姜乃乾 溥光星 張頌亞

【關(guān)鍵詞】航空制造;增材制造;工裝

一、緒論

（一）研究背景

增材制造技術(shù)誕生于80年代，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在人們生活的各個(gè)領(lǐng)域中。例如醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印頸椎已經(jīng)幫助人類突破了骨骼重建的難關(guān)，而生活中，3D打印的工藝品、服裝，鞋等更是層出不窮。而這項(xiàng)技術(shù)在深入工業(yè)領(lǐng)域的過程中，也展現(xiàn)了非凡的潛力。在被譽(yù)為工業(yè)王冠上的“明珠”的飛機(jī)制造領(lǐng)域，對(duì)于增材制造技術(shù)應(yīng)用的研究也是方興未艾。3D打印制作的零件可以滿足很多常規(guī)機(jī)械加工方式難以達(dá)成的零件特征，例如空腔。同時(shí)，3D打印制造可以將原本分割開的零件制作成一個(gè)整體，大幅減少抗剪緊固件的使用。

（二）研究現(xiàn)狀

國內(nèi)方面，一些大型民用飛機(jī)均已在制造過程中采用了增材制造技術(shù)。其中，C919 型飛機(jī)機(jī)翼上下緣條鈦合金構(gòu)件就是使用SLS（選擇性激光燒結(jié)）加工方式，同時(shí)，已經(jīng)有企業(yè)實(shí)踐了利用LMD（激光融化沉積）修復(fù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承后機(jī)匣的技術(shù)[1]26。

國外方面，我們可以了解到增材制造技術(shù)已經(jīng)深入地應(yīng)用在了工業(yè)領(lǐng)域。以3D打印汽車為例，從制造業(yè)的視角來看，這輛由美國Local Motors公司設(shè)計(jì)制造、名叫“Strati”的小型兩座車，除輪胎和發(fā)動(dòng)機(jī)外，全車僅由40個(gè)零件構(gòu)成，成本約11萬元。

二、增材制造方案的選擇

（一）增材制造的分類

增材制造的分類可以通過受加工材料和加工方式加以分別。其中，熔融沉積加工（FDM）是最常見、最具經(jīng)濟(jì)性的制造方式，選擇性激光燒結(jié)（SLS）則是加工有強(qiáng)度要求金屬件的首選方式。

就FDM技術(shù)加工而言，主要的已經(jīng)可以成熟應(yīng)用的材料包含ABS樹脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PLA樹脂（聚乳酸）和TPU橡膠（熱塑性聚氨酯彈性體）等。

（二）本文研究的方向

本文的研究方向是使用FDM技術(shù)，利用桌面級(jí)3D打印機(jī)加工ABS樹脂，快速制造形狀不規(guī)則的定位工藝裝備。

三、增材制造工裝的模擬、制造與分析

（一）模擬問題的描述

本文選取的問題是在一處不開敞的空間區(qū)域，要求利用已有的不規(guī)則平面，定位兩處螺紋連接點(diǎn)，此兩處螺紋連接點(diǎn)方向不共線，角度不規(guī)則，定位點(diǎn)的空間位置公差贏不多于0.5mm。

（二）模擬問題的解決方案

經(jīng)三維建模，本文規(guī)劃了一件工藝裝備定位板，如圖1。

該定位板利用下表面（內(nèi)部鏤空）貼合不規(guī)則的定位平面，左上部的兩處模擬螺紋接口作為已定位、待裝配的螺紋連接點(diǎn)，定位板壁厚3mm。該定位板經(jīng)3D裝配仿真模擬，可以滿足模擬問題的要求。

（三）解決方案的檢驗(yàn)校核

該方案中所使用的ABS樹脂，經(jīng)查閱，其彈性模量為2×103 MPa，拉伸屈服強(qiáng)度為30MPa，密度為1.02×103kg/m3 ，泊松比為0.394。方案模擬的加載載荷為50N，作用于定位板左上的螺紋連接點(diǎn)，豎直向下。最終應(yīng)力分析結(jié)果如圖2，最大von Mises應(yīng)力為0.65MPa;最終形變分析結(jié)果如圖5，最大變形量5×10-4 mm?？梢?，定位工裝的應(yīng)力和形變量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料極限，因此可以認(rèn)為該方案在使用過程中不存在被破壞或因形變導(dǎo)致定位超差的風(fēng)險(xiǎn)。

（四）解決方案的加工能力測驗(yàn)

本方案的模擬過程中所采用的一般的桌面級(jí)FDM式3D打印機(jī)，可以保證XY方向加工精度為0.1mm，Z軸方向精度0.05mm，打印速度超過40mm/s。實(shí)際加工時(shí)長32小時(shí)（含設(shè)備冷卻降溫時(shí)間）。

四、增材制造工裝方案的結(jié)果評(píng)估

（一）增材制造工裝的即時(shí)使用狀況評(píng)估

該方案制造的增材制造工裝，經(jīng)檢測與試用，可以比較完美地解決所提出的模擬問題，定位面貼合良好，螺紋連接點(diǎn)可順暢無應(yīng)力連接，精度合格。工裝在制造過程中，多次因制造設(shè)備噴頭溫度過高而需定期停機(jī)冷卻，但就綜合加工制造時(shí)間而言，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬機(jī)械加工方案。

（二）增材制造工裝的長期使用狀況評(píng)估

該方案制造的增材制造工裝， 在一定濕度條件（75%）下經(jīng)歷30天的常溫（25°C）保管后，出現(xiàn)了因樹脂老化而導(dǎo)致的工裝變色、變脆的現(xiàn)象。

五、增材制造工裝方案的結(jié)論與展望

（一）增材制造工裝方案的結(jié)論

經(jīng)過以上的理論與實(shí)際應(yīng)用分析，本文得出結(jié)論：首先，利用一般桌面級(jí)FDM增材制造打印機(jī)加工的ABS樹脂工裝，從工裝本身力學(xué)特性和加工周期的角度考慮，是可以滿足一般的不規(guī)則復(fù)雜場景下的一定精度定位問題的要求的。但從長周期應(yīng)用需求來看，增材制造工裝的加工材料、加工參數(shù)、產(chǎn)品保存等方面，仍然有待于進(jìn)一步的研究。綜上，在以臨時(shí)問題為導(dǎo)向的場景下，為適配各種不同的、隨機(jī)發(fā)生的定位問題，利用增材制造技術(shù)加工工裝是一個(gè)值得考慮的、有競爭力方案。

（二）增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的展望

美國GE公司首個(gè)使用SLM成形且通過 FAA認(rèn)證的金屬零部件是T25傳感器殼體，該零件在2015年實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用，目前已被安裝在超過400臺(tái)的GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)中。同年，GE公司采用增材制造技術(shù)進(jìn)行全新渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP）的研發(fā)，該款發(fā)動(dòng)機(jī)中約35%的部件（如燃燒室、動(dòng)力齒輪箱等）由增材制造技術(shù)完成，零件總數(shù)由原來的855個(gè)減少至12個(gè)。可以發(fā)現(xiàn)，除去非金屬塑性材料，航空領(lǐng)域已經(jīng)開始大踏步地探索金屬材料增材制造的應(yīng)用模式。但同時(shí)，增材制造技術(shù)也面臨著許多問題，例如：大批量的增材制造零件批次穩(wěn)定性控制能力有所不足;還有由于成形過程快速熔化和凝固以及熱循環(huán)等特點(diǎn)使得組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在各向異性，傳統(tǒng)的熱處理工藝制度不再完全適用于增材制造等[1]25-27?？傮w來說，盡管增材制造在航空，乃至整個(gè)制造領(lǐng)域深入應(yīng)用的路途中仍有許多曲折，但這項(xiàng)技術(shù)也有著可預(yù)見的光明未來。