印的应用不够积极,就是考虑到了制成品寿命和质量控制困难的因素。中国在新机制造上应用3D打印承力结构的同时,还投入很大资金和技术力量开发大型锻压机,也是因3D打印无法解决大型制造成品的批生产要求。3D打印与锻/铸造各有优势,只要航空设计和生产体系还基于传统工业技术,锻/铸和轧压仍将是主要工艺成型手段,3D打印的结构减重效应就很难得到体现。
详解3D打印在航空制造中的优点与局限
基于制造技术突破的减重措施
按照减重标准对比,3D打印的密度与锻造的差异不到1%,而要实现避免缺 陷和改善材料性能的目标,密度差异其实是越小越好。按照实际生产条件去对比,某简单框架的成品重量如果接近300千克,模锻件毛坯重量大致在2700千克左右,3D打印的框架毛坯重量可以降低到接近500千克,但成品重量与锻造的理论区别还不到1千克,仅比整体机械加工的尺寸误差换算值略大。所以说,从成品重量这个最终指标去对比,3D打印减重效果几乎可以忽略不计。
那么宣传资料中减重40%的说法是怎么来的?这要从飞机结构工艺去说明。现代航空制造的金属成品结构越复杂加工难度就越高,很多组合曲面结构还必须依靠数控设备加工。第三代之后的先进战斗机采用翼身融合气动设计,很大程度上改善了飞机的结构强度和设计性能。这种设计其实在上世纪30年代就已经存在,但在喷气战斗机应用前期没使用。融合体结构框架存在大量连续曲面,制造这些曲面的工艺难度非常大,角度控制和表面连续性加工工艺要求高,很难依靠普通机加工设备成批制造。数控设备在上世纪70年代大量应用后,三轴数控机床成为曲面加工的手段,飞机也就开始更多利用结构曲面改善气动设计。
详解3D打印在航空制造中的优点与局限
△3D打印无人机侧视
连续曲面变角度结构势必会产生半封闭空间。设计师在设计机体结构时必须考虑到可加工因素,半封闭或封闭复杂结构难以整体成型加工,必须分解成多个独立的可加工零件,采用组合件的方式满足结构外形与工艺的要求。组合件的问题是每个零件都必须满足独立强 度要求,结构件和桁条等结构也要保证独立承力的厚度。采用铆接和螺接组合零件时,标准件紧固位置的孔强度还必须高于零件强度。 如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材,每个螺栓孔位置的厚度要超过平均厚度,如果采用铆钉则需要平均分布多个铆钉孔。
组合件组合要求增加了零件的结构重量,组合用标准件也增加了整体重量,对于某些小型的复杂轻金属结构,组合用标准件的重量甚至比零件本身的重量还要高。如果能够通过工艺手段直接成型组合件,一体化结构将实现明显的减重效果。
如两个组合件的对合壁板厚度均为2毫米,将其一体成型后的整体壁板只需要不到3毫米,取消铆钉施工要求又可以明显降低重量。美国在F-16战斗机改进设计中,曾经在前机身结构改进中应用精密铸造件,用整体铝合金铸件替代铆接组合件,使替代总重量超过11千克的组合件的精铸件重量降低到4.7千克。利用复合材料替代金属材料时,虽然复合材料壁板的单体结构重量比铝合金高,但用桁条胶接为整体结构的复合材料壁板,却能够取消组合件的独立桁条和固定铆钉,总重量反而比组合金属结构降低了接近30%。
3D打印直接体现的减重优势主要就是打印出复杂的封闭/半封闭零件,直接取代由多个零件组成的组合件,零件重量可以大幅度降低,固定零件的铆钉和螺栓的数量也可以减少,这才是3D打印减重最直接的应用方式。
飞机结构一体化减重是效果最明显的措施。航空系统很早就在争取实现结构件一体化,尤其是复合材料应用到航空结构件后,曲面加筋壁板这种整体结构相比金属组合件,已经表现出很突出的减重和降低零件数量的优势。复合材料工艺水平发展很快,现在已经出现全复合材料的飞机,但复合材料不仅存在成本高和工艺难度大的问题,大部件制造还存在维护和维修难度高的使用困难,限制了复合材料在飞机结构大部件方面的应用范围。现代复合材料还无法取代结构件的金属材料,3D打印则通过高度灵活的成型手段,有利于实现金属和多种金属/非金属组合结构的一体化,与复合材料共同组成航空轻重量结构。

离线曲雨生
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只看该作者 1楼 发表于: 06-14
赞,厉害了,3d打印
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