中國(guó)商飛：3D打印助力制造翼展6米、僅20余公斤靈雀H驗(yàn)證機(jī)

來(lái)源：3D打印技術(shù)參考

未來(lái)的飛機(jī)是什么樣子？采用什么結(jié)構(gòu)、材料，動(dòng)力來(lái)源如何？為了驗(yàn)證“大飛機(jī)”上的技術(shù)，通常會(huì)采用“小飛機(jī)”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只有經(jīng)驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證過(guò)的技術(shù)，才能安全地應(yīng)用于其他飛機(jī)上。因此，稱驗(yàn)證機(jī)為技術(shù)先驅(qū)毫不為過(guò)�；�于此，中國(guó)商飛“靈雀”項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

中國(guó)商飛下屬的北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，便是專門(mén)開(kāi)展未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)、研發(fā)與驗(yàn)證的機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是研究未來(lái)30年以后的民機(jī)。據(jù)筆者了解，該中心承擔(dān)的靈雀H驗(yàn)證機(jī)大量采用了3D打印技術(shù)，本期，3D打印技術(shù)參考就帶來(lái)該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中在使用3D打印技術(shù)時(shí)遇到的困難與挑戰(zhàn)。

▌靈雀H—次承力部件和起落架艙均采用先進(jìn)3D打印技術(shù)

“靈雀H”驗(yàn)證機(jī)翼展6米，創(chuàng)新性采用氫燃料電混合動(dòng)力技術(shù)，旨在驗(yàn)證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動(dòng)力技術(shù)在飛機(jī)上使用�！办`雀H”驗(yàn)證機(jī)機(jī)身大量運(yùn)用復(fù)合材料，次承力部件和起落架艙均采用了先進(jìn)的3D打印技術(shù)。

● 材料工藝：尼龍玻纖，SLS
● 打印部件：主要為機(jī)頭、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、起落架艙

這些部件都有同樣的特點(diǎn)，即外部是復(fù)雜的曲面，內(nèi)部有大量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，非常復(fù)雜且難加工。采用傳統(tǒng)的玻璃纖維復(fù)合材料，需要制造模具，成本高、周期長(zhǎng)。而且有可能零件變形過(guò)大，造成超差，裝配困難。采用3D打印工藝，可以一次成型整個(gè)部段，無(wú)需開(kāi)模，成本低、周期短，無(wú)需裝配，還減輕了結(jié)構(gòu)重量。

▌面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

若采用3D打印直接制造傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)零部件，則無(wú)法充分發(fā)揮3D打印的優(yōu)勢(shì)，甚至可能放大該技術(shù)的局限性。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在充分認(rèn)識(shí)了3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和局限性之后，在滿足結(jié)構(gòu)功能、性能、重量等的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了飛機(jī)系統(tǒng)部件的集成化和輕量化設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，也遇到了一些挑戰(zhàn)：

1、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)：不僅要考慮到飛機(jī)系統(tǒng)的布置、載荷工況、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還要考慮3D打印的工藝約束，對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)有一定難度。

2、輕量化設(shè)計(jì)：為了減輕每一克重量，都做了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，包括拓?fù)鋬?yōu)化、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、尺寸優(yōu)化等等。

3、活動(dòng)面設(shè)計(jì)：起落架艙門(mén)在飛機(jī)起降過(guò)程中要打開(kāi)或關(guān)閉，SLS雖然可以打印活動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于精度、間隙、變形等問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)仍然做了大量試驗(yàn)后才找到最佳方案。

3D打印的靈雀H驗(yàn)證機(jī)機(jī)頭

根據(jù)3D打印技術(shù)參考對(duì)比其他應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程以及筆者自身的經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)論，任何設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中，不僅僅要考慮結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，更要考慮工藝問(wèn)題。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)只有詳細(xì)了解具體的3D打印工藝，設(shè)置合理的設(shè)計(jì)約束，才能實(shí)現(xiàn)部件既能做的出來(lái)，又能實(shí)現(xiàn)功能性。

3D打印的鉸鏈的測(cè)試件

靈雀H活動(dòng)結(jié)構(gòu)件的間隙設(shè)置最能體現(xiàn)這一要求，如果活動(dòng)間隙設(shè)計(jì)的太大，兩個(gè)結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，不利于活動(dòng)面的精度控制；如果活動(dòng)間隙設(shè)計(jì)的太小，那么活動(dòng)阻力就會(huì)特別大，甚至在打印的過(guò)程中粉末會(huì)被燒結(jié)到一起，根本無(wú)法活動(dòng)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)因此做了幾十組不同間隙的試驗(yàn)件，最終才找到最佳的間隙設(shè)計(jì)值。

靈雀H整體打印的活動(dòng)結(jié)構(gòu)

在材料方面，經(jīng)過(guò)玻璃纖維增強(qiáng)的尼龍，其機(jī)械強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和耐熱性能都會(huì)有顯著的提高，尤其具有良好的耐摩擦性和耐耗性。玻璃纖維的加入也會(huì)提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，從而可以制備出功能復(fù)合材料。

▌3D打印為飛機(jī)減重，加速迭代改進(jìn)
2019年1月-3月，“靈雀H”新能源驗(yàn)證機(jī)開(kāi)展了4個(gè)構(gòu)型10架次的試飛任務(wù)，充分驗(yàn)證了氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，標(biāo)志著中國(guó)商飛未來(lái)民機(jī)在新能源領(lǐng)域的探索取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

在本項(xiàng)目中，驗(yàn)證機(jī)機(jī)頭、發(fā)動(dòng)機(jī)、短艙等復(fù)雜機(jī)構(gòu)件均通過(guò)3D打印技術(shù)制造，飛機(jī)總重不足30公斤，復(fù)合材料和3D打印技術(shù)的使用顯著降低了飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量和部件數(shù)量；同時(shí)基于快速制造的特點(diǎn)，從立項(xiàng)到首飛，僅用了5個(gè)月時(shí)間。經(jīng)過(guò)快速迭代改進(jìn)，“靈雀H”驗(yàn)證機(jī)航時(shí)超過(guò)24小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了向飛機(jī)減重和工程應(yīng)用的方向發(fā)展。