Stratasys助力3D打印噴氣式無(wú)人飛機(jī)翱翔藍(lán)天

Aurora Flight Sciences位于弗吉尼亞州馬納薩斯，近30年來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)民用無(wú)人機(jī)(UAV)。面對(duì)不斷變化的客戶(hù)需求和要求，Aurora研發(fā)中心開(kāi)始更加頻繁地使用Stratasys® 3D打印技術(shù)生產(chǎn)零件和模具，為無(wú)人駕駛飛行帶來(lái)更多創(chuàng)新。

最近，Aurora和Stratasys的工程師攜手開(kāi)啟了一個(gè)極具挑戰(zhàn)的項(xiàng)目：制造一架?chē)姎鈩?dòng)力、推力矢量、混合翼體的遙控駕駛飛機(jī)。

“這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是向航空航天業(yè)展示從設(shè)計(jì)、制造到駕駛一架3D打印的噴氣式飛機(jī)的驚人速度�！�

——Dan Campbell

Aurora Flight Sciences研究工程師

“這是一次前所未有的嘗試，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這是一次對(duì)未知領(lǐng)域的探索。我們希望深挖這些材料和增材工藝的潛力，不斷突破極限�！�

——James Berlin

Stratasys增材制造研究工程師

,正是使用了22lbf (98N) 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和推力矢量裝置，飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速飛行和內(nèi)在機(jī)動(dòng)性，增材制造技術(shù)的應(yīng)用有了新的突破。

“現(xiàn)如今仍存在一些錯(cuò)誤的觀念，認(rèn)為3D打印只是一種原型制作技術(shù)，但這不并是一架觸碰就可能損壞的桌面模型，而是一架時(shí)速可達(dá)150英里/小時(shí)的噴氣式飛機(jī)�！�

——James Berlin

Stratasys增材制造研究工程師

賦予飛機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)自由度

Stratasys 3D打印的一大優(yōu)勢(shì)是可讓設(shè)計(jì)突破表面幾何結(jié)構(gòu)的限制。

雖然現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有更高的設(shè)計(jì)自由度，對(duì)于航空航天的啟動(dòng)工程結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)得更加復(fù)雜。與Stratasys在設(shè)計(jì)方面的合作使Aurora得以利用拓?fù)鋬?yōu)化（一種可復(fù)制自然界中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基于物理的方法），顯示內(nèi)部材料可優(yōu)化的位置，并針對(duì)給特定應(yīng)用進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

對(duì)于Aurora而言，Stratasys的增材制造技術(shù)為其團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其能生產(chǎn)出堅(jiān)硬的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能以具有成本效益的方式針對(duì)任務(wù)定制飛機(jī)。

此外，該技術(shù)還可將裝配件整合為單個(gè)組件，讓復(fù)雜的設(shè)計(jì)搖身一變成為優(yōu)雅而簡(jiǎn)單的解決方案。示例之一是該飛機(jī)的燃油箱。燃油箱通過(guò)內(nèi)部和外部的打印管道、連接燃油過(guò)濾器和燃油泵的支架以及連接燃油管路的小夾子來(lái)組合多個(gè)組件。由此帶來(lái)的設(shè)計(jì)自由度使工程師能夠精準(zhǔn)定位重心——翼身融合體飛機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。

“任何設(shè)計(jì)變更都會(huì)導(dǎo)致重心問(wèn)題。但增材工藝可以輕松控制放置材料的位置，從而將迭代設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)其他方面產(chǎn)生的影響降至最小�！�

——Dan Campbell

Aurora Flight Sciences研究工程師

采用增材制造技術(shù)后，這架飛機(jī)的建造時(shí)間縮短了一半。由于無(wú)需模具，交付周期顯著縮短。由6名工程師組成的核心團(tuán)隊(duì)使用GrabCAD（一種Stratasys協(xié)作解決方案）管理、查看和共享CAD文件，從而協(xié)調(diào)項(xiàng)目。這幫助兩家位于不同地點(diǎn)的公司在短時(shí)間內(nèi)成功完成了飛機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作。該軟件幾乎如同社交媒體網(wǎng)站，可跟蹤修訂、傳遞消息，還可充當(dāng)工作工程文檔（如物料清單）的存儲(chǔ)庫(kù)。

△在設(shè)計(jì)復(fù)雜的高功能性組件時(shí)，GrabCAD為協(xié)作和快速迭代創(chuàng)造了條件。

3D打印可供飛行使用的零件

飛機(jī)的主要零件包括：

●兩個(gè)翼梢小翼
●機(jī)身
●有效載荷艙
●燃油箱
●推力矢量裝置

該飛機(jī)翼展為2.9米，機(jī)身重量?jī)H為6.4千克。共有34個(gè)組件，其中26個(gè)組件通過(guò)3D打印制造，占飛機(jī)機(jī)身重量的80%。工程師使用Stratasys Fortus® 3D打印機(jī)和ASA熱塑材料生產(chǎn)機(jī)翼和機(jī)身，以在保持低密度的情況下提供必要的強(qiáng)度和硬度。

內(nèi)部機(jī)翼設(shè)計(jì)，優(yōu)化復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)輕量化。

該團(tuán)隊(duì)還利用了Stratasys Direct Manufacturing，這是一個(gè)提供全方位服務(wù)的定制制造中心，可提供多種增材制造技術(shù)和目前可用的幾乎所有材料。燃油箱使用尼龍激光燒結(jié)(LS)技術(shù)生產(chǎn)，排氣管蓋使用ULTEM™ 1010樹(shù)脂打印材料3D打印而成，因推力矢量管道因排氣溫度高達(dá)700°C，所以使用INCONEL® 718直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)技術(shù)生產(chǎn)。賦予飛機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)自由度。

△最終的3D打印噴氣式飛機(jī)。

準(zhǔn)備好起飛

當(dāng)團(tuán)隊(duì)驅(qū)車(chē)前往鹽灘以測(cè)試飛機(jī)時(shí)，他們信心滿(mǎn)滿(mǎn)，卻沒(méi)有預(yù)料到前方等待著他們的情緒波動(dòng)。當(dāng)他們開(kāi)始在現(xiàn)場(chǎng)完成組件的最終裝配時(shí)，所有人的神經(jīng)都變得緊繃起來(lái)。但在這架3D打印的噴氣式飛機(jī)成功起飛后，一種全新的感覺(jué)隨之而來(lái)。

△3D打印噴氣式飛機(jī)首飛。

“飛行這件事對(duì)我們而言始終充滿(mǎn)魅力，因?yàn)槊慨?dāng)一架飛機(jī)第一次起飛時(shí)，都會(huì)有人表示不敢相信它能成功起飛，成功起飛是一個(gè)神奇的時(shí)刻。我是個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)迷，看到3D打印的噴氣式飛機(jī)翱翔藍(lán)天真是太棒了�！�

——Dan Campbell

Aurora Flight Sciences研究工程師

隨著越來(lái)越多的航空航天公司采用3D技術(shù)制造生產(chǎn)零件和模具，Stratasys 3D打印解決方案將進(jìn)一步幫助客戶(hù)塑造有人駕駛和無(wú)人駕駛飛機(jī)，從三級(jí)結(jié)構(gòu)到二級(jí)結(jié)構(gòu)，最終甚至是一級(jí)結(jié)構(gòu)。

“我們想通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目向航空航天業(yè)展示，從設(shè)計(jì)、制造到駕駛一架3D打印的噴氣式飛機(jī)的驚人速度，看到這架飛機(jī)成功飛行，我的內(nèi)心充滿(mǎn)成就感。”

——Dan Campbell

Aurora Flight Sciences研究工程師

掃描下方二維碼，下載白皮書(shū)

《航空航天業(yè)增材制造趨勢(shì)》