增材制造設(shè)計(jì)在未來飛機(jī)輕量化結(jié)構(gòu)中的潛力

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當(dāng)今的飛機(jī)結(jié)構(gòu)由許多不同的材料組成。例如，空中客車A350WB的機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)主要由帶有一些金屬零件的復(fù)合材料制成。在這里，按照經(jīng)典的混合設(shè)計(jì)，零件通過螺栓和鉚釘連接在一起。這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致組裝時間，精力和成本增加。另外，在這種經(jīng)典的混合設(shè)計(jì)中，大量的緊固件引入了不必要的重量，以及在載荷引入點(diǎn)處的應(yīng)力集中。

CFRP-AM在TOAST項(xiàng)目中，Premium AEROTEC（德國奧格斯堡）是A350機(jī)身結(jié)構(gòu)的一級供應(yīng)商，它提出了一種全新的方法來連接復(fù)合材料和金屬。這樣，可以消除具有螺栓和鉚釘?shù)慕?jīng)典混合設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。Premium AEROTEC使用現(xiàn)代混合動力設(shè)計(jì)，在不到五個月的時間內(nèi)開發(fā)并制造了類似飛機(jī)剎車片結(jié)構(gòu)的演示器。它包括由增材制造（AM）制造的鈦負(fù)載引入配件和碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）熱塑性復(fù)合材料板，并使用熱塑性復(fù)合材料包覆模制而成。

該演示器的創(chuàng)新之處在于無需螺栓或緊固件即可連接各種材料。這僅通過使用增材制造和熱塑性包覆成型才能實(shí)現(xiàn)。鈦金配件的下側(cè)設(shè)計(jì)有銷釘，而螺旋形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加強(qiáng)筋則很容易用AM生產(chǎn)。然后將AM鈦零件和熱塑性復(fù)合材料板放入熱成型模具中。在熱成型過程中，緊隨其后的注射成型步驟將這兩個組件壓在一起。在此步驟中，將V形熱塑性復(fù)合材料加強(qiáng)筋包覆成型并壓入鈦配件的海綿狀回旋加強(qiáng)筋中。

通過材料連接（CFRP – CFRP）或封閉形式（鈦AM – CFRP）實(shí)現(xiàn)了該混合演示器的接頭。同時，進(jìn)行了確定接頭機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)測試。這些測試表明，載荷傳遞能力類似于鉚釘和螺栓的傳遞能力。

與使用機(jī)械緊固件的經(jīng)典設(shè)計(jì)相比，這種現(xiàn)代混合設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括無需緊固件即可快速制造和組裝，所需零件更少，并且組裝過程更短且自動化。此外，通過使用AM和注塑成型來提高設(shè)計(jì)自由度的效率可減輕重量。該技術(shù)可應(yīng)用于必須在點(diǎn)和曲面之間傳遞載荷的任何地方。

Premium AEROTEC是世界上第一家為飛機(jī)連續(xù)生產(chǎn)提供由鈦合金制成的3D打印組件的組件制造商。Premium AEROTEC是航空業(yè)的全球參與者，2018年的營業(yè)額達(dá)到20億歐元。其核心業(yè)務(wù)是金屬和碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。該公司在德國的奧格斯堡，不來梅，漢堡，諾登漢姆和瓦雷爾以及羅馬尼亞的布拉索夫都有工廠。Premium AEROTEC在全球擁有約10,000名員工。