中國商飛：大型民用飛機增材制造技術的應用實踐與思考

IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇上，2019年9月 20 日“增材制造技術與航空航天論壇”，南極熊遇到了中國商飛增材制造技術應用研究中心的馬立敏做了主題是《型民用飛機增材制造技術的應用實踐與思考》的報告。

下面是南極熊根據(jù)現(xiàn)場速記編輯的內容：

大型民用飛機增材制造技術的應用實踐與思考

報告分為四個部分，應用與發(fā)展，創(chuàng)新應用的路線圖，核心能力建設，一些思想和建議。

大型民機上，按材料可分為粉材和絲材，工藝分為激光和電子束，主要用來做一些金屬零部件的結構。增材制造給飛機的生產和研制帶來了巨大的變化。第一是減少了成本，不光是材料的成本還有加工成本，裝配的時間；飛機有些零部件非常復雜，如果鍛造，最后90%被加工掉，百分之幾的材料才是有用的結構。我們現(xiàn)在用增材制造可以大大節(jié)約材料的成本，一體化減少裝配時間，這些都有成功的案例。

改進產品的性能

增材制造現(xiàn)在一般來說都和一些結構的創(chuàng)新設計、優(yōu)化設計結合到了一起。比如飛機吊掛的結構，原來都是框梁的結構，我們如果用3D打印做，肯定不是按原來的結構來設計，而是按照現(xiàn)在比較流行的拓撲優(yōu)化方法，做出輕量化設計，這個設計減重10%左右，它更好的地方在哪里？原來框架結構傳力路徑不是最優(yōu)的，拓撲優(yōu)化之后的設計安全按照結構的傳力路徑按照材料的分布，傳力路徑布置材料，把大量應力較小的地方摳掉，可以提高產品的性能。

改變供應鏈的模式


比如說以后飛機壞了，按照現(xiàn)在模式都會有大量的備件，我們不知道哪個零件會壞，每個都有需要有備件。有了3D打印之后，我們備件只是備零件的數(shù)字模型，壞掉了之后馬上可以用3D打印的方式制造出來替換上去。特別是老舊機型，很多零件就不生產了，但是數(shù)字模型還會一直保持下來，以后一旦有一些零件壞掉了，就可以通過3D打印實現(xiàn)快速制造。這對于我們供應鏈的管理幾乎產生了變革性的變化。

3D打印零件重量減少1千克，飛機就增加20萬元的效益


有人一直說3D打印很貴，但是從我們民機的角度出發(fā)，3D打印真的很貴嗎？首先從制造方式來說它會帶來一些經濟上的好處，比如材料利用率高等方面。波音估算，如果大量采用3D打印，一架飛機減少200—300萬的制造成本。不光是制造成本，如果我們從飛機的壽命來考慮，它帶來的成本效益會更高。我們一架飛機在設計的時候，考慮壽命是30年，起降能到一萬多次。在這么長的時間過程中，如果減少一千克的重量都可以帶來很可觀的經濟效益。據(jù)空客估算，如果飛機減少1000克，結構減少1000克，相當于商載增加1000克，增加1000克商載就增加22萬人民幣的效益；如果從ARJ21飛機估算，可以帶來20萬人民幣經濟效益的提升。如果我們能夠用增材制造給它減重，這個機制是非�？捎^的。

我結合幾個案例來講。做滑輪導軌的結構，它原來的結構是1.28千克，現(xiàn)在變成1.07千克，減少0.21千克，它能帶來全壽命經濟效益是42000元，這個效益完全能夠覆蓋住制造成本的增加；窗門角頁壁的結構，原來機加工是3.8千克，后來我們做了拓撲優(yōu)化，用增材制造來做能減少到2.2千克，這減少的重量能夠帶來26萬元人民幣的經濟效益的提升。（南極熊補充：即使花幾萬元來3D打印這個零件，也是值得的）所以說這樣一比較增材制造的經濟效益還是非常可觀的。

增材制造對于商用飛機帶來的變化是全方位的，比如說它設備的變化，材料的變化，設計的變化，還有一些制造過程，檢測，質量認證，批生產，維修，這些方面都帶來了很多變化。從預研、設計、生產、適航、客服、回收，也都帶來了一些不一樣的情況，這需要工作中做大量的研究。

中國商飛3D打印應用案例

• 排葉孔（音），外面有復雜的曲面結構，里面也有相對復雜的結構，原來分別制造組裝起來，現(xiàn)在用增材制造可以給它一體成型，帶來材料利用率和加工時間方面的好處。
  

• 艙門的機構件，現(xiàn)在這個結構件一共有28個零件，現(xiàn)在已經在103架C919飛機上裝上去了，現(xiàn)在就在西安閻良試飛這架飛機，這是國產飛機上面首批應用增材制造的零部件。
  

• 風扇進氣口，當時據(jù)說有這樣一個故事，當時發(fā)現(xiàn)有問題之后，離我們的首飛已經很近了，怎么辦？如果用傳統(tǒng)的方式制造需要很長的時間才能得到產品，最后我們選擇用3D打印，給它打印出來之后，用很短的時間就裝到了飛機上面，保證了我們首飛任務的完成。
  

• 短艙鉸鏈支架，這個鉸鏈支架是干什么用？短艙在下面能夠打開，鉸鏈支架在下面固定用，一個倉有8個支架，  做了脫鋪優(yōu)化設計，1.13千克減少到0.87千克，減少23%的重量。這是鉸鏈壁，這個圖想說明我們增材制造用拓撲優(yōu)化的方法可以帶來很好的減重的效果。另外一個優(yōu)化的方法點陣結構，點陣結構既能提高它的強度剛度，同時保證它的重量不會增加太多，這是我們其中一個案例，艙門手柄，手柄是我們打開艙門用的一個機構，它是用鋁合金來做的，用點陣結構可以減輕15%的重量。
  

3D打印應用民航飛機的長遠規(guī)劃


這些應用案例對于長遠的規(guī)劃來說，這只是剛剛開始起步，我們也做了針對于長遠發(fā)展應用的路線圖。剛才大量的案例都是1到2年可以實現(xiàn)，叫做內室結構以及功能性的一些結構，這些結構更側重于它的功能需求，對于結構的應力，對于可靠性要求并不是非常高。


我們打算用3—5年的時間，能夠實現(xiàn)對于可靠性和結構承載能力要求高的，像非主承力結構；主承力結構計劃用5—8年實現(xiàn)，更多用較長的時間實現(xiàn)整機和大布段增材制造和拓撲優(yōu)化，以及其他一些創(chuàng)新方法。主要承力件和整機結構，我們現(xiàn)在已經做3D打印的研究，已經對產品做了原型，驗證拓撲優(yōu)化的吊掛結構，它承載飛機發(fā)動機的推力和發(fā)動機自身的重量和振動這方面的工況，要求非常高。


我們現(xiàn)在已經能做出3D打印的原型驗證件，拓撲優(yōu)化能減輕10%以上，還有整機的拓撲優(yōu)化，雖然現(xiàn)在整機不可能做3D打印，但是我們通過縮比驗證的方式已經驗證了，這架飛機我們設計80米，縮比40倍以后，一盞兩米全機3D打印無人機已經做出來了，而且中間用到了大量結構的拓撲優(yōu)化和點陣一體化設計，這架縮比驗證機不僅做出來了，還實現(xiàn)空中飛行驗證，真正能飛起來的3D打印無人機。

應用路線圖上面典型的案例——艙門內飾件，這是閱讀燈的燈罩，這個用3D打印的好處，以后要做公務機，里面?zhèn)�性化的裝飾可以用3D打印做，比較方案的時候，可以用3D打印出不同的方案供選擇。


這是功能件，有一個滑軌套筒，上面是風扇進氣口，它的好處是等待替換的一個作用，好處是能夠進行一體化的設計減輕重量，減少裝配。還有次承力件，艙門鉸鏈壁，短艙鉸鏈支架，這個要承受一定的力，但是力又不是非常大，我們可以用增材制造來實現(xiàn)，它們原來都是鑄造的方法做出來，現(xiàn)在用增材制造能夠實現(xiàn)結構的優(yōu)化，來減重，來提高它的材料的使用率。

今后飛機發(fā)動機的吊掛，我們計劃以后用增材制造實現(xiàn)，它要實現(xiàn)鍛件的材料，相對來說難度高一些，因為鍛件從性能的穩(wěn)定性和抗疲勞這方面來說都比增材制造稍微好一點。

中國商飛增材制造核心能力和供應商合作模式


從整個增材制造在民機上的應用來說，分為材料、設備、設計、制造、質量認證、適航、批生產、維修維護這幾個方面。中國商飛要自主掌握的是設計、工藝、質量認證、適航這方面的工作。關于材料和設備我們準備和供應商合作，還有一些批生產和維修維護也通過和供應商的合作完成。


我們的核心在于材料和工藝的規(guī)范，還有適航。設計上我們主要做設計的指南，質量主要做質量評價體系的建設，適航是我們民機的特色，需要我們自己建立一個適航符合性的規(guī)范，批生產和維修維護在批生產的組織模式和維修手冊的制定。3D打印對于飛機制造是一個新的技術，我們在各方面都需要制定一些新的規(guī)范，比如說設計，設計作為應用研究單位最先要掌握的一個方法。但是增材制造，它帶來完全創(chuàng)新性的設計理念，比如大量的點陣，所謂的拓撲優(yōu)化，到底這個設計是不是合理，是不是可靠？我們需要大量的研究工作。

比如上面的點陣結構，可以說不能保證每一根竿打印出來都是連上的，或者使用過程不會壞掉，但是我們承認它會壞掉的前提下，它壞掉多少我們是可以接受的，它在哪里壞掉我們可以接受，我們認為這個飛機是安全的，這都需要我們大量做研究工作。拓撲優(yōu)化結構帶來看著很清很爽很炫的結構，但是這種結構的可靠性到底好不好？它是不是達到了最佳的設計？這對于我們今后都是核心能力的體現(xiàn)。

材料和工藝的規(guī)范，我們現(xiàn)在材料基本上是從外面采購的，設備也是采購的，什么樣的材料可以滿足商用飛機的使用要求？這需要我們自己定出一個規(guī)范來。還有什么樣的工藝符合飛機制造的要求？據(jù)我所知，增材制造的工藝參數(shù)可能有上百個參數(shù)之多，我們抓住哪些關鍵的參數(shù)就相當于控制了這個工藝，其實這方面也有大量的工作要做，現(xiàn)在我們也有一些心得。

作為大型民機來說，最重要的一件事情是適航認證，適航認證主要由中國民航FAA，F(xiàn)AA是美國，還有歐洲的EASA，我們需要通過管理局的認證。3D打印不是我們說能應用就行了，還要管理局覺得是可靠的技術才能真正在飛機上應用，這項技術證明給自己看還比較容易，但是要給第三方認證就比較難了，這也是我們今后要攻克的一個難題。

對于3D打印民航應用的幾點建議

第一是我們要加快技術的革新，以及整個工業(yè)的提升。我們中國商飛增材制造中心成立于2017年，目標一方面是研究新的3D打印技術，另一方面把其他領域的應用能夠借鑒到飛機的應用上面來。

第二是我們要基于一個長期發(fā)展的觀點，畢竟我們增材制造要用到飛機上去還是任重而道遠，尤其是用到民機飛機上，我們要能夠堅持下去，這個不可能一朝一夕就能實現(xiàn)民機應用的目標。

第三，畢竟中國商飛是應用單位，而不是研究技術本身的，所以我們叫做有所為有所不為，有些要依靠供應商來完成，中國商飛的核心能力在于它的設計和適航認證這方面，大量的工作我們可以和廣大的供應商合作一起干。

第四，要整合利用現(xiàn)有的資源。3D打印是非常有前景的項目，也是國家非常重視的項目，大型民機也是體現(xiàn)了國家意志和國家力量的一個項目，所以我們希望能夠跟廣大3D打印界的同仁們能夠很好合作起來，共同推進我們增材制造在民機中的應用與發(fā)展。