《增材制造技术在飞机装配过程中的一种应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《增材制造技术在飞机装配过程中的一种应用（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、姜乃乾溥光星张颂亚【关键词】航空制造;增材制造;工装一、绪论（一）研究背景增材制造技术诞生于80 年代，现在已经广泛应用在人们生活的各个领域中。例如医疗领域，3D打印颈椎已经帮助人类突破了骨骼重建的难 关，而生活中，3D打印的工艺品、服装，鞋等更是层出不穷。而这项技 术在深入工业领域的过程中，也展现了非凡的潜力。在被誉为工业王冠上 的“明珠”的飞机制造领域，对于增材制造技术应用的研究也是方兴未艾 3D 打印制作的零件可以满足很多常规机械加工方式难以达成的零件特征， 例如空腔。同时， 3D 打印制造可以将原本分割开的零件制作成一个整体， 大幅减少抗剪紧固件的使用。（二）研究现状国内方面，一些大型
2、民用飞机均已在制造过程中采用了增材制造技术 其中，C919型飞机机翼上下缘条钛合金构件就是使用SLS （选择性激光烧 结）加工方式，同时，已经有企业实践了利用LMD （激光融化沉积）修复 的航空发动机轴承后机匣的技术126。国外方面，我们可以了解到增材制造技术已经深入地应用在了工业领 域。以3D打印汽车为例，从制造业的视角来看，这辆由美国LocalMotors公司设计制造、名叫“Strati”的小型两座车，除轮胎和发 动机外，全车仅由 40 个零件构成，成本约 11 万元。二、增材制造方案的选择（一）增材制造的分类 增材制造的分类可以通过受加工材料和加工方式加以分别。其中，熔 融沉积加工（FD
3、M）是最常见、最具经济性的制造方式，选择性激光烧结（SLS ）则是加工有强度要求金属件的首选方式。就FDM技术加工而言，主要的已经可以成熟应用的材料包含ABS树脂 （丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PLA树脂（聚乳酸）和TPU橡胶（热 塑性聚氨酯弹性体）等。（二）本文研究的方向本文的研究方向是使用FDM技术，利用桌面级3D打印机加工ABS树 脂，快速制造形状不规则的定位工艺装备。三、增材制造工装的模拟、制造与分析（一）模拟问题的描述本文选取的问题是在一处不开敞的空间区域，要求利用已有的不规则 平面，定位两处螺纹连接点，此两处螺纹连接点方向不共线，角度不规则 定位点的空间位置公差赢不多于 0.5
4、mm。（二）模拟问题的解决方案经三维建模，本文规划了一件工艺装备定位板，如图 1。该定位板利用下表面（内部镂空）贴合不规则的定位平面，左上部的 两处模拟螺纹接口作为已定位、待装配的螺纹连接点，定位板壁厚 3mm。 该定位板经3D装配仿真模拟，可以满足模拟问题的要求。三）解决方案的检验校核该方案中所使用的ABS树脂，经查阅，其弹性模量为2X103MPa，拉 伸屈服强度为30MPa，密度为1.02X103kg/m3，泊松比为0.394。方案模 擬的加载载荷为50N，作用于定位板左上的螺纹连接点，竖直向下。最终 应力分析结果如图2，最大vonMises应力为0.65MPa;最终形变分析结果 如图5，
5、最大变形量5X10-4mm。可见，定位工装的应力和形变量均远远 小于其材料极限，因此可以认为该方案在使用过程中不存在被破坏或因形 变导致定位超差的风险。（四）解决方案的加工能力测验本方案的模拟过程中所采用的一般的桌面级FDM式3D打印机，可以 保证XY方向加工精度为0.1mm, Z轴方向精度0.05mm，打印速度超过 40mm/s。实际加工时长32小时（含设备冷却降温时间）。四、增材制造工装方案的结果评估（一）增材制造工装的即时使用状况评估该方案制造的增材制造工装，经检测与试用，可以比较完美地解决所 提出的模拟问题，定位面贴合良好，螺纹连接点可顺畅无应力连接，精度 合格。工装在制造过程中，多次
6、因制造设备喷头温度过高而需定期停机冷 却，但就综合加工制造时间而言，仍然远远优于传统的金属机械加工方案（二）增材制造工装的长期使用状况评估该方案制造的增材制造工装，在一定湿度条件（75%）下经历30天的 常温（25C）保管后，出现了因树脂老化而导致的工装变色、变脆的现 象。五、增材制造工装方案的结论与展望（一）增材制造工装方案的结论经过以上的理论与实际应用分析，本文得出结论：首先，利用一般桌 面级FDM增材制造打印机加工的ABS树脂工装，从工装本身力学特性和加 工周期的角度考虑，是可以满足一般的不规则复杂场景下的一定精度定位 问题的要求的。但从长周期应用需求来看，增材制造工装的加工材料、加 工
7、参数、产品保存等方面，仍然有待于进一步的研究。综上，在以临时问 题为导向的场景下，为适配各种不同的、随机发生的定位问题，利用增材 制造技术加工工装是一个值得考虑的、有竞争力方案。（二）增材制造技术在航空领域应用的展望美国GE公司首个使用SLM成形且通过FAA认证的金属零部件是T25 传感器壳体，该零件在2022年实现装机应用，目前已被安装在超过400 台的GE90-94B发动机中。同年，GE公司采用增材制造技术进行全新涡轮 螺旋桨发动机（ATP）的研发，该款发动机中约35%的部件（如燃烧室、 动力齿轮箱等）由增材制造技术完成，零件总数由原来的 855 个减少至 12 个。可以发现，除去非金属塑性材料，航空领域已经开始大踏步地探 索金属材料增材制造的应用模式。但同时，增材制造技术也面临着许多问 题，例如：大批量的增材制造零件批次稳定性控制能力有所不足;还有由 于成形过程快速熔化和凝固以及热循环等特点使得组织结构复杂，存在各 向异性，传统的热处理工艺制度不再完全适用于增材制造等125-27。总 体来说，尽管增材制造在航空，乃至整个制造领域深入应用的路途中仍有 许多曲折，但这项技术也有着可预见的光明未来。
