基于熔融沉積技術(shù)的飛行器結(jié)構(gòu)件制造與應用

摘" 要：隨著戰(zhàn)備需求增加以及科技進步，我國飛行器產(chǎn)業(yè)得到井噴式發(fā)展，但其零部件復雜，設(shè)計改進多，生產(chǎn)周期長等卻極大地延長了新型號的研制周期。熔融沉積技術(shù)由于其制造成本低、周期短以及材料利用率高等特點為短時間內(nèi)完成樣機生產(chǎn)，具備試驗首飛條件，縮短新型號研制周期提供了可能。因此，本文從現(xiàn)階段沉積技術(shù)及材料入手，著重介紹其在飛行器零部件制備過程中的國內(nèi)外應用現(xiàn)狀，以及現(xiàn)階段所應用的熱塑性復合材料。為后續(xù)打印技術(shù)的發(fā)展及其在飛行器系統(tǒng)研制中的大量應用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熔融沉積；飛行器；3D打??；樣機研制；材料

Manufacture and application of aircraft structural

parts based on fused deposition technology

YANG Jinwei*1，SHAO Zhenyu1，ZHANG Qianfeng1，LI Bo2， WANG Xian2，LIU Ge2

（1.Aerospace Times FeiHong Technology Company Limited， Beijing 100094;

2.Aerospace Times FeiHong Technology Company Limited， Xi’an 710000）

Abstract：With the increasing demand for combat readiness and scientific and technological progress， China's UAV industry has been blowout development， but its complex parts， design improvements， long production cycle， etc.， has greatly extended the development cycle of new models. Due to its low manufacturing cost， short cycle and high material utilization rate， 3D printing technology provides the possibility to complete prototype production in a short time， meet the conditions of test first flight， and shorten the development cycle of new models. Therefore， this paper starts with 3D printing technology and materials at the present stage， and focuses on its application status at home and abroad in the preparation process of UAV parts， laying the foundation for the subsequent development of 3D printing technology and a large number of applications in the development of UAV systems.

Keywords：fused deposition; aircraft ：3D printing; prototype development; materials

通訊作者：楊金偉，男，工程師。主要研究方向為飛行器制造與裝配工藝研究。E-mail：18513665606@163.com

1" 引言

近年來，飛行器系統(tǒng)在局部沖突或戰(zhàn)爭中的出色表現(xiàn)極大地促進了飛行器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，但這也導致了型號任務需求與研制周期間的矛盾。面對新型號緊張的研制周期，如何在較短時間內(nèi)完成樣機生產(chǎn)，具備試驗首飛條件，縮短研發(fā)周期成為關(guān)鍵［2］。此外，在飛行器新型號研制中，研發(fā)周期與經(jīng)濟效益的平衡也要著重考慮。增材制造技術(shù)也稱為3D打印技術(shù)，此項技術(shù)具有基于數(shù)?？焖俪尚汀⒉牧侠寐矢咭约俺杀镜偷忍攸c，尤其是其具備零部件高度定制化和復雜結(jié)構(gòu)快速成型等方面的獨特優(yōu)勢，使其在船舶、醫(yī)療、航空航天領(lǐng)域得到廣泛應用［2］。增材制造技術(shù)的優(yōu)勢為縮短飛行器新型號的研制周期提供了可能。因此，本文以熔融沉積技術(shù)的成型技術(shù)理念為切入點，分析現(xiàn)階段打印技術(shù)在飛行器研制中的發(fā)展現(xiàn)狀，為縮短飛行器的研制周期奠定基礎(chǔ)。

2" 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)作為前沿性的先進制造技術(shù)之一，是一種將材料逐層添加構(gòu)建的制造方法，通過在二維平面上連續(xù)堆疊形成三維物體。其核心思想是基于數(shù)字模型將設(shè)計的三維模型切成多層薄片，然后逐層堆積材料，通過熔融、固化等方式實現(xiàn)零件的制造。設(shè)計人員利用3D打印設(shè)備，在完成三維數(shù)字模型后通過3D打印技術(shù)可在較短時間內(nèi)直接將三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實零件，并具備使用條件。當前，3D打印技術(shù)已經(jīng)成為各大企業(yè)提高設(shè)計和制造能力的一項關(guān)鍵技術(shù)，快速實現(xiàn)各種復雜結(jié)構(gòu)新零件的生產(chǎn)，符合航空航天領(lǐng)域制造的需要［4］。

3D打印快速制模技術(shù)按照材料和工藝的不同進行分類，包括較為成熟的熔融堆積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLM）、光固化成型技術(shù)（SLA）、聚合物噴射技術(shù)（PolyJet）等［5］。這些技術(shù)大都應用于不同結(jié)構(gòu)、性能要求的零件快速制造中，降低制造帶來的材料消耗和時間周期。零件完成后，只需少量的加工打磨、拋光、制孔或不需要加工就可以作為構(gòu)件進行使用［6］。然而由于制造方法的不同會產(chǎn)生不同類型的缺陷，這對3D打印技術(shù)的前期準備過程、過程控制、檢驗標準、后處理標準以及適用性等均提出了嚴格要求，國內(nèi)外研究機構(gòu)均在大力研究和制定相關(guān)標準規(guī)范和數(shù)據(jù)庫，推動了3D打印技術(shù)的進一步應用。

3" 增材制造技術(shù)現(xiàn)狀

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進展，在制造、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應用。材料的不斷創(chuàng)新使打印零件的質(zhì)量和強度得到提升，同時打印速度也不斷加快。此外，如高速光固化打印技術(shù)、高速FDM打印技術(shù)、4D打印技術(shù)、增減混合制造模式等新興的3D打印技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。

3.1" 打印材料與技術(shù)發(fā)展

3.1.1" 塑料材料

目前最常用塑料包括PLA、ABS、PC、PS、PP、PA、PCL、PPSF、TPU、PEI和PEEK等［8］。這些材料通常被制成粉末或線材，采用不同工藝完成零件制造。由于制造過程的溫度、速度、規(guī)劃路徑等不同，層與層之間可能存在黏著不牢固、表面質(zhì)量和尺寸精度不高、機械性能差等缺陷，僅適用于一些次承力結(jié)構(gòu)，如：機體外殼、發(fā)動機整流罩、口蓋、支架、轉(zhuǎn)接板、控制器外殼、夾具、飛行器的機翼尾翼等均可以一體打印制造。原材料根據(jù)加工方式的不同分為粉狀、絲材以及顆粒狀，通過將熱塑性塑料加熱融化后逐層堆積，實現(xiàn)復雜零部件的制造。不同類型的塑料適合熔融沉積成型（FDM）、立體光刻技術(shù)（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）等多種成型技術(shù)［5］，已經(jīng)成為消費級和工業(yè)級的主要應用技術(shù)，塑料產(chǎn)品由于物理性能限制，使用時需注意材料的耐溫性能、強度、耐磨性等。

3.1.2" 金屬材料

目前最常用的金屬3D打印方法是通過逐層堆疊金屬粉末或絲線，使用熱能將其熔融成零件，主要成型方法包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）、電子束技術(shù)（EBM）、激光直接成型（LENS）等。選材包括鐵基合金、鈦及鈦基合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鋁合金和銅合金等［7］，具備較為廣泛的應用領(lǐng)域，可制造出復雜的零部件，如：鈦合金主承力結(jié)構(gòu)、鈦合金隔框、鋁合金主梁、副梁、拉桿、鋁合金角材、金屬支架等，可靈活提高設(shè)計自由度和性能優(yōu)勢，但在選擇時應充分考慮特定的性能和應用需求，零件精加工可通過CNC設(shè)備來實現(xiàn)。

3.1.3" 熱塑性復合材料

熱塑性復合材料是將熱塑性基體與增強材料（如纖維增強材料）結(jié)合在一起，通過逐層堆積的方式制造出具有優(yōu)異性能和復雜結(jié)構(gòu)的零部件。這種材料組合充分發(fā)揮了熱塑性材料和增強材料的優(yōu)點，主要包括聚酰胺類（PA）增強碳纖復合材料、聚酰胺類（PA）增強玻纖復合材料、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PETG）增強復合材料、聚醚酮（PEEK）增強復合材料、聚四氟乙烯（PTFE）增強復合材料、熱塑性聚醚醚酮（PEEK）增強碳纖維復合材料等［9］。工藝制造技術(shù)包括FDM、SLS、MJF、連續(xù)纖維打印等，以聚酰胺類（PA）增強碳纖維復合材料為代表的零件由于具備高耐溫、耐磨、高強度等特點應用非常廣泛［9］。

3.2" 國內(nèi)外熱塑性復合材料在飛行器中研究應用

3D打印技術(shù)在飛行器領(lǐng)域已經(jīng)成為各公司加快研制的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)，廣泛應用于機身結(jié)構(gòu)、機翼結(jié)構(gòu)等零部件的制造和開發(fā)驗證過程。

2018年11月，美國飛行器制造商AuroraFlightSciences和3D打印公司Stratasys聯(lián)合推出了世界首架3D打印噴氣式飛行器，航速可達241 km/h。這架高速飛行器翼展3 m，重量15 kg，由Aurora設(shè)計，Stratasys生產(chǎn)，其中80 %的組件是借助熔融沉積技術(shù)（FDM）制造，機身采用尼龍（PA）材料打印而成，其它部件使用了ABS等材料，將原有復合材料制造機身改為尼龍打印機身，只需9天［12］。2012年，弗吉尼亞大學研究人員利用3D打印技術(shù)制造了一架飛行器，巡航速度可達83 km/h，機翼寬1.98 m，由3D打印的零部件裝配而成。同年8月，在米爾頓機場附近進行了 4次試飛，均取得成功。5年前制造一個塑料渦輪風扇發(fā)動機需要兩年時間，制造成本大約為25萬美元，而現(xiàn)在采用3D打印技術(shù)，從飛行器的模型設(shè)計到制造完成僅僅需要4個月，成本只有2000美元［13］。

2013年12月，Solid Concepts公司為Area-I公司制造737飛行器模型PETRA，使用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印了燃料箱、副翼、操縱面、襟翼等組件，不但降低了部件質(zhì)量，并縮短了制造時間，僅副翼就從原來的24天縮短到3天，最終使PETRA實現(xiàn)了首飛［15］。

2022年9月，美國通用原子航空系統(tǒng)公司（GA-ASI）是遙控飛機（RPA）系統(tǒng)的領(lǐng)先設(shè)計者和制造商。GA-ASI目前每年3D打印約7，500個零件?？傮w而言，該公司在最新的MQ-9B SkyGuardian上節(jié)省了超過200萬美元的工具成本，每架飛機節(jié)省了超過30萬美元的常規(guī)成本（該飛機平臺上約有240個3D打印零件）。這些零件以往采用金屬減材和復合材料等方式制造，需要數(shù)月甚至數(shù)年的時間才能制造完成，而采用3D打印即可數(shù)月完成生產(chǎn)制造［15］。同年9月，比利時無人直升機系統(tǒng)提供商FLYING-CAM與3D打印材料和服務提供商CRP Technology合作，新款飛行器Discovery采用3D打印復合尾槳齒輪箱外殼部件來減輕尾槳變速箱重量。為了滿足FLYING-CAM的要求和標準，選擇了CRP Technology專有的高性能Windform Top-Line系列復合材料，特別是Windform XT 2.0，這是一種碳纖維增強聚酰胺基3D打印復合材料，相對于傳統(tǒng)的金屬零件或復合材料零件，減少了模具開發(fā)周期和產(chǎn)品制造的繁瑣流程，制造縮短至1周以內(nèi)，并完成了安裝驗證。俄羅斯Rostec公司也推出一款3D打印多用途兩棲飛行器，從概念到原型僅花費2個半月，生產(chǎn)時間約為31小時，費用不到20萬盧布（約合3700美元）。

3D打印技術(shù)作為縮短飛行器研制周期的一項先進制造技術(shù)具備巨大的降本能力，并且隨著3D打印技術(shù)的不斷完善和開發(fā)，打印零件的速度和質(zhì)量也在不斷提高，應用成熟度也越來越高，極大的縮短了研制周期。

4" 熱塑性打印材料在飛行器中的應用

4.1" 飛行器結(jié)構(gòu)打印應用

3D打印技術(shù)在加快飛行器研制中有著重要的生產(chǎn)價值，得到了廣泛應用。對新研型號的飛行器結(jié)構(gòu)進行細分和研究，現(xiàn)階段能利用3D打印技術(shù)加快研制周期的主要有中小型飛行器零件級和組件級。例如：小型旋翼飛行器外殼、小型固定翼機身外殼打印、格柵式發(fā)動機整流罩、運動機構(gòu)測試工裝、設(shè)備安裝定位工裝、艙蓋等，未來將瞄準機翼、垂平尾、舵面等部件級一體打印制造技術(shù)，開展相關(guān)設(shè)計、制造、裝配技術(shù)研究，進行全機部件打印即裝配即飛行技術(shù)研究，以縮短新型號研制周期。

4.2" 小型旋翼機機身外殼

飛行器機體的主要材料以高性能復合材料為主，設(shè)計時需進行工藝仿真、模具設(shè)計、加工成本分析等，加工金屬模具后再進行鋪貼、固化、脫模、機械加工，最后進行設(shè)備安裝測試飛行。由于工藝方式不同，前期的模具設(shè)計、加工制造周期、物流運輸?shù)确矫嫘枰ㄙM45天時間，且需要充分考慮復合材料固化、機械加工等流程帶來的不確定因素。

如果采用FDM 3D打印技術(shù)，可以省去復合材料設(shè)計等一系列流程，無需從復材制造工藝角度考慮產(chǎn)品設(shè)計，最大程度的減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)流程。采用FDM 3D打印的飛行器外殼材料為玻纖增強高溫尼龍材料，該材料具有很高的強度，且滿足120 ℃的使用環(huán)境。如圖1所示，該飛行器外殼由上下兩部分組成，尺寸為190 mm×190 mm×50 mm，打印時間只需要8 h。

4.3" 小型固定翼機身外殼打印

某型飛行器機身如圖2所示，以往該類型飛行器前期研制階段主要采用復合材料來制造，并且復材成型較為困難。而該新型飛行器機身尺寸為740 mm×160 mm×160 mm，打印材料為玻纖增強尼龍材料，機身內(nèi)部通過優(yōu)化設(shè)計增加了大量的柵格結(jié)構(gòu)壁板，環(huán)形框等提高抗扭性能，打印時間只需要18 h，相比復合材料研制耗費的數(shù)月時間，縮短了大量的前期工作。

4.4" 某飛行器發(fā)動機整流罩

發(fā)動機罩是飛行器組成部件，起到發(fā)動機防護與導流的作用，以往采用金屬模具開模，分別制備一套復合材料蒙皮模具和加筋條模具。由于操作空間限制，加筋條無法準確定位，還需進行二次膠接固化，制造工藝復雜。采用沉積打印技術(shù)可以將格柵結(jié)構(gòu)與蒙皮設(shè)計為一體，可一次性打印而成，解決了后處理和二次膠接帶來的問題。該零件尺寸為350 mm×300 mm×300 mm，采用玻纖增強尼龍材料打印制造，時間只需要14 h。某飛行器發(fā)動機整流罩如圖3所示。

4.5" 運動機構(gòu)測試工裝

運動機構(gòu)測試工裝主要是用于測試飛行器上口蓋開合結(jié)構(gòu)的原理驗證及功能測試，相較于傳統(tǒng)設(shè)計金屬試驗工裝不同，無需考慮減材制造帶來的周期問題。采用FDM 3D打印技術(shù)制造周期需3天，該機構(gòu)尺寸為460 mm×350 mm×370 mm，采用PC-GF材料，經(jīng)過仿真計算校核滿足強度驗證要求，大大節(jié)省了金屬工裝的成本且適應結(jié)構(gòu)快速迭代要求。設(shè)計時只需考慮運動部件安裝位置精度，部件之間連接方式是否可靠，經(jīng)模擬仿真后，可直接進行打印，縮短了前期研制周期，加快結(jié)構(gòu)快速迭代設(shè)計，如圖4所示。

4.6" 設(shè)備定位工裝

設(shè)備定位工裝主要是用于飛行器上各安裝接口驗證及安裝的位置精度測試，如圖5所示。工裝尺寸為460 mm×290 mm×40 mm，采用ABS-GF材料，打印時間為7 h，打印成本約為460元，而使用金屬材料制造的成本約為2800元。

4.7" 載荷艙蓋

艙蓋主要用于換裝載荷時的機體開口密封和導流，如圖6所示，采用玻纖增強尼龍材料，尺寸為φ 460 mm×30 mm，單件成本為2300～3000元，而使用復合材料制造的成本約為1.1萬元，可以作為消耗件進行批量生產(chǎn)，打印時間13 h。設(shè)計時只需要考慮安裝位置連接，安裝間隙等，可直接進行打印制作。

5" 結(jié)語

飛行器技術(shù)的不斷更新發(fā)展提出了更高更快的制造要求，特別是在輕量化、復雜結(jié)構(gòu)等方面。熔融沉積打印技術(shù)作為一種靈活、快速的制造方法，為新型號飛行器的研制過程提供了有力的支持。通過對打印技術(shù)的分析與零件的應用，可以看出在飛行器制造領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。然而，仍然需要克服材料選擇、工藝參數(shù)優(yōu)化、質(zhì)量控制等方面的挑戰(zhàn)，進一步推動打印技術(shù)在飛行器制造中的應用。

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