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      淺談3D打印技術在航空維修中的應用
      責任編輯:諾曼比爾 日期:2019-12-30 14:42:03
      文:曹宏翼 齊 祥 朱曉彤

      航空工業一直是我國國防工業的重中之重,而航空維修是航空工業的重要組成部分。新世紀后隨著我國經濟的高速發展,航空工業也迎來了飛速發展,無數新型戰機翱翔藍天,保衛著祖國的山河大地。目前國產三代機已相繼進入了翻修周期,相對于傳統的二代機,三代機無論在機體的結構布局、特設航電及軍械雷達等方面,還是在主機材料上都發生著重大改變。傳統模式下的修理方式將不能完全保證軍機修理的要求。因此,在三代機修理過程中研究、引入一些新技術、新方法,以適應航空維修不斷發展的趨勢。


      3D打?。?DPrinting),專業術語為增材制造技術,誕生于20世紀80年代。前期主要用于產品研制階段的“快速原型”和制造階段的“快速成型”。隨著第三次工業革命的熱潮,3D打印也迎來井噴式的發展,航空工業為了滿足自身發展需求,也陸續引入了這項技術,用在航空制造上的主要工藝方法有激光近凈成型技術(LENS)、激光選區熔化技術(SLM)及電子束選區熔化技術(EBSM)等。

      在國產大飛機C919項目上,黃衛東教授帶領團隊通過激光立體成形技術完成了飛機中央翼緣條的制造,打破了國外技術的壟斷,為大飛機順利試飛作出了卓越的貢獻。在2013年兩會上,中國航空工業副總工程師孫聰介紹,鈦合金和M100鋼的3D打印技術已應用于新機試制過程,主要是在承力部分,如前起落架等。此前,有美媒報道,為減輕機身質量,鶻鷹采用了大量3D打印部件,其中包括鈦翼梁。在航空制造領域,3D打印技術正不斷綻放異彩。航空維修領域應盡早引入3D打印技術,充分挖掘3D打印技術優勢。

      一、結構類零件加強
      鑒于三代機性能提升的需求,無論是自重還是載彈量都在不斷增加,在訓練過程中很容易造成飛機承力大部件的損傷。以ZD2型飛機為例,其中央翼部分(見圖1)是連接前、后機身,外翼的大部件,同時連接進氣道、發動機短艙和主起落架等部件,處在機體的中心部位。從氣動布局角度來看,它應屬于機翼的一部分,而從結構功能角度來看,則相當于常規布局的中機身,是機體的最主要承力部件之一。
       

      圖1 中央翼結構

      承力部件損傷,嚴重影響飛機飛行安全。如圖2所示為一架飛行了1 193個飛行小時的某型三代機中央翼部分,經無損檢測發現1墻(數模圖指向處)5肋與6肋之間(方塊1指向處)下緣條R角處有一條裂紋約60mm,1墻左側6肋筋條(方塊2指向處)上有兩道裂紋,分別長18mm和8mm。修理過程中因零件加工難度大、成本高,所以一般選用特制一個加強角盒,利用調整墊片調整角盒與零件間的間隙不大于0.4mm,最后通過螺栓、鉚釘等緊固件聯接(見圖3),加強飛機結構強度,完成修理。特制加強角盒一般由設計人員通過飛機數模對相應修復部位進行比對,設計出需要的加強角盒數模,維修單位按照設計所提供的數模機械加工制造加強角盒。由于飛機的承力部位經歷各種載荷的沖擊,產生不定向的塑性變形往往導致特制加強角盒無法與機體結構按要求完成配合的情況,解決起來十分麻煩,嚴重制約修理周期,影響修理質量。
       

      圖 2

       

      圖3  加強件

      隨著3D打印技術的不斷發展,越來越多的材料可實現打印,而且3D打印產品所能達到的精度也越來越高。在承力部件的修理中,引入3D打印技術,可以很好地解決上述常規修理面臨的問題。工藝師考量3D打印材料的可塑性、加工性和經濟性后,按照設計所給出的數模先使用塑料打印出需要的特制角盒,進行試裝配,反復比對位置關系,通過銼修、鉗制等手段來處理角盒輪廓,最終確定滿足裝配間隙要求的角盒,并利用逆向技術重新設計角盒數模,再通過金屬3D打印制造出完全符合要求的特制加強角盒,進行結構件加強。

      二、復雜零件、復合材料制造
      隨著飛機機型的升級換代,某些軍機會陸續停產,而在軍機修理過程中經常會出現部分零件加工難度大、加工費用高、采購周期長或者根本采購不到的情況,嚴重制約了軍機修理周期。如圖4所示卡箍類零件,修理中需求量少,工藝復雜,傳統加工需要3套模具、工裝等來保證產品合格,而生產3套模具的成本要遠遠高于該產品本身的價格,因而不適于自制;但采購過程中發現該零件制造廠已停產,無法采購到位,因而該零件成為制約飛機修理周期的一個瓶頸。


      圖4  卡箍零件

      如果使用3D打印技術制造此類零件,成型過程無需專用模具、工具和夾具,工藝人員只需利用CATIA等設計軟件將二維圖樣轉化為三維CAD模型,通過3D打印系統的Magics軟件對數模進行編程,采用3D打印的激光燒結技術就可以打印出所需零件。同時,3D打印技術可將圖4所示零件中原本需要焊接的部分直接加工為一體,在加強結構強度的同時降低零件質量,從另一方面滿足了航空修理的需要。

      復合材料是航空領域新興材料,修理中復合材料零件存在成本高、工藝難度大等問題,限制了維修能力,3D打印技術不僅可以用于金屬和非金屬材料,還能夠用于碳纖維這類復合材料。

      3D打印可以制造出立體網格型的復雜結構,每個網格尺寸可以達到高度一致,雖然網格結構不適合獨立作為航修零件,但卻可以成為航空復合材料的基材,網格結構基材與復合材料纖維組合,利用樹脂固化/燒結金屬復合材料能很好的兼顧強度、曲面外形和安裝組合的要求。隨著飛機制造中復合材料使用量不斷增加,在航空維修中復合材料的修理或更換的可能性也隨之增加,相應地引入復合材料3D打印技術可不斷提升維修能力,滿足新型飛機修理要求。

      文:曹宏翼 齊 祥 朱曉彤
      來源:《金屬加工(冷加工)》2018年收錄


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