增材制造技術(shù)在航空制造上的應(yīng)用

1、增材制造技術(shù)在航空制造上的應(yīng)用增材制造(additivemanufacturing, am)技術(shù)是采用材料逐漸累加的丿j法制造實(shí)體冬件的技 術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除一切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”的制造方法。近二-1年來(lái)， am技術(shù)取得了快速的發(fā)展，"快速原型制造(rapidprototyping)”、"三維打印(3dprinting)”、 “實(shí)體口由制iu(solidfree-formfabrication)v z類各異的叫法分別從不同側(cè)面表達(dá)了這一技 術(shù)的特點(diǎn)。am技術(shù)不需要傳統(tǒng)的22縣和夾具以及多道加工工序，在一臺(tái)設(shè)備上可快速粕密 地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)

2、現(xiàn)了零件“自山制造”，解決了許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的 成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其制造速度的作用 就越顯著。航空器生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，其中各種零部件多達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)，設(shè)計(jì)與制造過(guò)程相互 交錯(cuò)，制造速度響應(yīng)性宜接制約飛機(jī)的研制和牛產(chǎn)周期。am技術(shù)宜接由cad數(shù)據(jù)制成三維 實(shí)體，使成本下降為數(shù)控加工的1/32/5,周期縮短為1/51/10o它能夠適應(yīng)復(fù)朵結(jié)構(gòu)和 單件或小批量產(chǎn)品的制造，是目前國(guó)際航空制造技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r目前，通過(guò)將am的原理與不同的材料和工藝和結(jié)合已形成了 20多種am設(shè)備，這一技術(shù) 被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、航

3、天航空、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術(shù) 設(shè)計(jì)等領(lǐng)。美國(guó)wohlers協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，在快速成型技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，航空航天領(lǐng)域應(yīng)用 從2003年的7%增加到了 2011年的9.9%。該領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是航空零部件的快速制造， 包括快速精鑄技術(shù)、金屬直接制造零部件、風(fēng)洞模型的制造。這些技術(shù)可以有效提高飛機(jī)設(shè) 計(jì)與制造速度，促進(jìn)航空航天新產(chǎn)甜的研發(fā)。國(guó)外丄要的航空企業(yè)都在應(yīng)用am技術(shù)研制新型航空器。例如，美國(guó)軍川和商川航空發(fā)動(dòng)機(jī) 制造商sundstrand公司使用am技術(shù)為一個(gè)新型燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口外殼(高250mm、 直徑為300mm、壁厚僅1.5mm)制作原型(圖1),節(jié)省了 4個(gè)多月的加工制造時(shí)

4、間和超過(guò) 8.8萬(wàn)美元的費(fèi)用。美國(guó)波咅公司用快速成型技術(shù)制造飛機(jī)的一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，如用光固化 原型鑄造的駕駛員座艙系統(tǒng)和隔扇控制閥。空客公司在一些非關(guān)鍵零部件上采川了 am技術(shù) 來(lái)制造，包括a380飛機(jī)上的零部件。在復(fù)雜的航空零部件設(shè)計(jì)方面也有非常多的用途，例 如在設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片時(shí)，使用快速成型技術(shù)制造葉片，評(píng)價(jià)氣膜孔的冷卻效果。金屬直接制造是一個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外在這方面開(kāi)展了大量的研究工作，在航空零部件 制作上取得了很好的應(yīng)用。徳國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)學(xué)會(huì)于2010年4月報(bào)道，航空發(fā)動(dòng)機(jī) 引擎中的葉片可以用激光直接制造技術(shù)快速制造inconel718銀基高溫合金葉片。未來(lái)更進(jìn)一 步

5、的發(fā)展是“控形控性一體化”發(fā)展，即在制造外形的同時(shí)，控制組織尺寸和方向，以獲得 性能良好的紐織。2009年pom公司與密歇根大學(xué)聯(lián)合報(bào)道可以用直接金屬成形工藝來(lái)制造 渦輪葉片，提出了一種在工藝中控制葉片組織的方法，該系統(tǒng)利川感應(yīng)線圈加熱成形過(guò)程中 的葉片，控制葉片各部位溫度梯度，以獲得定向晶組織。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室利用am技術(shù)制造了全樹(shù)脂的e-8c預(yù)警機(jī)全機(jī)剛性模型。該研究小組 利用快速成型技術(shù)在加工上的靈活性，制造了有/無(wú)雷達(dá)整流罩、有/無(wú)尾舵偏角、有/無(wú)翼 稍小翼的系列模型，同時(shí)am技術(shù)良好的制造粘度也保證了系列模型之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比性, 通過(guò)該系列模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的研究提供了基

6、準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將快速成型技術(shù)應(yīng)用到了 熨號(hào)飛機(jī)的研制中。研究表明，利用快速成型技術(shù)制造的風(fēng)洞模型可滿足飛行器預(yù)研階段的 實(shí)驗(yàn)要求，從而加快飛行器研制進(jìn)度。美國(guó)波音公司aero/noise/propulsion實(shí)驗(yàn)宗將am作為提扁風(fēng)洞試驗(yàn)效率、降低成木的兩項(xiàng) 革命性技術(shù)之一。該實(shí)驗(yàn)室主要通過(guò)金屬選區(qū)燒結(jié)（sls）工藝、塑料快速成型零件金屬鍍 膜工藝、直接金屬熔融工藝加工制造風(fēng)洞模型，該實(shí)驗(yàn)室稱快速成型工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工手段 能夠?qū)⒛Ｐ偷闹圃斐杀窘档?個(gè)數(shù)量級(jí)，周期縮短3倍，將設(shè)計(jì)人員從煩瑣的模型加工中解 放出來(lái)，提高該實(shí)驗(yàn)室的工作效率。意大利 politenicoditorino 的 g.romeo、美

7、國(guó) clarkson 大學(xué)的 p.marzocca 和美國(guó) alabama 大學(xué) 的hlhantuzcu等人，用光固化快速成型技術(shù)制造了大展弦比彈性機(jī)翼的外殼，供低速顫振實(shí) 驗(yàn)使用。國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件成形制造技術(shù)被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是對(duì)飛機(jī)工業(yè)裝備研制與牛產(chǎn)具 有重要影響的核心關(guān)鍵制造技術(shù)z。西北工大凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了系列激 光熔覆成形與修復(fù)裝備，可滿足人型機(jī)械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復(fù)和再制造。 應(yīng)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 c919飛機(jī)大型鈦合金零件激光立體成形制造。目前民用飛機(jī)越來(lái)越多地 采川了人型整體金屬結(jié)構(gòu)，e機(jī)零件主要是整體毛壞件和整體薄壁結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)成形方

8、法非 常困難。商飛決定采用先進(jìn)的激光立體成形技術(shù)來(lái)解決c919飛機(jī)大型復(fù)朵薄壁鈦合金結(jié)構(gòu) 件的制造。西北工大采用激光成形技術(shù)制造了最大尺寸達(dá)2.83m的機(jī)翼緣條零件，故大變 形量lmm,實(shí)現(xiàn)了大型鈦合金復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的精密成形技術(shù)，和比現(xiàn)有技術(shù)可大大加快 制造效率和粘度，顯苦降低生產(chǎn)成本。北航在金屬直接制造方面開(kāi)展了k期的研究工作，突破了飲合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型 整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，解決了大型整體金屬構(gòu)件激光成形 過(guò)程零件變形與開(kāi)裂“瓶頸難題”和內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無(wú)損檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī) 構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過(guò)鈦合金模鍛件，己研制生產(chǎn)出了我國(guó)飛機(jī)裝

9、備中迄今尺寸最大、 結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鈦合金及超高強(qiáng)度鋼等高性能關(guān)鍵整體構(gòu)件，并在大型客機(jī)c919等多型車點(diǎn) 型號(hào)飛機(jī)研制牛產(chǎn)中得到應(yīng)用。西安交大以研究光固化快速成型（sl）技術(shù)為主，于1997年研制并銷售了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)光固 化快速成型機(jī)；并分別于2000年、2007年成立了教育部快速成形制造工稈研究中心和快速 制造國(guó)家工程研究中心，建立了一套支撐產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的快速制造系統(tǒng)，研制、生產(chǎn)和銷售 多種型號(hào)的激光快速成型設(shè)備、快速模具設(shè)備及三維反求設(shè)備，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷印度、俄羅斯、肯 尼亞等國(guó)，成為具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的快速成型設(shè)備制造單位。西安交人在新技術(shù)研發(fā)方面主要開(kāi)展了 led紫外快速成型機(jī)技術(shù)、陶瓷零件光固化制

10、造技術(shù), 鑄型制造技術(shù)、生物組織制造技術(shù)、金屬熔覆制造技術(shù)和復(fù)合材料制造技術(shù)的研究。在陶瓷 零件制造的研究中，研制了一-種某于硅溶膠的水基陶瓷漿料光固化快速成型工藝，實(shí)現(xiàn)了光 子晶體、一體化鑄型等復(fù)雜陶瓷零件的快速制造。西安交大與中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心及成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所合作開(kāi)展了風(fēng)洞模型制造 技術(shù)的研究，圍繞測(cè)壓模型、測(cè)力模型、顫振模型和氣彈模型等方血進(jìn)行了研究工作。設(shè)計(jì) 了樹(shù)脂一金屬?gòu)?fù)合模型的結(jié)構(gòu)方案，采用有限元方法計(jì)算校核樹(shù)脂一金屬?gòu)?fù)合模型的強(qiáng)度、 剛度以及固有頻率。通過(guò)低速風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了復(fù)合模型的氣動(dòng)特性，并與金屬模型試驗(yàn)數(shù) 據(jù)相對(duì)比。強(qiáng)度校核試驗(yàn)顯示，模型的整體性能良好，滿足低速風(fēng)洞的試驗(yàn)要求，研制的復(fù) 合模型在低速風(fēng)洞試驗(yàn)下具有良好的前景。復(fù)合材料構(gòu)件是航空制造技術(shù)耒來(lái)的發(fā)展方向，西安交大研究了大型復(fù)合材料構(gòu)件低能電子 束原位固化纖維鋪放制造設(shè)備與技術(shù)，將低能電子束固化技術(shù)與纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)相結(jié)合， 研究開(kāi)發(fā)了-種無(wú)需熱壓罐的大型復(fù)合材料構(gòu)件高效率綠色制造方法,可使制造過(guò)程能耗降 低70%,節(jié)省原材料15%,并提高了復(fù)合材料成型制造過(guò)程的可控性、可重復(fù)性，為我國(guó)復(fù) 合材料構(gòu)件綠色制造提供了新的自動(dòng)化制造方法與工藝。結(jié)語(yǔ)am已成為先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向，在航空航