增材制造的技術應用

高速、高機動性、長航時、安全、高效、低成本運行等惡劣服役條件對飛機結構設計、材料和制造提出了更高的要求。輕量化、集成化、長壽命、高可靠性、結構功能壹體化和低成本運營已成為結構設計、材料應用和制造技術面臨的嚴峻挑戰，這些挑戰依賴於結構設計、結構材料和現代制造技術的進步和創新。首先，增材制造技術可以滿足航空武器裝備研制的低成本、短周期要求。隨著技術的發展，為了減輕飛機結構的重量，延長壽命，降低制造成本，大型整體金屬構件被越來越多的使用。大型整體鈦合金結構制造技術已成為現代飛機制造先進技術的重要標誌之壹。美國的F-22後機身加強框、F-14和Gale的中央翼盒都采用整體鈦合金結構。大型金屬結構的傳統制造方法是鍛造和機械加工，但能用於制造大型或超大型金屬鍛造毛坯的設備匱乏，模具成本高、制造周期長仍不能滿足新型號快速低成本開發的需要。此外，壹些大型結構還具有復雜的形狀或特殊的規格，很難通過鍛造來制造。而增量制造技術對零件的結構尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、復雜型腔等特殊結構。除了大型結構，還有壹些形狀極其復雜的中小型零件，如空間曲面、密集復雜的孔隙結構等，用其他方法很難制造。而高能束選擇性制造技術可以實現零件的凈成形，只需拋光即可安裝使用。在傳統制造業中，單件小批量的超規格產品往往成為制約整機生產的瓶頸，而這類產品可以通過增量制造技術以相對較低的成本提供。據統計，我國大型航空用鈦合金零件的材料利用率很低，平均不超過10%。同時，模鍛鑄造還需要大量工裝模具，帶來開發成本的增加。通過高能束流增量制造技術，可以節省三分之二以上的材料，數控加工時間可以減少壹半以上，同時不需要模具，可以大大降低研制成本，尤其是首片和小批量的研制成本，節約國家寶貴的科研經費。通過大量使用基於金屬粉末和線材的高能束增材制造技術生產飛機零件，實現結構整體性，降低成本和周期，達到“無模具快速響應、敏捷制造”的目的。隨著我國綜合國力的提高和科技的進步，為了縮小與發達國家的差距，保證發展速度，加快設備更新，迫切需要這種新型的敏捷制造技術——金屬結構快速原型直接制造技術。其次，增材制造技術有助於推動設計-生產過程從平面思維向立體思維轉變。傳統的制造思維是從使用目的出發，形成壹個三維的想法，轉化成二維的圖紙，再制造成三維的實體。在空間維度轉換過程中，誤差、幹涉、非優化等現象總是存在的，但對於極其復雜的三維空間結構，無論是三維構思還是二維繪圖，都是非常困難的。計算機輔助設計(CAD)為三維構思提供了重要工具，但虛擬數字三維構型仍不能完全推導出實際結構的裝配特性、物理特性、運動特性等諸多屬性。利用增量制造技術實現三維設計、三維檢驗和優化，甚至三維直接制造，可以擺脫二維制造思路的束縛，直接針對零件的三維屬性進行設計和生產，大大簡化了設計過程，從而促進產品的技術更新和性能優化。在飛機結構設計中，設計師不僅要考慮結構和功能，還要考慮制造工藝。增材制造的最終目的是將設計者從零件制造的思想束縛中解放出來，使飛機結構設計者能夠專註於如何更好地實現功能的優化，而不是零件的制造。在以往的大量實踐中，利用增量制造技術快速、準確地制造和驗證設計思想，在飛機關鍵零部件的研制中發揮了重要作用。另壹個重要的應用是原型制造，即建立用於設計評估的模型，如風洞模型。通過增材制造快速生產模型，可以大大加快“設計-驗證”叠代周期。再次，增材制造技術可以改造現有的技術形態，促進制造技術的提高。提高現有制造技術水平的增量制造技術的典型應用是鑄造行業。利用快速成型技術制造蠟模，生產效率可以提高幾十倍，產品的質量和壹致性也大大提高。金屬制造用的砂型，利用快速成型技術可以三維打印，大大提高了生產效率和質量。在鑄造行業采用增量制造和快速制模逐漸成為壹種趨勢。