增材制造技术在航空制造上的应用

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1、增材制造技术在航空制造上的应用增材制造(AdditiveManufacturing,AM)技术是采用材料逐渐累加的丿j法制造实体冬件的技术，相对于传统的材料去除一切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。近二-1•年来，AM技术取得了快速的发展，"快速原型制造(RapidPrototyping)”、"三维打印(3DPrinting)”、“实体口由制iu(SolidFree-formFabrication)vZ类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。AM技术不需要传统的22县和夹具以及多道加工工序

2、，在一台设备上可快速粕密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自山制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而＞1•产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。航空器生产是一个复杂的设计制造系统，其中各种零部件多达数万个，设计与制造过程相互交错，制造速度响应性宜接制约飞机的研制和牛产周期。AM技术宜接由CAD数据制成三维实体，使成本下降为数控加工的1/3〜2/5,周期缩短为1/5〜1/10o它能够适应复朵结构和单件或小批量产品的制造，是目前国际航空制造技术的一个发展方

3、向。国外发展状况目前，通过将AM的原理与不同的材料和工艺和结合已形成了20多种AM设备，这一•技术被广泛应用于各个领域，如消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等领。美国Wohlers协会统计，在快速成型技术应用的产业领域中，航空航天领域应用从2003年的7%增加到了2011年的9.9%。该领域应用最为广泛的是航空零部件的快速制造，包括快速精铸技术、金属直接制造零部件、风洞模型的制造。这些技术可以有效提高飞机设计与制造速度，促进航空航天新产甜的研发。国外丄要的航空企业都在应用AM技术

4、研制新型航空器。例如，美国军川和商川航空发动机制造商Sundstrand公司使用AM技术为一个新型燃气轮发动机的进风口外壳(高250mm、直径为300mm、壁厚仅1.5mm)制作原型(图1),节省了4个多月的加工制造时间和超过8.8万美元的费用。美国波咅公司用快速成型技术制造飞机的一些复杂结构体，如用光固化原型铸造的驾驶员座舱系统和隔扇控制阀。空客公司在一些非关键零部件上采川了AM技术来制造，包括A380飞机上的零部件。在复杂的航空零部件设计方面也有非常多的用途，例如在设计航空发动机涡轮叶片时，使用快速成

5、型技术制造叶片，评价气膜孔的冷却效果。金属直接制造是一个主要的发展趋势，国外在这方面开展了大量的研究工作，在航空零部件制作上取得了很好的应用。徳国弗劳恩霍夫激光技术学会于2010年4月报道，航空发动机引擎中的叶片可以用激光直接制造技术快速制造Inconel718银基高温合金叶片。未来更进一步的发展是“控形控性一•体化”发展，即在制造外形的同时，控制组织尺寸和方向，以获得性能良好的纽织。2009年POM公司与密歇根大学联合报道可以用直接金属成形工艺來制造涡轮叶片，提出了一种在工艺中控制叶片组织的方法，该系统

6、利川感应线圈加热成形过程中的叶片，控制叶片各部位温度梯度，以获得定向晶组织。美国空军研究实验室利用AM技术制造了全树脂的E-8C预警机全机刚性模型。该研究小组利用快速成型技术在加工上的灵活性，制造了有/无雷达整流罩、有/无尾舵偏角、有/无翼稍小翼的系列模型，同时AM技术良好的制造粘度也保证了系列模型之间的实验数据对比性,通过该系列模型的风洞实验数据，为后续的研究提供了基准数据，将快速成型技术应用到了熨号飞机的研制中。研究表明，利用快速成型技术制造的风洞模型可满足飞行器预研阶段的实验要求，从而加快飞行器研制

7、进度。美国波音公司Aero/Noise/Propulsion实验宗将AM作为提扁风洞试验效率、降低成木的两项革命性技术之一。该实验室主要通过金属选区烧结（SLS）工艺、塑料快速成型零件金属镀膜工艺、直接金属熔融工艺加工制造风洞模型，该实验室称快速成型工艺代替传统加工手段能够将模型的制造成本降低1个数量级，周期缩短3倍，将设计人员从烦琐的模型加工中解放出来，提高该实验室的工作效率。意大利PolitenicoDitorino的G.Romeo、美国Clarkson大学的P.Marzocca和美国Alabama大

8、学的HlhanTuzcu等人，用光固化快速成型技术制造了大展弦比弹性机翼的外壳，供低速颤振实验使用。国内发展状况大型整体钛合金关键结构件成形制造技术被国内外公认为是对飞机工业装备研制与牛产具有重要影响的核心关键制造技术Z—。西北工大凝固技术国家重点实验室已经建立了系列激光熔覆成形与修复装备，可满足人型机械装备的大型零件及难拆卸零件的原位修复和再制造。应用该技术实现了C919飞机大型钛合金零件激光立体成形制造。目前民用飞机越来越