增材制造典型應用場景四：民用客機關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用場景名單》，經(jīng)過地方推薦、專家評審、社會公示等程序，形成了首批增材制造典型應用場景，共有工業(yè)、醫(yī)療、建筑、文化等領域的36個優(yōu)質(zhì)應用場景入選。

為加快增材制造先進技術(shù)與裝備應用推廣，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設立“增材制造典型應用場景案例專欄”，從需求痛點、案例介紹、技術(shù)先進性、應用成效、下一步計劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例，屆時將會在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”中進行交流分享。

現(xiàn)將第四期“民用客機關鍵零部件整體化制造”發(fā)布如下。

場景類型	民用客機關鍵零部件整體化制造
場景項目單位	服務提供商	上海飛機制造有限公司、中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術(shù)研究中心
	中國商用飛機有限責任公司

一、背景概述

（一）需求痛點
經(jīng)濟性是民用飛機滿足市場競爭需求和實現(xiàn)產(chǎn)品成功商業(yè)化的重要指標。飛機的經(jīng)濟性不僅要考慮制造成本，還要考慮飛機全壽命周期的運營成本。飛機減重對降低全生命周期運營成本、提升飛機整體性能、減少碳排放污染等意義重大，控制好飛機重量、進行有效的減重工作是保持民機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，實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的設計和整體化制造是民用飛機結(jié)構(gòu)減重的需求痛點。

（二）解決方案
增材制造技術(shù)可直接完成從零件數(shù)字模型到復雜結(jié)構(gòu)件的近凈成形制造，使設計突破傳統(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。面向民機產(chǎn)品開展輕量化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計與增材制造應用研究，通過拓撲優(yōu)化和空間點陣結(jié)構(gòu)等設計方法對結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化，在保證性能的前提下使零件的應力呈現(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)從而實現(xiàn)傳統(tǒng)減材制造難以實現(xiàn)的減重效果。

二、案例介紹——登機門鉸鏈臂

（一）案例描述

登機門鉸鏈臂是飛機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、艙門開啟等載荷通過鉸鏈臂傳遞到機身門框，傳統(tǒng)構(gòu)型登機門鉸鏈臂結(jié)構(gòu)為機加件，重量為9.2kg。

對登機門鉸鏈臂進行拓撲優(yōu)化設計，并對優(yōu)化設計的鉸鏈結(jié)構(gòu)進行各個工況下的強度和剛度的校核，滿足設計要求。優(yōu)化后的零件設計重量為6.4kg，較原設計構(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、鏤空等復雜結(jié)構(gòu)特征。通過技術(shù)攻關，利用激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）實現(xiàn)了高強鋁合金鉸鏈臂的一體化制造。相比于機加態(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高強鋁合金艙門鉸鏈臂零件

經(jīng)評估，增材制造高強鋁合金艙門鉸鏈臂性能滿足要求，同時，根據(jù)艙門鉸鏈臂在飛機上的功能和服役環(huán)境，基于對應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測試試驗和試飛考核。結(jié)果表明該零件的力學性能滿足艙門實際使用工況所承受載荷要求，試驗結(jié)果符合通過條件。

圖3 高強鋁合金艙門鉸鏈臂零件裝機試飛

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)熔化成形設備

（二）技術(shù)水平及先進性

本應用場景在國內(nèi)首次實現(xiàn)了大尺寸高強鋁合金增材制造零件的裝機驗證，掌握了高強鋁合金復雜精密構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、增材制造及質(zhì)量控制與評價等關鍵技術(shù)，并成功制造滿足型號應用需求的艙門鉸鏈臂等零件。該場景入選2022年先進制造業(yè)“十大領航項目”。

三、應用推廣成效

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

四、下一步提升及推廣

后續(xù)將進一步提升國產(chǎn)SLM設備穩(wěn)定性控制、SLM控形控性等關鍵技術(shù)的成熟度，推進增材制造產(chǎn)業(yè)鏈上下游的聯(lián)動，為高強鋁合金增材制造工藝及國產(chǎn)SLM設備在民機靜強度驅(qū)動甚至疲勞損傷容限零件及其他領域的應用提供更廣泛的案例和信心。本應用場景建立的成本分析-設計-制造-評價一體化研制體系以及高強鋁合金SLM零件適航認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域的增材制造資質(zhì)認證，推動增材制造在各領域的深入應用，提升國產(chǎn)增材制造水平，助力中國制造。


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