中國商飛：3D打印助力制造翼展6米,、僅20余公斤靈雀H驗證機

來源：3D打印技術參考

未來的飛機是什么樣子？采用什么結(jié)構,、材料,，動力來源如何？為了驗證“大飛機”上的技術,，通常會采用“小飛機”進行實驗,，只有經(jīng)驗證機驗證過的技術，才能安全地應用于其他飛機上,。因此,，稱驗證機為技術先驅(qū)毫不為過�,；�于��,，中國商飛“靈雀”項目應運而生。

中國商飛下屬的北京民用飛機技術研究中心,，便是專門開展未來飛機設計,、研發(fā)與驗證的機構，簡單的說，就是研究未來30年以后的民機,。據(jù)筆者了解,，該中心承擔的靈雀H驗證機大量采用了3D打印技術，本期,，3D打印技術參考就帶來該項目實施過程中在使用3D打印技術時遇到的困難與挑戰(zhàn)。

▌靈雀H—次承力部件和起落架艙均采用先進3D打印技術

“靈雀H”驗證機翼展6米,，創(chuàng)新性采用氫燃料電混合動力技術,，旨在驗證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動力技術在飛機上使用,�,！办`雀H”驗證機機身大量運用復合材料，次承力部件和起落架艙均采用了先進的3D打印技術,。

● 材料工藝：尼龍玻纖,，SLS
● 打印部件：主要為機頭、發(fā)動機短艙,、起落架艙

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

▌面臨的挑戰(zhàn)與應對策略

若采用3D打印直接制造傳統(tǒng)結(jié)構零部件,，則無法充分發(fā)揮3D打印的優(yōu)勢，甚至可能放大該技術的局限性,。項目團隊在充分認識了3D打印技術的特點和局限性之后,，在滿足結(jié)構功能、性能、重量等的基礎上,，開展了飛機系統(tǒng)部件的集成化和輕量化設計,。在項目實施的過程中，也遇到了一些挑戰(zhàn)：

1,、結(jié)構一體化設計：不僅要考慮到飛機系統(tǒng)的布置,、載荷工況、結(jié)構強度,，還要考慮3D打印的工藝約束,，對于設計來說有一定難度。

2,、輕量化設計：為了減輕每一克重量,，都做了大量的優(yōu)化設計工作，包括拓撲優(yōu)化,、點陣結(jié)構,、尺寸優(yōu)化等等。

3,、活動面設計：起落架艙門在飛機起降過程中要打開或關閉,，SLS雖然可以打印活動結(jié)構，但是對于精度,、間隙,、變形等問題，研發(fā)團隊仍然做了大量試驗后才找到最佳方案,。

3D打印的靈雀H驗證機機頭

根據(jù)3D打印技術參考對比其他應用開發(fā)過程以及筆者自身的經(jīng)驗得出結(jié)論,，任何設計團隊在進行結(jié)構優(yōu)化的過程中，不僅僅要考慮結(jié)構的問題,，更要考慮工藝問題,。設計團隊只有詳細了解具體的3D打印工藝，設置合理的設計約束,，才能實現(xiàn)部件既能做的出來,，又能實現(xiàn)功能性。

3D打印的鉸鏈的測試件

靈雀H活動結(jié)構件的間隙設置最能體現(xiàn)這一要求,，如果活動間隙設計的太大,，兩個結(jié)構就會發(fā)生相對位移，不利于活動面的精度控制,；如果活動間隙設計的太小,，那么活動阻力就會特別大，甚至在打印的過程中粉末會被燒結(jié)到一起,，根本無法活動,。設計團隊因此做了幾十組不同間隙的試驗件,，最終才找到最佳的間隙設計值。

靈雀H整體打印的活動結(jié)構

在材料方面,，經(jīng)過玻璃纖維增強的尼龍,，其機械強度、尺寸穩(wěn)定性和耐熱性能都會有顯著的提高,，尤其具有良好的耐摩擦性和耐耗性,。玻璃纖維的加入也會提高復合材料的導熱、導電性能,，從而可以制備出功能復合材料,。

▌3D打印為飛機減重，加速迭代改進
2019年1月-3月,，“靈雀H”新能源驗證機開展了4個構型10架次的試飛任務,，充分驗證了氫燃料電池動力系統(tǒng),，標志著中國商飛未來民機在新能源領域的探索取得實質(zhì)進展,。

在本項目中，驗證機機頭,、發(fā)動機,、短艙等復雜機構件均通過3D打印技術制造，飛機總重不足30公斤,，復合材料和3D打印技術的使用顯著降低了飛機結(jié)構重量和部件數(shù)量,；同時基于快速制造的特點，從立項到首飛,，僅用了5個月時間,。經(jīng)過快速迭代改進，“靈雀H”驗證機航時超過24小時,，實現(xiàn)了向飛機減重和工程應用的方向發(fā)展,。