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        航空維修中3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用

        2019-10-12 10:40:06賈婷婷
        粘接 2019年8期
        關(guān)鍵詞:航材數(shù)模航空

        賈婷婷

        摘要:3D打印技術(shù)也稱之為增材制造技術(shù),是減材制造后衍生的快速成型技術(shù)。通過3D模型數(shù)據(jù),逐步分切打印疊加,從而形成完整產(chǎn)品。在加工制造時,基本上不會生產(chǎn)廢棄物,在貴重稀有金屬加工中,獨(dú)具優(yōu)勢,特別是航空航天制造領(lǐng)域。近年來3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在社會各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,使得其在成本與質(zhì)量等多方面獲得了想好效益,尤其是航空領(lǐng)域發(fā)展,備受高度重視。在航空領(lǐng)域發(fā)展中,在飛機(jī)數(shù)量逐漸增多的趨勢下,航空維修環(huán)節(jié)的重要性越來越突出,在保證航空出行安全與穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,有效節(jié)約維修成本與時間則成為了一大主要研究熱點(diǎn)。因此,文章主要對航空維修中3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。

        關(guān)鍵詞:航空維修;3D打印技術(shù);應(yīng)用

        中圖分類號:TQ050.4

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1001-5922(2019)08-0105-03

        3D打印技術(shù)以其快速成型特性,被稱之為增材制造技術(shù),此技術(shù)始于20世紀(jì)末期,其運(yùn)行基礎(chǔ)為數(shù)字模型文件把材料制造技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化,這一過程顯著提高了三維物體數(shù)據(jù)的精確性與穩(wěn)定性。隨著3D打印技術(shù)在社會各界備受重視,此技術(shù)自身也實(shí)現(xiàn)了不斷優(yōu)化發(fā)展。也正是因?yàn)?D打印技術(shù)在航空制造上深藏潛質(zhì),全世界都投入了大量成本與資源。而在航空維修領(lǐng)域,3D打印技術(shù)也具備其獨(dú)特性優(yōu)勢,能夠切實(shí)應(yīng)用到快速生產(chǎn)工具與維修備用件中,對航空信息化建設(shè)創(chuàng)新發(fā)揮著重要作用。

        1 航空維修現(xiàn)狀

        在飛機(jī)數(shù)量不斷增多的趨勢下,基于航空安全與穩(wěn)定,有效節(jié)約維修成本與時間,提高資源利用率,增加經(jīng)濟(jì)效益與社會效益是航空公司在深入探究的主要課題。而影響課題研究的關(guān)鍵是航材問題。航材管理方式直接影響著航空維修成本,但是我國大多數(shù)航空公司的航材管理依舊存在許多問題,亟待改善。

        1.1 庫存不足

        航材保障只是針對常見性故障,但是在遇到特殊情況的時候,無法在國內(nèi)的航材庫中及時抽調(diào)所需航材,這樣一來,勢必會導(dǎo)致難以快速及時排除故障,從而造成故障遺留或者飛機(jī)停飛。

        1.2 庫存過量

        在飛機(jī)數(shù)量不斷增多的趨勢下,進(jìn)一步擴(kuò)展航材采購與儲備途徑,能夠確保航班運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性,在標(biāo)準(zhǔn)航材儲備環(huán)境下,超出五年時間都會出現(xiàn)金屬零部件銹斑的現(xiàn)象。而超出十年則硫化封嚴(yán)會直接性失效,航材過量存儲就會導(dǎo)致資金積壓,進(jìn)而對航空公司綜合效益造成嚴(yán)重影響。

        1.3 供應(yīng)鏈管理不完善

        航材供應(yīng)鏈管理實(shí)際上就是航材生產(chǎn)、修理廠家、專業(yè)航材保障部門、基層機(jī)務(wù)維修部門共同構(gòu)成的航材供應(yīng)鏈融于一體,基于密切各節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)性與協(xié)作性,實(shí)現(xiàn)航材供應(yīng)時間縮減,航材周轉(zhuǎn)速度加快,航材保障成本降低,航材保障資源配置優(yōu)化等。由于訂貨、供應(yīng)與運(yùn)輸?shù)葌€環(huán)節(jié),造成的供應(yīng)鏈延長或中斷,航空維修將無法得以有效保障[2]。

        2 航空維修中3D打印技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢

        2.1 有利于及時生產(chǎn)新型零部件

        3D打印技術(shù)的主要優(yōu)勢是能夠分散性制造,也就是整個部件是由大量小部分拼接構(gòu)成,能夠疊加。利用遠(yuǎn)程技術(shù)、激光技術(shù)、材料熔化技術(shù)、電子制圖技術(shù)等,物理加工制造材料,并促使其生成圖紙描繪形狀,并通過疊加其中一些部分,構(gòu)成完成物體。在現(xiàn)代化社會所謂競爭都是基于信息化的,不論市場,只要出現(xiàn)所需替代的故障或損毀的零部件,就能夠通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)所需新型零部件,并通過專業(yè)技術(shù)人員組裝,直接傳輸?shù)绞袌鐾度胧褂?,像是航空設(shè)備的快速重生,不僅便捷,且高效。盡管此技術(shù)尚未全面投入使用,但是3D打印技術(shù)勢必會在很大程度上推動制造維修行業(yè)的創(chuàng)新性發(fā)展,從而改變傳統(tǒng)航空維修方式。

        2.2 有利于減輕后勤部門工作壓力

        在傳統(tǒng)航空公司后勤保障部門中,倉儲與運(yùn)輸部門的工作都比較大,并且壓力也很大,同時后勤保障部門所消耗成本也非常高。但是3D打印技術(shù)能夠在一定程度上減輕后勤保障部門的壓力。如果單獨(dú)拋開實(shí)際性限制因素來講,只需要利用計(jì)算機(jī),便能夠?qū)崿F(xiàn)物體設(shè)計(jì),只需要輸出有效數(shù)據(jù),任何物體都能夠打印復(fù)制。就理論角度來講,此觀念完全能夠?qū)崿F(xiàn)。而3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了航空應(yīng)用材料的數(shù)字化發(fā)展,只需要通過計(jì)算機(jī)存儲設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息,變能夠通過數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。所以,傳統(tǒng)后勤保障部門的物資存儲便演變成了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息的存儲,這樣一來,便直接有效節(jié)約了存儲空間,以及運(yùn)輸時間與成本,實(shí)現(xiàn)了重大突破。

        2.3 有利于縮短供應(yīng)鏈

        在3D打印技術(shù)逐漸優(yōu)化發(fā)展的趨勢下,此技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用指日可待。在維修時,所需更換零部件,只要打印出來。根據(jù)實(shí)際需求,制造出結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的零部件,并保證按時交貨,3D打印技術(shù)通過摒除生產(chǎn)線,便會實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)周期與產(chǎn)品供應(yīng)鏈的快速縮短,以及維修成本的大大降低。

        2.4 適合應(yīng)用于小型號零部件生產(chǎn)

        3D打印技術(shù)特別適合應(yīng)用于小型號零部件生產(chǎn),尤其是小批量,這正好與航空維修需求相符。由于航空裝備大部分科技含量相對偏高,其中包含很多精密零部件,這些小部件在裝備中可能具有唯一性,但是也無法由此替代。而3D打印技術(shù)生產(chǎn)零部件的方式不會受到批量與批次的影響,所以能夠有效節(jié)約成本,并防止傳統(tǒng)批量生產(chǎn)方式不足的不良影響,另外,對于可能已經(jīng)停產(chǎn)的零部件,只需要計(jì)算機(jī)中存有相關(guān)數(shù)據(jù)信息,3D打印技術(shù)便能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn),主機(jī)維修也不會由于零部件確停產(chǎn)或缺失而受到阻礙[3]。

        3 航空維修中3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用分析

        3.1 結(jié)構(gòu)零部件強(qiáng)化

        由于三代機(jī)性能提高需要,不論自重還是載彈量都在逐漸加大,在訓(xùn)練時,極易導(dǎo)致飛機(jī)承載力出現(xiàn)大量損傷。就某機(jī)型飛機(jī)來講,中央翼部分連接機(jī)身前后,以及外翼的主要零部件,并且連接著進(jìn)氣道、發(fā)動機(jī)短艙、主起落架等相關(guān)零部件,位于機(jī)體的中心位置。就氣動布局可以看出,其是機(jī)翼的重要組成部分,但是就結(jié)構(gòu)功能可以看出,其是常規(guī)布局的中機(jī)身,屬于機(jī)體的主要承力零部件。承力部件出現(xiàn)損傷,就會阻礙飛機(jī)的正常安全飛行。

        以某機(jī)型三代機(jī)中央翼部分為例,通過無損檢測,發(fā)現(xiàn)其中下緣條位置上存在裂縫。在維修時,由于零部件的加工難度較大,成本也相對較高,因此,選擇特制的加強(qiáng)角盒,通過調(diào)整墊片對角盒和零部件之間的間隙進(jìn)行調(diào)整,控制在0.4mm以內(nèi),最后利用螺栓和鉚釘?shù)染o固件進(jìn)行銜接,以此強(qiáng)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)維修任務(wù)。而特制的加強(qiáng)角盒主要是由設(shè)計(jì)人員基于飛機(jī)數(shù)模比較分析修復(fù)位置,進(jìn)行加強(qiáng)角盒數(shù)模設(shè)計(jì),維修企業(yè)則根據(jù)設(shè)計(jì)提供的數(shù)模進(jìn)行加強(qiáng)角盒機(jī)械加工制造。因?yàn)轱w機(jī)承力部分通過不同載荷沖擊作用,導(dǎo)致不定向塑性變形,造成特制加強(qiáng)角盒難以與機(jī)體結(jié)構(gòu)就要求相互配合的不良狀況,從而制約維修周期,影響維修效率與質(zhì)量。

        而引用3D打印技術(shù),在其影響下,越來越多材料實(shí)現(xiàn)了打印,并且3D打印產(chǎn)品的精確度也隨之提高。在承力部件修理時,利用3D打印技術(shù),能夠切實(shí)解決大量常規(guī)維修問題。相關(guān)工作人員在充分考慮3D打印材料可塑性、加工性、經(jīng)濟(jì)性之后,根據(jù)設(shè)計(jì)要求數(shù)模,通過塑料打印所需特制角盒,試用裝配,并多次對比位置關(guān)系,利用銼修與鉗制等多元化方式進(jìn)行角盒輪廓處理,最后明確能夠能夠裝配間隙要求的角盒,并通過逆向技術(shù)對角盒數(shù)模進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì),然后利用金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行特制加強(qiáng)角盒制造,確保其與標(biāo)準(zhǔn)要求完全相符,從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)化[4]。

        3.2 復(fù)雜零件生產(chǎn)

        在飛機(jī)機(jī)型不斷優(yōu)化升級的趨勢下,一些飛機(jī)就會陸續(xù)停止生產(chǎn),而在維修中也常常會遇到一些零部件加工難度比較大,成本較高,且采購周期較差,甚至是無法采購的不良狀況,從而阻礙維修工作順利進(jìn)行。就卡箍類零部件來講,在維修時,需求量比較少,工藝相對復(fù)雜,傳統(tǒng)加工模式需要配置三套模具與工裝等,才能夠確保產(chǎn)品合格。但是生產(chǎn)三套模具成本將會嚴(yán)重超出產(chǎn)品自身價格,所以并不適合進(jìn)行自制。然而,在采購時,零部件制造廠出現(xiàn)停產(chǎn)現(xiàn)象,不能及時采購到位,從而導(dǎo)致此零部件成為影響飛機(jī)維修周期的主要障礙。

        而利用3D打印技術(shù)進(jìn)行卡箍類零部件制造,在成型時,不需要專門的模具、工具、夾具,相關(guān)工作人員只需要通過CATIA等設(shè)計(jì)軟件轉(zhuǎn)變二維圖樣為三維CAD模型,并利用Magics軟件編程數(shù)模,通過3D打印激光燒結(jié)技術(shù),便能夠打印所需零部件。而且3D打印技術(shù)能夠把零部件中所需焊接部分直接加工成一體,在強(qiáng)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時,保證零部件質(zhì)量,從而滿足航空維修相關(guān)需要。

        復(fù)合材料是航空領(lǐng)域的一種新型材料,在維修時,利用復(fù)合型材料的零部件成本較高,而且工藝難度較大,從而直接降低了維修水平與能力。3D打印技術(shù)既能夠切實(shí)應(yīng)用到金屬與非金屬材料,還可以應(yīng)用到碳纖維等復(fù)合材料。3D打印技術(shù)能夠制造出立體網(wǎng)格型的復(fù)雜結(jié)構(gòu),各網(wǎng)格尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)高度一致,盡管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)并不適合單獨(dú)應(yīng)用到航空維修中,但是卻能夠成為航空復(fù)合材料的主要基材,網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基材和符合材料纖維相互組合,通過樹脂固化/燒結(jié)金屬復(fù)合材料,可以兼顧強(qiáng)度、曲面外形、安裝組合等相關(guān)要求。在飛機(jī)制造中,隨著符合材料使用量逐漸增大,在航空維修中,復(fù)合材料維修與更換的可能性也不斷增大,而利用復(fù)合材料3D打印技術(shù),能夠顯著提高航空維修效率與能力,從而滿足新型航空維修的多元化要求[5]。

        4 結(jié)語

        總而言之,3D打印技術(shù)作為新型技術(shù),在逐漸推動著傳統(tǒng)工藝的深化創(chuàng)新改革。不同于西方國家,我國3D打印技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)成熟化發(fā)展,特別是在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用更是微不足道。對此,應(yīng)掌握新型產(chǎn)業(yè)變革重大機(jī)遇,通過3D打印技術(shù)制造零部件,切實(shí)解決航材庫存等問題,并節(jié)約維修成本與時間,同時縮短研發(fā)周期,簡化供應(yīng)鏈,以此促進(jìn)航空維修領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展。但是由于此技術(shù)依舊面臨著一定挑戰(zhàn),即打印材料、仿真設(shè)計(jì)、信息安全、質(zhì)量監(jiān)控等等,對此,在3D打印技術(shù)不斷優(yōu)化發(fā)展趨勢下,相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)大力優(yōu)化研發(fā),基于計(jì)算機(jī)構(gòu)建航空維修3D圖像數(shù)據(jù)庫,促使3D打印技術(shù)在航空維修領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

        參考文獻(xiàn)

        [1]郭雙全,羅奎林,劉瑞,等.3D打印技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)維修中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2015,(s1):18-19+27.

        [2]姜舟,任斌斌.3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用研究[J].中國設(shè)備工程,2017,(18):42-43.

        [3]莫偉東.3D打印技術(shù)及其在航空裝備維修中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2017,16(24):78-79.

        [4]宋偉健,溫德宏,郁大照.3D打印技術(shù)及其在航空裝備維修中的應(yīng)用[C].煙臺:航空裝備維修技術(shù)及應(yīng)用研討會,2015:59-61.

        [5]雷剛,李科,航空維修新技術(shù)應(yīng)用探討[C].中山:探索創(chuàng)新交流(第7集)——第七屆中國航空學(xué)會青年科技論壇文集(上冊)2016:47-52.

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