增材制造典型應(yīng)用場景四：民用客機(jī)關(guān)鍵零部件整體化制造

來源：增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

2022年8月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《首批增材制造典型應(yīng)用場景名單》，經(jīng)過地方推薦、專家評審、社會(huì)公示等程序，形成了首批增材制造典型應(yīng)用場景，共有工業(yè)、醫(yī)療、建筑、文化等領(lǐng)域的36個(gè)優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場景入選。

為加快增材制造先進(jìn)技術(shù)與裝備應(yīng)用推廣，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設(shè)立“增材制造典型應(yīng)用場景案例專欄”，從需求痛點(diǎn)、案例介紹、技術(shù)先進(jìn)性、應(yīng)用成效、下一步計(jì)劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例，屆時(shí)將會(huì)在2月28日~2023.03月02日“中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展（廣州）高峰論壇暨2023年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)”中進(jìn)行交流分享。

現(xiàn)將第四期“民用客機(jī)關(guān)鍵零部件整體化制造”發(fā)布如下。

場景類型	民用客機(jī)關(guān)鍵零部件整體化制造
場景項(xiàng)目單位	服務(wù)提供商	上海飛機(jī)制造有限公司、中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心
	中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司

一、背景概述

（一）需求痛點(diǎn)
經(jīng)濟(jì)性是民用飛機(jī)滿足市場競爭需求和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成功商業(yè)化的重要指標(biāo)。飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不僅要考慮制造成本，還要考慮飛機(jī)全壽命周期的運(yùn)營成本。飛機(jī)減重對降低全生命周期運(yùn)營成本、提升飛機(jī)整體性能、減少碳排放污染等意義重大，控制好飛機(jī)重量、進(jìn)行有效的減重工作是保持民機(jī)競爭性的必要條件之一。因此，如何提高“結(jié)構(gòu)輕量化”水平，實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和整體化制造是民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重的需求痛點(diǎn)。

（二）解決方案
增材制造技術(shù)可直接完成從零件數(shù)字模型到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的近凈成形制造，使設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)的制造工藝約束，獲得更大的自由度，具有制造周期短、材料利用率高、輕量化效果顯著的優(yōu)勢。面向民機(jī)產(chǎn)品開展輕量化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與增材制造應(yīng)用研究，通過拓?fù)鋬?yōu)化和空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方法對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，在保證性能的前提下使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出更合理化的分布，探索功能最優(yōu)、材料最省、效率最高的機(jī)體承力結(jié)構(gòu)形式，采用激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)減材制造難以實(shí)現(xiàn)的減重效果。

二、案例介紹——登機(jī)門鉸鏈臂

（一）案例描述

登機(jī)門鉸鏈臂是飛機(jī)艙門與門框重要連接結(jié)構(gòu)件，作用在艙門上的艙門重力、陣風(fēng)、艙門開啟等載荷通過鉸鏈臂傳遞到機(jī)身門框，傳統(tǒng)構(gòu)型登機(jī)門鉸鏈臂結(jié)構(gòu)為機(jī)加件，重量為9.2kg。

對登機(jī)門鉸鏈臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并對優(yōu)化設(shè)計(jì)的鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行各個(gè)工況下的強(qiáng)度和剛度的校核，滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后的零件設(shè)計(jì)重量為6.4kg，較原設(shè)計(jì)構(gòu)型減重30.4%。

（a）優(yōu)化前構(gòu)型                  （b）優(yōu)化后構(gòu)型

圖1 優(yōu)化前后艙門鉸鏈臂構(gòu)型

該構(gòu)型單向尺寸近600mm，具有薄壁、大曲面、鏤空等復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征。通過技術(shù)攻關(guān)，利用激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)鋁合金鉸鏈臂的一體化制造。相比于機(jī)加態(tài)鉸鏈臂減重約30%，全生命周期制造成本降低了30%以上，增材制造快速生產(chǎn)與輕量化效果顯著。  

圖2 SLM高強(qiáng)鋁合金艙門鉸鏈臂零件

經(jīng)評估，增材制造高強(qiáng)鋁合金艙門鉸鏈臂性能滿足要求，同時(shí)，根據(jù)艙門鉸鏈臂在飛機(jī)上的功能和服役環(huán)境，基于對應(yīng)的適航符合性條款要求，針對性的開展全尺寸零件靜力和功能裝機(jī)測試試驗(yàn)和試飛考核。結(jié)果表明該零件的力學(xué)性能滿足艙門實(shí)際使用工況所承受載荷要求，試驗(yàn)結(jié)果符合通過條件。

圖3 高強(qiáng)鋁合金艙門鉸鏈臂零件裝機(jī)試飛

產(chǎn)品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S600型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為600×600×600mm3，如圖 4所示。

圖 4 激光選區(qū)熔化成形設(shè)備

（二）技術(shù)水平及先進(jìn)性

本應(yīng)用場景在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了大尺寸高強(qiáng)鋁合金增材制造零件的裝機(jī)驗(yàn)證，掌握了高強(qiáng)鋁合金復(fù)雜精密構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、增材制造及質(zhì)量控制與評價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)，并成功制造滿足型號(hào)應(yīng)用需求的艙門鉸鏈臂等零件。該場景入選2022年先進(jìn)制造業(yè)“十大領(lǐng)航項(xiàng)目”。

三、應(yīng)用推廣成效

本場景開展了高強(qiáng)鋁合金增材制造零件的研制，建立了從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝控制及檢測、適航符合性和航空典型件應(yīng)用驗(yàn)證的技術(shù)體系，通過SLM成形鋁合金零件的全流程驗(yàn)證，首次實(shí)現(xiàn)了基于國產(chǎn)設(shè)備和國產(chǎn)原材料的SLM成形高強(qiáng)鋁合金功能一體化零件在大型客機(jī)C919上的裝機(jī)驗(yàn)證。對于我國大型客機(jī)實(shí)現(xiàn)減重和提高經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)具有重要意義。

四、下一步提升及推廣

后續(xù)將進(jìn)一步提升國產(chǎn)SLM設(shè)備穩(wěn)定性控制、SLM控形控性等關(guān)鍵技術(shù)的成熟度，推進(jìn)增材制造產(chǎn)業(yè)鏈上下游的聯(lián)動(dòng)，為高強(qiáng)鋁合金增材制造工藝及國產(chǎn)SLM設(shè)備在民機(jī)靜強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)甚至疲勞損傷容限零件及其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供更廣泛的案例和信心。本應(yīng)用場景建立的成本分析-設(shè)計(jì)-制造-評價(jià)一體化研制體系以及高強(qiáng)鋁合金SLM零件適航認(rèn)證研究方法等共性成果可輻射推廣至其他增材制造方向以及其他領(lǐng)域的增材制造資質(zhì)認(rèn)證，推動(dòng)增材制造在各領(lǐng)域的深入應(yīng)用，提升國產(chǎn)增材制造水平，助力中國制造。


（撰寫單位：中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心、上海飛機(jī)制造有限公司）