增材制造技术在飞机装配过程中的一种应用

姜乃乾 溥光星 张颂亚

【关键词】航空制造;增材制造;工装

一、绪论

（一）研究背景

增材制造技术诞生于80年代，现在已经广泛应用在人们生活的各个领域中。例如医疗领域，3D打印颈椎已经帮助人类突破了骨骼重建的难关，而生活中，3D打印的工艺品、服装，鞋等更是层出不穷。而这项技术在深入工业领域的过程中，也展现了非凡的潜力。在被誉为工业王冠上的“明珠”的飞机制造领域，对于增材制造技术应用的研究也是方兴未艾。3D打印制作的零件可以满足很多常规机械加工方式难以达成的零件特征，例如空腔。同时，3D打印制造可以将原本分割开的零件制作成一个整体，大幅减少抗剪紧固件的使用。

（二）研究现状

国内方面，一些大型民用飞机均已在制造过程中采用了增材制造技术。其中，C919 型飞机机翼上下缘条钛合金构件就是使用SLS（选择性激光烧结）加工方式，同时，已经有企业实践了利用LMD（激光融化沉积）修复的航空发动机轴承后机匣的技术[1]26。

国外方面，我们可以了解到增材制造技术已经深入地应用在了工业领域。以3D打印汽车为例，从制造业的视角来看，这辆由美国Local Motors公司设计制造、名叫“Strati”的小型两座车，除轮胎和发动机外，全车仅由40个零件构成，成本约11万元。

二、增材制造方案的选择

（一）增材制造的分类

增材制造的分类可以通过受加工材料和加工方式加以分别。其中，熔融沉积加工（FDM）是最常见、最具经济性的制造方式，选择性激光烧结（SLS）则是加工有强度要求金属件的首选方式。

就FDM技术加工而言，主要的已经可以成熟应用的材料包含ABS树脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PLA树脂（聚乳酸）和TPU橡胶（热塑性聚氨酯弹性体）等。

（二）本文研究的方向

本文的研究方向是使用FDM技术，利用桌面级3D打印机加工ABS树脂，快速制造形状不规则的定位工艺装备。

三、增材制造工装的模拟、制造与分析

（一）模拟问题的描述

本文选取的问题是在一处不开敞的空间区域，要求利用已有的不规则平面，定位两处螺纹连接点，此两处螺纹连接点方向不共线，角度不规则，定位点的空间位置公差赢不多于0.5mm。

（二）模拟问题的解决方案

经三维建模，本文规划了一件工艺装备定位板，如图1。

该定位板利用下表面（内部镂空）贴合不规则的定位平面，左上部的两处模拟螺纹接口作为已定位、待装配的螺纹连接点，定位板壁厚3mm。该定位板经3D装配仿真模拟，可以满足模拟问题的要求。

（三）解决方案的检验校核

该方案中所使用的ABS树脂，经查阅，其弹性模量为2×103 MPa，拉伸屈服强度为30MPa，密度为1.02×103kg/m3 ，泊松比为0.394。方案模擬的加载载荷为50N，作用于定位板左上的螺纹连接点，竖直向下。最终应力分析结果如图2，最大von Mises应力为0.65MPa;最终形变分析结果如图5，最大变形量5×10-4 mm。可见，定位工装的应力和形变量均远远小于其材料极限，因此可以认为该方案在使用过程中不存在被破坏或因形变导致定位超差的风险。

（四）解决方案的加工能力测验

本方案的模拟过程中所采用的一般的桌面级FDM式3D打印机，可以保证XY方向加工精度为0.1mm，Z轴方向精度0.05mm，打印速度超过40mm/s。实际加工时长32小时（含设备冷却降温时间）。

四、增材制造工装方案的结果评估

（一）增材制造工装的即时使用状况评估

该方案制造的增材制造工装，经检测与试用，可以比较完美地解决所提出的模拟问题，定位面贴合良好，螺纹连接点可顺畅无应力连接，精度合格。工装在制造过程中，多次因制造设备喷头温度过高而需定期停机冷却，但就综合加工制造时间而言，仍然远远优于传统的金属机械加工方案。

（二）增材制造工装的长期使用状况评估

该方案制造的增材制造工装， 在一定湿度条件（75%）下经历30天的常温（25°C）保管后，出现了因树脂老化而导致的工装变色、变脆的现象。

五、增材制造工装方案的结论与展望

（一）增材制造工装方案的结论

经过以上的理论与实际应用分析，本文得出结论：首先，利用一般桌面级FDM增材制造打印机加工的ABS树脂工装，从工装本身力学特性和加工周期的角度考虑，是可以满足一般的不规则复杂场景下的一定精度定位问题的要求的。但从长周期应用需求来看，增材制造工装的加工材料、加工参数、产品保存等方面，仍然有待于进一步的研究。综上，在以临时问题为导向的场景下，为适配各种不同的、随机发生的定位问题，利用增材制造技术加工工装是一个值得考虑的、有竞争力方案。

（二）增材制造技术在航空领域应用的展望

美国GE公司首个使用SLM成形且通过 FAA认证的金属零部件是T25传感器壳体，该零件在2015年实现装机应用，目前已被安装在超过400台的GE90-94B发动机中。同年，GE公司采用增材制造技术进行全新涡轮螺旋桨发动机（ATP）的研发，该款发动机中约35%的部件（如燃烧室、动力齿轮箱等）由增材制造技术完成，零件总数由原来的855个减少至12个。可以发现，除去非金属塑性材料，航空领域已经开始大踏步地探索金属材料增材制造的应用模式。但同时，增材制造技术也面临着许多问题，例如：大批量的增材制造零件批次稳定性控制能力有所不足;还有由于成形过程快速熔化和凝固以及热循环等特点使得组织结构复杂，存在各向异性，传统的热处理工艺制度不再完全适用于增材制造等[1]25-27。总体来说，尽管增材制造在航空，乃至整个制造领域深入应用的路途中仍有许多曲折，但这项技术也有着可预见的光明未来。