淺談3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用

Date:2019-03-18 09:10:18

       航空工業(yè)一直是我國(guó)國(guó)防工業(yè)的重中之重,而航空維修是航空工業(yè)的重要組成部分。新世紀(jì)后隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,航空工業(yè)也迎來了飛速發(fā)展,無數(shù)新型戰(zhàn)機(jī)翱翔藍(lán)天,保衛(wèi)著祖國(guó)的山河大地。目前國(guó)產(chǎn)三代機(jī)已相繼進(jìn)入了翻修周期,相對(duì)于傳統(tǒng)的二代機(jī),三代機(jī)無論在機(jī)體的結(jié)構(gòu)布局、特設(shè)航電及軍械雷達(dá)等方面,還是在主機(jī)材料上都發(fā)生著重大改變。傳統(tǒng)模式下的修理方式將不能完全保證軍機(jī)修理的要求。因此,在三代機(jī)修理過程中研究、引入一些新技術(shù)、新方法,以適應(yīng)航空維修不斷發(fā)展的趨勢(shì)。
 
      3D打?。?DPrinting),專業(yè)術(shù)語為增材制造技術(shù),誕生于20世紀(jì)80年代。前期主要用于產(chǎn)品研制階段的“快速原型”和制造階段的“快速成型”。隨著第三次工業(yè)革命的熱潮,3D打印也迎來井噴式的發(fā)展,航空工業(yè)為了滿足自身發(fā)展需求,也陸續(xù)引入了這項(xiàng)技術(shù),用在航空制造上的主要工藝方法有激光近凈成型技術(shù)(LENS)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)及電子束選區(qū)熔化技術(shù)(EBSM)等。
       在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919項(xiàng)目上,黃衛(wèi)東教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過激光立體成形技術(shù)完成了飛機(jī)中央翼緣條的制造,打破了國(guó)外技術(shù)的壟斷,為大飛機(jī)順利試飛作出了卓越的貢獻(xiàn)。在2013年兩會(huì)上,中國(guó)航空工業(yè)副總工程師孫聰介紹,鈦合金和M100鋼的3D打印技術(shù)已應(yīng)用于新機(jī)試制過程,主要是在承力部分,如前起落架等。此前,有美媒報(bào)道,為減輕機(jī)身質(zhì)量,鶻鷹采用了大量3D打印部件,其中包括鈦翼梁。在航空制造領(lǐng)域,3D打印技術(shù)正不斷綻放異彩。航空維修領(lǐng)域應(yīng)盡早引入3D打印技術(shù),充分挖掘3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
一、結(jié)構(gòu)類零件加強(qiáng)
        鑒于三代機(jī)性能提升的需求,無論是自重還是載彈量都在不斷增加,在訓(xùn)練過程中很容易造成飛機(jī)承力大部件的損傷。以ZD2型飛機(jī)為例,其中央翼部分(見圖1)是連接前、后機(jī)身,外翼的大部件,同時(shí)連接進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和主起落架等部件,處在機(jī)體的中心部位。從氣動(dòng)布局角度來看,它應(yīng)屬于機(jī)翼的一部分,而從結(jié)構(gòu)功能角度來看,則相當(dāng)于常規(guī)布局的中機(jī)身,是機(jī)體的最主要承力部件之一。
 
圖1 中央翼結(jié)構(gòu)
       承力部件損傷,嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行安全。如圖2所示為一架飛行了1 193個(gè)飛行小時(shí)的某型三代機(jī)中央翼部分,經(jīng)無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1墻(數(shù)模圖指向處)5肋與6肋之間(方塊1指向處)下緣條R角處有一條裂紋約60mm,1墻左側(cè)6肋筋條(方塊2指向處)上有兩道裂紋,分別長(zhǎng)18mm和8mm。修理過程中因零件加工難度大、成本高,所以一般選用特制一個(gè)加強(qiáng)角盒,利用調(diào)整墊片調(diào)整角盒與零件間的間隙不大于0.4mm,最后通過螺栓、鉚釘?shù)染o固件聯(lián)接(見圖3),加強(qiáng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,完成修理。特制加強(qiáng)角盒一般由設(shè)計(jì)人員通過飛機(jī)數(shù)模對(duì)相應(yīng)修復(fù)部位進(jìn)行比對(duì),設(shè)計(jì)出需要的加強(qiáng)角盒數(shù)模,維修單位按照設(shè)計(jì)所提供的數(shù)模機(jī)械加工制造加強(qiáng)角盒。由于飛機(jī)的承力部位經(jīng)歷各種載荷的沖擊,產(chǎn)生不定向的塑性變形往往導(dǎo)致特制加強(qiáng)角盒無法與機(jī)體結(jié)構(gòu)按要求完成配合的情況,解決起來十分麻煩,嚴(yán)重制約修理周期,影響修理質(zhì)量。
 
圖 2
 
圖3  加強(qiáng)件
     隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的材料可實(shí)現(xiàn)打印,而且3D打印產(chǎn)品所能達(dá)到的精度也越來越高。在承力部件的修理中,引入3D打印技術(shù),可以很好地解決上述常規(guī)修理面臨的問題。工藝師考量3D打印材料的可塑性、加工性和經(jīng)濟(jì)性后,按照設(shè)計(jì)所給出的數(shù)模先使用塑料打印出需要的特制角盒,進(jìn)行試裝配,反復(fù)比對(duì)位置關(guān)系,通過銼修、鉗制等手段來處理角盒輪廓,最終確定滿足裝配間隙要求的角盒,并利用逆向技術(shù)重新設(shè)計(jì)角盒數(shù)模,再通過金屬3D打印制造出完全符合要求的特制加強(qiáng)角盒,進(jìn)行結(jié)構(gòu)件加強(qiáng)。
二、復(fù)雜零件、復(fù)合材料制造
        隨著飛機(jī)機(jī)型的升級(jí)換代,某些軍機(jī)會(huì)陸續(xù)停產(chǎn),而在軍機(jī)修理過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分零件加工難度大、加工費(fèi)用高、采購(gòu)周期長(zhǎng)或者根本采購(gòu)不到的情況,嚴(yán)重制約了軍機(jī)修理周期。如圖4所示卡箍類零件,修理中需求量少,工藝復(fù)雜,傳統(tǒng)加工需要3套模具、工裝等來保證產(chǎn)品合格,而生產(chǎn)3套模具的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該產(chǎn)品本身的價(jià)格,因而不適于自制;但采購(gòu)過程中發(fā)現(xiàn)該零件制造廠已停產(chǎn),無法采購(gòu)到位,因而該零件成為制約飛機(jī)修理周期的一個(gè)瓶頸。
 

圖4  卡箍零件
     如果使用3D打印技術(shù)制造此類零件,成型過程無需專用模具、工具和夾具,工藝人員只需利用CATIA等設(shè)計(jì)軟件將二維圖樣轉(zhuǎn)化為三維CAD模型,通過3D打印系統(tǒng)的Magics軟件對(duì)數(shù)模進(jìn)行編程,采用3D打印的激光燒結(jié)技術(shù)就可以打印出所需零件。同時(shí),3D打印技術(shù)可將圖4所示零件中原本需要焊接的部分直接加工為一體,在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)降低零件質(zhì)量,從另一方面滿足了航空修理的需要。
      復(fù)合材料是航空領(lǐng)域新興材料,修理中復(fù)合材料零件存在成本高、工藝難度大等問題,限制了維修能力,3D打印技術(shù)不僅可以用于金屬和非金屬材料,還能夠用于碳纖維這類復(fù)合材料。

      3D打印可以制造出立體網(wǎng)格型的復(fù)雜結(jié)構(gòu),每個(gè)網(wǎng)格尺寸可以達(dá)到高度一致,雖然網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不適合獨(dú)立作為航修零件,但卻可以成為航空復(fù)合材料的基材,網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基材與復(fù)合材料纖維組合,利用樹脂固化/燒結(jié)金屬?gòu)?fù)合材料能很好的兼顧強(qiáng)度、曲面外形和安裝組合的要求。隨著飛機(jī)制造中復(fù)合材料使用量不斷增加,在航空維修中復(fù)合材料的修理或更換的可能性也隨之增加,相應(yīng)地引入復(fù)合材料3D打印技術(shù)可不斷提升維修能力,滿足新型飛機(jī)修理要求。

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