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全球3D打印技术在航空领域中的应用前景分析

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  基于制造技术突破的减重措施


  按照减重标准对比,3D打印的密度与锻造的差异不到1%,而要实现避免缺陷和改善材料性能的目标,密度差异其实是越小越好。按照实际生产条件去对比,某简单框架的成品重量如果接近300千克,模锻件毛坯重量大致在2700千克左右,3D打印的框架毛坯重量可以降低到接近500千克,但成品重量与锻造的理论区别还不到1千克,仅比整体机械加工的尺寸误差换算值略大。所以说,从成品重量这个最终指标去对比,3D打印减重效果几乎可以忽略不计。


  那么宣传资料中减重40%的说法是怎么来的?这要从飞机结构工艺去说明。现代航空制造的金属成品结构越复杂加工难度就越高,很多组合曲面结构还必须依靠数控设备加工。第三代之后的先进战斗机采用翼身融合气动设计,很大程度上改善了飞机的结构强度和设计性能。这种设计其实在上世纪30年代就已经存在,但在喷气战斗机应用前期没使用。融合体结构框架存在大量连续曲面,制造这些曲面的工艺难度非常大,角度控制和表面连续性加工工艺要求高,很难依靠普通机加工设备成批制造。数控设备在上世纪70年代大量应用后,三轴数控机床成为曲面加工的手段,飞机也就开始更多利用结构曲面改善气动设计。


  连续曲面变角度结构势必会产生半封闭空间。设计师在设计机体结构时必须考虑到可加工因素,半封闭或封闭复杂结构难以整体成型加工,必须分解成多个独立的可加工零件,采用组合件的方式满足结构外形与工艺的要求。组合件的问题是每个零件都必须满足独立强度要求,结构件和桁条等结构也要保证独立承力的厚度。采用铆接和螺接组合零件时,标准件紧固位置的孔强度还必须高于零件强度。如果要用螺栓固定某根壁厚2毫米的L型型材,每个螺栓孔位置的厚度要超过平均厚度,如果采用铆钉则需要平均分布多个铆钉孔。


  组合件组合要求增加了零件的结构重量,组合用标准件也增加了整体重量,对于某些小型的复杂轻金属结构,组合用标准件的重量甚至比零件本身的重量还要高。如果能够通过工艺手段直接成型组合件,一体化结构将实现明显的减重效果。


  如两个组合件的对合壁板厚度均为2毫米,将其一体成型后的整体壁板只需要不到3毫米,取消铆钉施工要求又可以明显降低重量。美国在F-16战斗机改进设计中,曾经在前机身结构改进中应用精密铸造件,用整体铝合金铸件替代铆接组合件,使替代总重量超过11千克的组合件的精铸件重量降低到4.7千克。利用复合材料替代金属材料时,虽然复合材料壁板的单体结构重量比铝合金高,但用桁条胶接为整体结构的复合材料壁板,却能够取消组合件的独立桁条和固定铆钉,总重量反而比组合金属结构降低了接近30%。

  3D打印直接体现的减重优势主要就是打印出复杂的封闭/半封闭零件,直接取代由多个零件组成的组合件,零件重量可以大幅度降低,固定零件的铆钉和螺栓的数量也可以减少,这才是3D打印减重最直接的应用方式。


  飞机结构一体化减重是效果最明显的措施。航空系统很早就在争取实现结构件一体化,尤其是复合材料应用到航空结构件后,曲面加筋壁板这种整体结构相比金属组合件,已经表现出很突出的减重和降低零件数量的优势。复合材料工艺水平发展很快,现在已经出现全复合材料的飞机,但复合材料不仅存在成本高和工艺难度大的问题,大部件制造还存在维护和维修难度高的使用困难,限制了复合材料在飞机结构大部件方面的应用范围。现代复合材料还无法取代结构件的金属材料,3D打印则通过高度灵活的成型手段,有利于实现金属和多种金属/非金属组合结构的一体化,与复合材料共同组成航空轻重量结构。


  3D打印不仅在结构制造上可以发挥减重作用,也有利于成品安装和系统布局的减重和改进。机载成品安装支架或运动装置的支撑结构复杂,又不是承力结构,很适合采用3D打印方式制造。如果把现在普遍采用的组合件用3D整体件替代,利用高尺寸精度的选区熔化方式一体成型,将有利于提高结构一致性和装卸更新的方便性。


  飞机的各种液体和气体导管种类很多,分布广泛,管道走向还要避开结构件和成品,没有办法在飞机内部设置长距离的直管。机载液、气管线存在很多弯曲度大的转角,为保证管道弯曲时的机械性能,必须在大的转角位置采用转向接头,消除因为小半径弯管产生的应力集中,这就使管线敷设中需要使用很多工艺接头。如果能够在保证安装和更换方便性的同时,3D打印出整体弯管替代传统的机械弯管、扩口和接头固定,将在保证管道弯曲尺寸要求的同时,降低管线的零件数量,提高机械性能。取消接头还能减少渗漏检查和维护的接口数量,一体成形的光滑内壁还可以优化管道内部液体和气体流动效果。


  3D打印对复合材料的支持


  3D打印不仅可以用于金属和非金属材料,还能够用于碳纤维这类复合材料的制造。


  现代航空复合材料主要采用丝材铺、绕和树脂固化。复合材料丝材采用铺带方式叠层制造成型,使复合材料大都呈现平均厚度的平面结构,组合件则采用粘接或标准件固定的方式。如果将3D打印技术应用于复合材料制造,将丝材的铺叠和树脂填充由平面向立体发展,能够使复合材料复杂结构件一体成型,省去零件粘接和共固化的后续工艺过程,降低复合材料整体部件的制造周期,并避免组合加工过程控制中可能出现的工艺缺陷。3D打印可以制造出立体网格形的复杂结构,每个网格的空间尺寸可以达到高度一致,虽然网格结构并不适合独立作为航空部件,但却可以成为航空复合结构件的基材。 


  网格结构基材与复合材料纤维组合,利用树脂固化/烧结金属/陶瓷与复合材料,能较好兼顾强度、曲面外形和安装组合的要求。高性能航空发动机全复合材料叶片与金属叶盘组合时,不同的材料机械、热性能对工艺要求很高,设计和施工难度也很大。如果用3D打印技术将金属基材料与复合材料组合制成叶片,金属的叶根与盘体材料性能一致,能明显降低发动机叶盘的组装难度,也有利于在发动机改进中直接替代全金属叶片,为发动机整体减重提供非常大的改进空间。


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(来源:南极熊)
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