淺談3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用

文：曹宏翼　齊　祥　朱曉彤

航空工業(yè)一直是我國(guó)國(guó)防工業(yè)的重中之重，而航空維修是航空工業(yè)的重要組成部分。新世紀(jì)后隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，航空工業(yè)也迎來了飛速發(fā)展，無數(shù)新型戰(zhàn)機(jī)翱翔藍(lán)天，保衛(wèi)著祖國(guó)的山河大地。目前國(guó)產(chǎn)三代機(jī)已相繼進(jìn)入了翻修周期，相對(duì)于傳統(tǒng)的二代機(jī)，三代機(jī)無論在機(jī)體的結(jié)構(gòu)布局、特設(shè)航電及軍械雷達(dá)等方面，還是在主機(jī)材料上都發(fā)生著重大改變。傳統(tǒng)模式下的修理方式將不能完全保證軍機(jī)修理的要求。因此，在三代機(jī)修理過程中研究、引入一些新技術(shù)、新方法，以適應(yīng)航空維修不斷發(fā)展的趨勢(shì)。

3D打�。�3DPrinting），專業(yè)術(shù)語為增材制造技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代。前期主要用于產(chǎn)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(yè)革命的熱潮，3D打印也迎來井噴式的發(fā)展，航空工業(yè)為了滿足自身發(fā)展需求，也陸續(xù)引入了這項(xiàng)技術(shù)，用在航空制造上的主要工藝方法有激光近凈成型技術(shù)(LENS)、激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）及電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）等。

在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919項(xiàng)目上，黃衛(wèi)東教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過激光立體成形技術(shù)完成了飛機(jī)中央翼緣條的制造，打破了國(guó)外技術(shù)的壟斷，為大飛機(jī)順利試飛作出了卓越的貢獻(xiàn)。在2013年兩會(huì)上，中國(guó)航空工業(yè)副總工程師孫聰介紹，鈦合金和M100鋼的3D打印技術(shù)已應(yīng)用于新機(jī)試制過程，主要是在承力部分，如前起落架等。此前，有美媒報(bào)道，為減輕機(jī)身質(zhì)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(lǐng)域，3D打印技術(shù)正不斷綻放異彩。航空維修領(lǐng)域應(yīng)盡早引入3D打印技術(shù)，充分挖掘3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

一、結(jié)構(gòu)類零件加強(qiáng)
鑒于三代機(jī)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(xùn)練過程中很容易造成飛機(jī)承力大部件的損傷。以ZD2型飛機(jī)為例，其中央翼部分(見圖1)是連接前、后機(jī)身，外翼的大部件，同時(shí)連接進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和主起落架等部件，處在機(jī)體的中心部位。從氣動(dòng)布局角度來看，它應(yīng)屬于機(jī)翼的一部分，而從結(jié)構(gòu)功能角度來看，則相當(dāng)于常規(guī)布局的中機(jī)身，是機(jī)體的最主要承力部件之一。

圖1　中央翼結(jié)構(gòu)

承力部件損傷，嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行安全。如圖2所示為一架飛行了1 193個(gè)飛行小時(shí)的某型三代機(jī)中央翼部分，經(jīng)無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1墻（數(shù)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(cè)6肋筋條（方塊2指向處）上有兩道裂紋，分別長(zhǎng)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(gè)加強(qiáng)角盒，利用調(diào)整墊片調(diào)整角盒與零件間的間隙不大于0.4mm，最后通過螺栓、鉚釘?shù)染o固件聯(lián)接(見圖3)，加強(qiáng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，完成修理。特制加強(qiáng)角盒一般由設(shè)計(jì)人員通過飛機(jī)數(shù)模對(duì)相應(yīng)修復(fù)部位進(jìn)行比對(duì)，設(shè)計(jì)出需要的加強(qiáng)角盒數(shù)模，維修單位按照設(shè)計(jì)所提供的數(shù)模機(jī)械加工制造加強(qiáng)角盒。由于飛機(jī)的承力部位經(jīng)歷各種載荷的沖擊，產(chǎn)生不定向的塑性變形往往導(dǎo)致特制加強(qiáng)角盒無法與機(jī)體結(jié)構(gòu)按要求完成配合的情況，解決起來十分麻煩，嚴(yán)重制約修理周期，影響修理質(zhì)量。

圖　2

圖3  加強(qiáng)件

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的材料可實(shí)現(xiàn)打印，而且3D打印產(chǎn)品所能達(dá)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(shù)，可以很好地解決上述常規(guī)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(jīng)濟(jì)性后，按照設(shè)計(jì)所給出的數(shù)模先使用塑料打印出需要的特制角盒，進(jìn)行試裝配，反復(fù)比對(duì)位置關(guān)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(shù)重新設(shè)計(jì)角盒數(shù)模，再通過金屬3D打印制造出完全符合要求的特制加強(qiáng)角盒，進(jìn)行結(jié)構(gòu)件加強(qiáng)。

二、復(fù)雜零件、復(fù)合材料制造
隨著飛機(jī)機(jī)型的升級(jí)換代，某些軍機(jī)會(huì)陸續(xù)停產(chǎn)，而在軍機(jī)修理過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分零件加工難度大、加工費(fèi)用高、采購周期長(zhǎng)或者根本采購不到的情況，嚴(yán)重制約了軍機(jī)修理周期。如圖4所示卡箍類零件，修理中需求量少，工藝復(fù)雜，傳統(tǒng)加工需要3套模具、工裝等來保證產(chǎn)品合格，而生產(chǎn)3套模具的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該產(chǎn)品本身的價(jià)格，因而不適于自制；但采購過程中發(fā)現(xiàn)該零件制造廠已停產(chǎn)，無法采購到位，因而該零件成為制約飛機(jī)修理周期的一個(gè)瓶頸。

圖4  卡箍零件

如果使用3D打印技術(shù)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(shè)計(jì)軟件將二維圖樣轉(zhuǎn)化為三維CAD模型，通過3D打印系統(tǒng)的Magics軟件對(duì)數(shù)模進(jìn)行編程，采用3D打印的激光燒結(jié)技術(shù)就可以打印出所需零件。同時(shí)，3D打印技術(shù)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(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)降低零件質(zhì)量，從另一方面滿足了航空修理的需要。

復(fù)合材料是航空領(lǐng)域新興材料，修理中復(fù)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(shù)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(fù)合材料。

3D打印可以制造出立體網(wǎng)格型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)格尺寸可以達(dá)到高度一致，雖然網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不適合獨(dú)立作為航修零件，但卻可以成為航空復(fù)合材料的基材，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基材與復(fù)合材料纖維組合，利用樹脂固化/燒結(jié)金屬復(fù)合材料能很好的兼顧強(qiáng)度、曲面外形和安裝組合的要求。隨著飛機(jī)制造中復(fù)合材料使用量不斷增加，在航空維修中復(fù)合材料的修理或更換的可能性也隨之增加，相應(yīng)地引入復(fù)合材料3D打印技術(shù)可不斷提升維修能力，滿足新型飛機(jī)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