详解3D打印在航空制造中的优点与局限

国际金属加工网 2018年02月06日

3D打印技术是在上世纪70年代末期开始出现,主要应用于产品研制阶段的“快速原型”和生产阶段的“快速制造”。3D打印技术与曾经应用于工业生产的堆焊工艺方法相似,之所以称为3D打印,就是在成型工艺上采用CAD和计算机3D模型数据,将两维基材通过不同融合方式组合成三维结构。用在航空生产上的工艺方法主要有激光近净成形技术(LENS)、激光选区熔化技术(SLM)及电子束选区熔化技术(EBSM)。

△世界上第一架采用喷气动力的3D打印无人机

3D打印复杂框类结构毛坯的减重效果比较明显,如F-22最大面积锻造结构框的毛坯重量为2790千克,毛坯加工后的净重量只有144千克,材料去除比例达到了95%!如果按照已经能够验证的工艺要求制造盘形复杂结构零件,锻造工艺无法直接制成细节结构,材料利用率只有毛坯重量的约10%。铸造则可以完成部分细节的粗略成型,毛坯实际利用率可达到总重量的20%~25%。3D打印可以直接制成与成品接近的外形,考虑到外表加工工艺和材料品质要求,成品零件可以达到毛坯总重的60%~70%,材料利用率和机加工效率都有很大提高。

相对的,铸造成型模具的再利用效果比较好,成品芯型能进行批量毛坯的制造。锻造的锻压模具成本虽然很高,工艺设备标准要求也高,但锻造也有利于进行批次生产毛坯的成型。3D打印采用增材制造的工艺手段,无论只制造1个还是批制造100个,单件的生产时间和成本均没有任何差异,零件的成型工艺要求和品质控制则更为严格。

3D打印与其它制坯方式的对比

现阶段3D打印技术的航空应用主 要集中在金属结构,以坯材成型加工难度大的钛合金和合金钢为主,加工难度低的铝材则更适合采用锻铸方式成型。3D打印航空零件的应用已比较广泛。国外用于F-22的3D成型TC4接头已经达到2倍设计疲劳寿命,F/A-18的翼根吊架结构强度达到设计要求的225%,疲劳寿命也达到4倍设计要求,C-17等型号的进气道附件也都开始批量应用3D打印,部分3D打印件已能在现有机型制造中替代钣金和精铸件。

中国在航空3D打印方面取得了很大的成绩,已有多个型号应用3D打印的承力结构,达到了缩短制造周期和简化工艺的效果,对产品减重的作用也比较明显,宣传资料中甚至有过减重40%的说法。国内很多军迷仅根据这个40%和类似说法,就对航空结构减重抱有很大希望,而这个40%虽然理论上存在可能,但要受到非常严格的条件和应用限制。

SLM制成品的尺寸精度较高,但成型体结构密度控制效果不好,难以承受高载荷的结构效应,承力结构的3D打印主要采用的是LENS。按照已经公开的3D打印整体框架坯材外形对比,3D打印件毛坯重量大致只有锻造的15%,这是3D打印的技术优势,但坯材减重比并不代表最终制成品的重量对比。飞机的整体结构框架的设计要考虑到轻巧、坚固,以及工艺和成品机械/理化性能的一致性,结构设计必须严格满足标准化的要求,不同机型类似结构的设计并没有大的差异。

展览上公开的3D打印承力框架制成品,结构设计与锻造框架并没有任何差别,区别仅体现在毛坯成型的工艺方式。3D打印的LENS和SLM工艺均已比较成熟,无论是采用激光还是电子束作为能量源,无论是使用粉材还是丝材作为基材,材料本身的理化条件并不会因为加工方式不同而变化。按现有技术,近净成型烧结的材料理论密度比锻造低近1%,选区熔化方式成型的粉末材质密度相对较小,与锻造件的密度差别也在3%以内,工艺实现条件越好材料密度差异就越小。

无论采用什么样的3D成型方式,同样零件的材料性能如果没有大的差别,零件的制成品重量就不会存在明显的差别。所以说,3D打印坯材加工方式取得的减重效应非常有限,考虑到目前3D打印的材料性能还不够完善,相比成熟的锻造结构容限保险设计更多,同样设计结构件的净重甚至还要重些。

按照已公开的数据看,3D打印钛合金零件的成品件,抗拉强度和硬度已达到锻件的标准,但疲劳寿命和裂纹容限受工艺影响较大,未来相当时间里还缺乏全面替代锻造的条件。美国飞机制造中大量应用整体锻造框架,对高风险的3D打印的应用不够积极,就是考虑到了制成品寿命和质量控制困难的因素。中国在新机制造上应用3D打印承力结构的同时,还投入很大资金和技术力量开发大型锻压机,也是因3D打印无法解决大型制造成品的批生产要求。3D打印与锻/铸造各有优势,只要航空设计和生产体系还基于传统工业技术,锻/铸和轧压仍将是主要工艺成型手段,3D打印的结构减重效应就很难得到体现。

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。

△3D打印无人机的机翼结构特写

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。

3D打印的应用限制

3D打印能够有效提高航空产品的工艺和制造水平,通过结构减重改善航空器性能的潜力也很大,但实际应用所 面对的技术局限也非常明显,直接限制了3D打印在航空制造领域的应用范围。3D打印的一体化制造能够取得减重效应,那把飞机的大部件都用3D打出来不行吗?飞机大部件全3D打印的技术难度并不算大,目前国外已实现长度超过5米,直径1.2米矩形框的3D整体成型,将飞机前机身的框架一体化制造,在加工工艺方面是没有问题的。理论上只要结构材料相同,大部件整体打印并没有什么难度,选区熔化成型件的表面粗糙度比较高,基本能满足替代钣金组合件的工艺要求。问题是现在的飞机结 构并不仅是要满足尺寸要求,而是要满足飞机使用和维护的各方面需要。

现代作战飞机的机载设备分布全机,飞行控制、燃料和电源系统的导管与线缆同样分布广泛。遍布全机的设备和管线需要频繁维护,这就要求飞机表面必须开有对应的检查口盖,先进战斗机的表面开口率甚至可以超过60%。设备检查开口需要内部结构避让,机体结构还要留出故障件更换所需的操作空间。如果机体结构的大部件实现一体化,内部成品设备和导管等无法分解的部件,将很难利用外场维护条件实现无损更新。

如果把内部设备分解化装配,成品与导管增加的接头和组合件,又会在很大程度上消耗掉结构整体化的收益,增加外场维修和检查难度将恶化飞机的完好率,也不利于军用飞机随使用过程进行改装完善。现代军用飞机的改进很频繁,如美国海军已退役的F-14舰载战斗机,各种设备和结构随飞机生产过程调整,最终几乎不存在两架结构和成品完全一致的飞机。如果实现3D打印大部件直接替代组合件,现在的很多改进措施事实上将无法应用,或在改进中必须对结构进行大范围更换,时间与资金的消耗直接限制了飞机改造的效费比。

事实上,越是功能和设备简单的飞机越容易实现一体化,越是设备和功能要求复杂的飞机,对结构可拓展性和包容性的要求就越高,采用大规格一体化结构的难度和全寿命成本就越大。维护难度是限制大规格一体化结构的难点,飞机本身的使用特点更影响到整体结构的应用范围。 现代喷气战斗机的飞行速度可达到M1.5,地面停放时的低温可达到-50℃,飞行时也存在结冰等低温环境的影响,但驻点温度在高速飞行时甚至要超过百度,M2以上速度的驻点温度甚至可以达到200℃,机体外表和结构还要承受高速飞行的速压。

同时,飞机内部设备舱和管线需要进行温度和压力控制,发动机段存在高温区,均使机体结构和蒙皮要反复承受高/低温和压力变换的影响。金属材料在飞机使用过程中,不同材料和结构存在不同的膨胀系数,不同使用环境将对结构产生多种状态的应力。整体固定结构势必集中承受这些应力作用,大规格整体结构很难平衡各种因素的影响,很容易因为应力集中和传导产生破损和裂纹,结构损坏将主要集中在零件的折角和孔位。组合件虽然在加工和使用中存在问题,但组合件本身就是个分解应力的分散结构,更容易承受飞机使用的恶劣环境要求,出现结构变形和裂纹时也方便更换破损零件,这也是3D打印大部件难以替代的技术优势。

3D打印大部件的应用前景

3D打印可以支持航空设计师实现梦寐以求的组合件最大化,以及最小化装配量的高经济性目标。通过3D打印技术制造整体零件,有条件把维护和结构允许的部分一体化,大幅度减少因为 零件数量和装配工艺所产生的重量,使飞机设计和装配的难度明显得到降低。国内外现阶段3D打印的应用范围还不大,主要集中在复杂零件的快速原型和小批制造,但以铸造件对航空装备减重的效果作为依据,只要突破了设计和应用方面的几个关键点,3D打印一体化应用的发展将是必然的趋势。

△3D打印的飞机零件

随着3D打印技术应用成熟度的提高,也将出现相应的工艺和制造规范。3D打印只要突破整体大部件材料堆积速度和制成品质量/寿命控制的难关,将会首先在大型民用和军用特种飞机(普遍采用民用飞机作为平台)制造中得到应用。民用大飞机的优点是结构尺寸大,机体开口比例低,飞机交付后一般不会进行大的结构改动,适合3D打印一体化大部件的应用。按照空客公司的设想,未来的民用飞机可以利用3D打印的方式,采用“鸟巢”式网格结构整体成型机体,用透明件填充框架,让民用客机拥有“花房”式全景布局的机体,最大化发挥3D打印所带来的性能和使用优势。

国外已经制造出全3D打印的无人机的机体和发动机,实现用3D打印生产小型化、低维护要求航空产品的目标。按照国外航空企业的远景规划,到2050年就有实现飞机整体结构3D打印成型的可能,届时将会出现由3D打印大部件组成的实用型民用中、大型航空器。

3D打印实际应用的成本和成熟性

3D打印可降低毛坯件重量和减少机加工时间,能提高生产速度和降低成本,但这只是比较零件的后期加工费用,而没有考虑到全生产周期的综合成本。3D打印需要精细度很高的粉材作 为基材。高精细度和高纯度的粉材,制 造工艺和单位重量成本远高于金属坯材基料。普通的民用塑料件每千克成本不 过几十元,可用于3D打印的同材料粉材 每千克成本上百元,进口高品质粉材的成本可达几百元,航空用金属材料的坯、粉材料成本差异也大体相似。

事实上,3D打印的基材本身就要对原坯进行专门的加工,使冶炼坯料成为可用于烧结的高纯度粉材,而宣传3D打印时却很少考虑这方面的生产周期和成本。严格说起来,常规锻件由铸造的坯材轧压成型后加工,与先制成粉材后再通过烧结方式3D成型后加工,综合成本必须统计整个生产周期的成本,而不是仅去对比毛坯件成型和机加工周期成本。

3D打印航空零件虽然已经实际应用了十几年,但作为关键件使用的历史并不长,没有哪个型号真正完成了全寿命实际使用的验证。3D打印零件的试验数据确实比较理想,但与经过上百年传承的常规工艺相比,3D打印存在有很多还不够清晰的应用问题,需要经过长时间使用才能够积累足够的数据。3D打印减重最直接的措施就是实现结构一体化,而没有得到完整的设计体系支持的一体化,仅能在生产制造阶段发挥直接作用,在周期最长的使用阶段的经济效益却缺乏验证,而且存在比常规工艺更大的质量控制风险。3D打印零件需要长时间使用才能积累应用数据,目前设计师和使用者都不敢放开3D打印的应用范围。

△3D打印的微型航空发动机进行测试

3D打印能适应复杂的结构设计,工艺实现难度比铸/锻要低。但是,3D打印单件与批量的生产消耗没有差异,相比之下,锻/铸生产制造出模具就可以重复制造,批生产消耗明显低于首件。因此,达到批生产效益平衡点的可以利用3D制造,否则还是应采用常规方式。现代军机的正常生产周期在1年左右,飞机寿命却能达到30年,结构寿命也有近万飞行小时,这个期间所面对的问题远比生产周期更多,也更复杂。

3D打印用于设计验证与原型机的快速制造时,短周期和低成本的优势明显,如果把3D打印零件广泛用于批生产型号,带来的缩短生产周期和降低成本的收益是否能平衡全寿命周期内的风险还是问号。3D打印是足以影响航空设计和制造的前沿技术,但这种技术真正融合到航空工艺体系中,所需要的时间和应用研究还远非现在的规模所能企及。


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