增材制造技術(shù)令霍克臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)重拾昔日雄風(fēng)

近 20年，英國(guó)格洛斯特的“噴氣時(shí)代”航空博物館一直希望能夠復(fù)原英國(guó)二戰(zhàn)時(shí)期的著名飛機(jī) — 霍克臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)。今年，雷尼紹公司根據(jù)原始設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谌狈χ圃旒?xì)節(jié)的情況下，采用最新金屬增材制造技術(shù)（3D打印）重新制造出完整的駕駛艙支架，讓復(fù)原臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)的項(xiàng)目得以按計(jì)劃進(jìn)行。

迎接挑戰(zhàn)

該博物館臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)項(xiàng)目贊助商協(xié)調(diào)人Trevor Davies表示，在嘗試復(fù)制駕駛艙支架的過(guò)程中，他們?cè)群舐?lián)系過(guò)多家工程公司，但是，這些支架的形狀非常獨(dú)特，這意味著即使有原始設(shè)計(jì)圖紙，那些提供數(shù)控加工產(chǎn)品的公司也沒(méi)有信心能夠生產(chǎn)出完全精確的成品部件。當(dāng)他們了解到雷尼紹的增材制造技術(shù)及其所具有的設(shè)計(jì)靈活性后，隨即向其尋求幫助。

雷尼紹開(kāi)發(fā)工程師Joshua Whitmore介紹，“博物館保存的臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)原始圖紙可追溯到1938年，而且那時(shí)所有的測(cè)量數(shù)據(jù)均采用英制單位，此外，其中一個(gè)駕駛艙支架的圖紙已經(jīng)遺失，這意味著需要對(duì)該部件進(jìn)行更詳細(xì)的測(cè)量。由于現(xiàn)有支架是從另一架霍克臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)上借來(lái)的，必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)歸還，這給項(xiàng)目平添了不少壓力。我們不得不根據(jù)一套不完整的原始圖紙來(lái)計(jì)算尺寸，使用數(shù)字游標(biāo)卡尺等傳統(tǒng)測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，繪制相關(guān)的投影圖等。最終我們得到了大部分缺失的關(guān)鍵尺寸，同時(shí)完成了對(duì)非關(guān)鍵尺寸的估算。隨后我們將尺寸從公制轉(zhuǎn)換為英制，雖然這一過(guò)程比較耗時(shí)，但大約兩周后我們得到了支架的原型數(shù)據(jù)?！?/p>

解決方案

雷尼紹根據(jù)原始設(shè)計(jì)圖紙和其他測(cè)量數(shù)據(jù)，使用Siemens NX 7.5 CAD軟件創(chuàng)建了一個(gè)臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)駕駛艙支架的3D數(shù)字模型。這樣一來(lái)，便可以進(jìn)行參數(shù)化建模和直接表面建模，以生成部件的數(shù)字復(fù)制品。完成數(shù)字建模后，工程師使用3D打印技術(shù)制作出材質(zhì)為聚碳酸酯塑料的原型部件。隨后，將這些部件運(yùn)送至博物館下屬的車(chē)間，并將它們安裝到戰(zhàn)機(jī)駕駛艙上以驗(yàn)證其規(guī)格是否正確。當(dāng)工程師確認(rèn)這些部件準(zhǔn)確無(wú)誤后，便利用增材制造技術(shù)正式生產(chǎn)金屬加工件。

格洛斯特郡飛機(jī)公司最初采用鋁材制造臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)的駕駛艙支架，主要是因?yàn)榻饘黉X具有一些優(yōu)良的物理性質(zhì)，如密度低（因此重量輕）、強(qiáng)度高且延展性好。在生產(chǎn)符合性能要求的金屬加工件成品之前，雷尼紹首先使用增材制造技術(shù)制作塑料原型部件。

雷尼紹在AM250增材制造系統(tǒng)上使用鋁粉生產(chǎn)金屬支架，整個(gè)部件通過(guò)四次加工過(guò)程完成,之后利用噴砂工藝和手工打磨技術(shù)對(duì)部件表面進(jìn)行精加工。

成功交付

2016年5月，部件交付正式完成，此時(shí)恰逢Cool Aeronautics航空展隆重舉行，雷尼紹與博物館合作，在展會(huì)上展出了這些部件，并向公眾著重介紹增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

Davies提到，“我們認(rèn)為雷尼紹為臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)項(xiàng)目、“噴氣時(shí)代”航空博物館以及格洛斯特所作的貢獻(xiàn)難以估量，如果沒(méi)有增材制造技術(shù)，我們將無(wú)法復(fù)制出這些支架 — 這些部件過(guò)于獨(dú)特，這一點(diǎn)恰恰類(lèi)似于臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)本身。通過(guò)將傳統(tǒng)與創(chuàng)新融合，雷尼紹的幫助使這個(gè)早在1998年便已啟動(dòng)的項(xiàng)目得以繼續(xù)推進(jìn)。”

通過(guò)采用增材制造方法并使用原始材料生產(chǎn)駕駛艙支架，雷尼紹按照?qǐng)D紙復(fù)原了這些部件。在完成駕駛艙支架的復(fù)制后，雷尼紹已開(kāi)始與“噴氣時(shí)代”航空博物館商討下一個(gè)項(xiàng)目：讓臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)的另一個(gè)重要部件 — Napier Sabre活塞發(fā)動(dòng)機(jī)重回格洛斯特。

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4月，空客公司向美國(guó)斯普利特航空系統(tǒng)公司出售SART智能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備（圖5），該設(shè)備由空客公司自主研發(fā)，可將客機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件裝配效率提升6倍，且漏檢率大幅降低，標(biāo)志著這種工業(yè)設(shè)備突破了通用性、兼容性等難題，向航空制造業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用邁出重要一步。未來(lái)，空客公司計(jì)劃將此類(lèi)設(shè)備應(yīng)用擴(kuò)展至飛機(jī)研制全流程，并向造船、交通運(yùn)輸、發(fā)電設(shè)備制造等大型裝備制造業(yè)推廣應(yīng)用。

（4）3D打印設(shè)備開(kāi)始成為大型企業(yè)重要生產(chǎn)設(shè)施，提升制造效率。

2月，通用電氣公司在美國(guó)匹斯堡建立3D打印研發(fā)中心，10月收購(gòu)德國(guó)Concept Laser公司，旨在進(jìn)一步擴(kuò)大3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍；洛馬公司旗下工廠中所使用的3D打印設(shè)備已超過(guò)100臺(tái)，擁有5個(gè)3D打印創(chuàng)新中心，還研發(fā)出世界上首臺(tái)“多機(jī)器人增材減材混合設(shè)備。

（5）機(jī)器人技術(shù)推動(dòng)航空制造自動(dòng)化水平穩(wěn)步提升。

2月，美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)文表明，波音、空客等飛機(jī)制造商不斷拓展機(jī)器人在飛機(jī)制造過(guò)程的應(yīng)用范圍，涉及飛機(jī)裝配、復(fù)合材料纖維鋪放、表面噴涂，以及代表未來(lái)發(fā)展方向的移動(dòng)、協(xié)同機(jī)器人等技術(shù)方向，旨在提高飛機(jī)制造自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)效率。