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中国商飞:3D打印助力制造翼展6米、仅20余公斤灵雀H验证机

2019年09月11日

    未来的飞机是什么样子?采用什么结构、材料,动力来源如何?为了验证“大飞机”上的技术,通常会采用“小飞机”进行实验,只有经验证机验证过的技术,才能安全地应用于其他飞机上。因此,称验证机为技术先驱毫不为过。基于此,中国商飞“灵雀”项目应运而生。

    中国商飞下属的北京民用飞机技术研究中心,便是专门开展未来飞机设计、研发与验证的机构,简单的说,就是研究未来30年以后的民机。据笔者了解,该中心承担的灵雀H验证机大量采用了3D打印技术,本期,3D打印技术参考就带来该项目实施过程中在使用3D打印技术时遇到的困难与挑战。

    ▌灵雀H—次承力部件和起落架舱均采用先进3D打印技术

    “灵雀H”验证机翼展6米,创新性采用氢燃料电混合动力技术,旨在验证以氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力技术在飞机上使用。“灵雀H”验证机机身大量运用复合材料,次承力部件和起落架舱均采用了先进的3D打印技术。

     材料工艺:尼龙玻纤,SLS

     打印部件:主要为机头、发动机短舱、起落架舱

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    这些部件都有同样的特点,即外部是复杂的曲面,内部有大量的系统结构,非常复杂且难加工。采用传统的玻璃纤维复合材料,需要制造模具,成本高、周期长。而且有可能零件变形过大,造成超差,装配困难。采用3D打印工艺,可以一次成型整个部段,无需开模,成本低、周期短,无需装配,还减轻了结构重量。

    ▌面临的挑战与应对策略

    若采用3D打印直接制造传统结构零部件,则无法充分发挥3D打印的优势,甚至可能放大该技术的局限性。项目团队在充分认识了3D打印技术的特点和局限性之后,在满足结构功能、性能、重量等的基础上,开展了飞机系统部件的集成化和轻量化设计。在项目实施的过程中,也遇到了一些挑战:

1、结构一体化设计:不仅要考虑到飞机系统的布置、载荷工况、结构强度,还要考虑3D打印的工艺约束,对于设计来说有一定难度。

2、轻量化设计:为了减轻每一克重量,都做了大量的优化设计工作,包括拓扑优化、点阵结构、尺寸优化等等。

3、活动面设计:起落架舱门在飞机起降过程中要打开或关闭,SLS虽然可以打印活动结构,但是对于精度、间隙、变形等问题,研发团队仍然做了大量试验后才找到最佳方案。

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3D打印的灵雀H验证机机头

    根据3D打印技术参考对比其他应用开发过程以及笔者自身的经验得出结论,任何设计团队在进行结构优化的过程中,不仅仅要考虑结构的问题,更要考虑工艺问题。设计团队只有详细了解具体的3D打印工艺,设置合理的设计约束,才能实现部件既能做的出来,又能实现功能性。

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3D打印的铰链的测试件

    灵雀H活动结构件的间隙设置最能体现这一要求,如果活动间隙设计的太大,两个结构就会发生相对位移,不利于活动面的精度控制;如果活动间隙设计的太小,那么活动阻力就会特别大,甚至在打印的过程中粉末会被烧结到一起,根本无法活动。设计团队因此做了几十组不同间隙的试验件,最终才找到最佳的间隙设计值。

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灵雀H整体打印的活动结构

    在材料方面,经过玻璃纤维增强的尼龙,其机械强度、尺寸稳定性和耐热性能都会有显著的提高,尤其具有良好的耐摩擦性和耐耗性。玻璃纤维的加入也会提高复合材料的导热、导电性能,从而可以制备出功能复合材料。

    ▌3D打印为飞机减重,加速迭代改进

    2019年1月-3月,“灵雀H”新能源验证机开展了4个构型10架次的试飞任务,充分验证了氢燃料电池动力系统,标志着中国商飞未来民机在新能源领域的探索取得实质进展。

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起飞、降落过程

    在本项目中,验证机机头、发动机、短舱等复杂机构件均通过3D打印技术制造,飞机总重不足30公斤,复合材料和3D打印技术的使用显著降低了飞机结构重量和部件数量;同时基于快速制造的特点,从立项到首飞,仅用了5个月时间。经过快速迭代改进,“灵雀H”验证机航时超过24小时,实现了向飞机减重和工程应用的方向发展。

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