徐意

（上海飛機制造有限公司，上海 201323）

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今復(fù)合材料正呈現(xiàn)出性能顯著提升、成本逐漸降低、制造工藝日趨成熟的技術(shù)特點。結(jié)合目前航空公司降低飛機全生命周期成本及提高燃油經(jīng)濟性的需求，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機結(jié)構(gòu)重量中的比重不斷提高，以至于復(fù)合材料在飛機上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量新機型結(jié)構(gòu)先進性的重要指標(biāo)之一。復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用除了用量不斷提高外，還具備應(yīng)用部位由次承力部件向主承力部件過渡、型面越來越復(fù)雜、尺寸不斷擴大的特點。為保障復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造精度，需要提供精度更高的復(fù)合材料制造模具。傳統(tǒng)模具采用鍛件或型材通過機械加工及焊接裝配的方法進行制造，其設(shè)計加工周期長、生產(chǎn)成本高，特別是對形面復(fù)雜或有內(nèi)腔的模具，鍛造和加工都很困難，甚至不能實現(xiàn)。而增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，為模具設(shè)計和制造提供了新的思路及解決方法。

1 增材制造技術(shù)

1.1 增材制造技術(shù)的特點

對于增材制造技術(shù)，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）給出了如下定義，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術(shù)是一種與傳統(tǒng)的材料去處加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD 模型數(shù)據(jù)（數(shù)字化），通常采用逐層制造方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。

相對于傳統(tǒng)的通過車銑刨磨等機械加工手段去除材料，將毛胚件切削成產(chǎn)品的減材制造方法，增材制造方式在材料利用率、制造便捷性及制造成本方面均具有明顯的優(yōu)勢。

（1）材料利用率高。傳統(tǒng)機械加工，尤其是銑削加工，在復(fù)雜構(gòu)型產(chǎn)品的制造時材料損耗大。增材制造基本等于凈形制造，只在堆積完成后有少量的表面精加工工作，材料利用率能達到70%～90%。

（2）自由制造。增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序,在一臺設(shè)備上就可以快速而精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件,從而實現(xiàn)自由制造。

（3）制造成本低。增材制造不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，設(shè)計制造周期短，單件、小批量研發(fā)成本低，構(gòu)型更改對制造周期及成本也無明顯影響。

（4）機械性能優(yōu)良。在傳統(tǒng)原材料制造工藝中，鑄造由于中心偏析，晶粒粗大，組織分布不均勻，因此，力學(xué)性能較差；鍛造力學(xué)性能好，但對于大尺寸鍛坯的制造，存在壓力分布不均勻的問題。部分增材制造工藝由于能量輸入高，工作區(qū)溫度達到材料熔點，材料在制造過程中存在多次再結(jié)晶。通過調(diào)整工藝參數(shù)，可控制材料結(jié)晶方向及晶粒大小，從而優(yōu)化合金性能。

1.2 典型增材制造技術(shù)

電熔精密成型（WAAM）及激光熔覆技術(shù)（LENS）是增材制造技術(shù)中兩種較為典型的用于實際工業(yè)產(chǎn)品制造的工藝方式。尤其是在航空工業(yè)中，以上兩種工藝手段能直接用于飛機裝機結(jié)構(gòu)件的制造。

（1）電熔精密成型。電熔精密成型是以強電流（包括電弧、等離子束等形式）為能源，以焊絲為材料，按照數(shù)控軌跡熔化焊絲逐層堆積形成產(chǎn)品的制造手段。首先，在工作臺上裝夾用于材料堆積的基板；其次，通過控制焊槍位移速度、送絲速度及保護氣體釋放速度等工藝參數(shù)，控制堆積材料的截面尺寸。并在數(shù)控程序的控制下，聚合形成單一截面的外形；再次，逐層累積，形成所需產(chǎn)品的外形；最后，根據(jù)設(shè)計需求，對產(chǎn)品表面進行少量加工。

（2）激光熔覆技術(shù)。激光熔覆技術(shù)是以激光為能源，以金屬粉末為材料，通過噴粉熔覆的手段完成產(chǎn)品制造的工藝方式。制造過程第一步依然是基板裝夾；第二步，通過打開激光發(fā)生器在基板上產(chǎn)生一個小尺寸熔池（熔池尺寸與激光束光斑大小相當(dāng)）；第三步，將金屬粉末直接噴入熔池進行熔覆堆積，最終形成所需的產(chǎn)品外形。激光熔覆技術(shù)所得產(chǎn)品外形接近設(shè)計尺寸精度要求，只需進行少許表面磨削加工。在航空工業(yè)中，電熔精密成型技術(shù)可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度適中，力學(xué)性能要求不高，機械加工材料利用率低、材料附加值高的裝機結(jié)構(gòu)件及工裝模夾具的制造；激光熔覆技術(shù)技術(shù)可用于飛機大尺寸關(guān)鍵承力件的制造。

2 增材制造技術(shù)在飛機復(fù)材模具制造上的應(yīng)用

對于復(fù)材制造密切相關(guān)的傳統(tǒng)復(fù)材成型模具，尤其是大尺寸曲面模具的制造，成本高難度大。增材制造技術(shù)中的電熔精密成型技術(shù)，設(shè)備投入成本低，制造工藝簡單，低投入高回報，一旦投入能夠很快形成生產(chǎn)能力，將其用于復(fù)材模具的制造，具有很大的應(yīng)用前景。

2.1 傳統(tǒng)復(fù)合材料模具制造方式

復(fù)合材料構(gòu)件主要由結(jié)構(gòu)件（梁、框、肋）和薄板件（蒙皮、艙罩、口蓋）組成。對于薄板件的制造，預(yù)浸料鋪帶、環(huán)氧樹脂增強、真空袋包覆后送熱壓罐固化的方法是一種典型的復(fù)合材料制造工藝組合，在制造企業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。對于上述薄板類成型模具，按用材主要分為普通碳鋼模具、鋁合金模具、Invar 鋼模具。

（1）普通碳鋼模具。普通碳鋼成本低廉，制造工藝成熟，廣泛用于復(fù)材模具的制造。但由于普通碳鋼熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，這種差異可能導(dǎo)致復(fù)合材料零件在固化溫度下成型后回復(fù)到常溫自然條件過程中產(chǎn)生不可控制的變形，因此只能用于中小尺寸復(fù)材模具的制造。

（2）Invar 鋼模具。從表1 中可以看出，Invar 鋼的熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相近。采用Invar 鋼作為復(fù)合材料制件的成型模具可很好解決復(fù)材零件制造過程中變形產(chǎn)生的問題，因此廣泛用于尺寸及型面精度要求高的大尺寸復(fù)材模具的制造。為了改善復(fù)合材料固化時形成的溫度場并提高熱利用效率，目前對于大尺寸復(fù)材模具的制造，廣泛采用薄板框架式的結(jié)構(gòu)。為保證產(chǎn)品型面的制造精度，模具整體結(jié)構(gòu)都需使用Invar 鋼制造。Invar 鋼材料價格昂貴，且加工困難。

表1 模具材料熱膨脹系數(shù)對比

2.2 增材制造用于復(fù)材模具制造

圖1 為某型飛機的中央翼下壁板復(fù)材成型模具。復(fù)材中央翼壁板采用樹脂纖維結(jié)構(gòu)，長桁預(yù)成型后二次固化，形成整體壁板件。模具為典型薄板框架式結(jié)構(gòu)。模具型面模板展開尺寸為4500mmx4000mm 左右，由多塊鋼板滾彎后焊接而成。為保證模具進熱壓罐后熱膨脹均勻，模具主體均采用Invar鋼制造，制造周期長，成本高昂。采用電熔精密成型技術(shù)進行制造，只需準(zhǔn)備一塊機加后的底板及相應(yīng)的焊絲材料。設(shè)計人員在設(shè)計模具時，只需考慮模具的型面精度，對于其余結(jié)構(gòu)可通過有限元分析優(yōu)化后自由制造。模具數(shù)模設(shè)計完成后，設(shè)計人員通過專用軟件生成制造程序，無須其他工序即可獨立完成模具本體的制造。

此外，電熔精密成型可實現(xiàn)不同材料的梯度制造，如Invar 鋼與碳鋼的復(fù)合制造。針對大型Invar 鋼模具Invar材料用量高的特點，可通過有限元合理分析Invar 鋼與普通碳鋼在不同材料分布及配比下的熱應(yīng)力變形，在保證型面精度的前提下，提高碳鋼的用量，降低模具的成本。

圖1 大客中央翼下壁板成型模具

3 結(jié)語

目前，在航空工業(yè)中，由于適航條款的約束以及制造標(biāo)準(zhǔn)的缺失，增材制造技術(shù)的應(yīng)用仍然局限在軍用飛機領(lǐng)域，在民機制造尤其是大型客機制造中的直接應(yīng)用寥寥無幾。而在航空模具制造領(lǐng)域則無以上要求的限制。將增材制造技術(shù)用于航空模具的制造，不但可以節(jié)約成本、縮短周期、提高模具制造的靈活性，還能以做代練，提高航空制造企業(yè)的增材制造水平。當(dāng)今航空結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢是以復(fù)雜整體件代替簡單裝配件、以高性能難加工材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金材料。這些趨勢對航空制造企業(yè)的加工能力提出了巨大的挑戰(zhàn)，因此，迫切需要應(yīng)用增材制造技術(shù)解決制造難題。隨著增材制造標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善，設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化及工藝的日趨成熟，增材制造技術(shù)必將得到更為廣泛的應(yīng)用，從而推動航空工業(yè)的快速發(fā)展。