增材制造典型應(yīng)用場景四：民用客機(jī)關(guān)鍵零部件整體化制造

來源：增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

2022年8月,，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《首批增材制造典型應(yīng)用場景名單》,，經(jīng)過地方推薦,、專家評審,、社會公示等程序,，形成了首批增材制造典型應(yīng)用場景,，共有工業(yè),、醫(yī)療、建筑,、文化等領(lǐng)域的36個優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場景入選,。

為加快增材制造先進(jìn)技術(shù)與裝備應(yīng)用推廣，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設(shè)立“增材制造典型應(yīng)用場景案例專欄”,，從需求痛點,、案例介紹、技術(shù)先進(jìn)性、應(yīng)用成效,、下一步計劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例,，屆時將會在2月28日~2023.03月02日“中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展（廣州）高峰論壇暨2023年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會”中進(jìn)行交流分享。

現(xiàn)將第四期“民用客機(jī)關(guān)鍵零部件整體化制造”發(fā)布如下,。

場景類型	民用客機(jī)關(guān)鍵零部件整體化制造
場景項目單位	服務(wù)提供商	上海飛機(jī)制造有限公司,、中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心
	中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司

一、背景概述

（一）需求痛點
經(jīng)濟(jì)性是民用飛機(jī)滿足市場競爭需求和實現(xiàn)產(chǎn)品成功商業(yè)化的重要指標(biāo),。飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不僅要考慮制造成本,，還要考慮飛機(jī)全壽命周期的運營成本。飛機(jī)減重對降低全生命周期運營成本,、提升飛機(jī)整體性能,、減少碳排放污染等意義重大，控制好飛機(jī)重量,、進(jìn)行有效的減重工作是保持民機(jī)競爭性的必要條件之一,。因此，如何提高“結(jié)構(gòu)輕量化”水平,，實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計和整體化制造是民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重的需求痛點,。

（二）解決方案
增材制造技術(shù)可直接完成從零件數(shù)字模型到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的近凈成形制造，使設(shè)計突破傳統(tǒng)的制造工藝約束,，獲得更大的自由度,，具有制造周期短、材料利用率高,、輕量化效果顯著的優(yōu)勢,。面向民機(jī)產(chǎn)品開展輕量化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與增材制造應(yīng)用研究，通過拓?fù)鋬?yōu)化和空間點陣結(jié)構(gòu)等設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化,，在保證性能的前提下使零件的應(yīng)力呈現(xiàn)出更合理化的分布,，探索功能最優(yōu)、材料最省,、效率最高的機(jī)體承力結(jié)構(gòu)形式,，采用激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)從而實現(xiàn)傳統(tǒng)減材制造難以實現(xiàn)的減重效果。

二,、案例介紹——登機(jī)門鉸鏈臂

（一）案例描述

登機(jī)門鉸鏈臂是飛機(jī)艙門與門框重要連接結(jié)構(gòu)件,，作用在艙門上的艙門重力、陣風(fēng),、艙門開啟等載荷通過鉸鏈臂傳遞到機(jī)身門框,，傳統(tǒng)構(gòu)型登機(jī)門鉸鏈臂結(jié)構(gòu)為機(jī)加件，重量為9.2kg,。

對登機(jī)門鉸鏈臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,，并對優(yōu)化設(shè)計的鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行各個工況下的強(qiáng)度和剛度的校核,，滿足設(shè)計要求。優(yōu)化后的零件設(shè)計重量為6.4kg,，較原設(shè)計構(gòu)型減重30.4%,。

（a）優(yōu)化前構(gòu)型                  （b）優(yōu)化后構(gòu)型

圖1 優(yōu)化前后艙門鉸鏈臂構(gòu)型

該構(gòu)型單向尺寸近600mm，具有薄壁,、大曲面,、鏤空等復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征。通過技術(shù)攻關(guān),，利用激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）實現(xiàn)了高強(qiáng)鋁合金鉸鏈臂的一體化制造,。相比于機(jī)加態(tài)鉸鏈臂減重約30%，全生命周期制造成本降低了30%以上,，增材制造快速生產(chǎn)與輕量化效果顯著,。  

圖2 SLM高強(qiáng)鋁合金艙門鉸鏈臂零件

經(jīng)評估，增材制造高強(qiáng)鋁合金艙門鉸鏈臂性能滿足要求,，同時,，根據(jù)艙門鉸鏈臂在飛機(jī)上的功能和服役環(huán)境，基于對應(yīng)的適航符合性條款要求,，針對性的開展全尺寸零件靜力和功能裝機(jī)測試試驗和試飛考核,。結(jié)果表明該零件的力學(xué)性能滿足艙門實際使用工況所承受載荷要求，試驗結(jié)果符合通過條件,。

圖3 高強(qiáng)鋁合金艙門鉸鏈臂零件裝機(jī)試飛

產(chǎn)品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S600型激光選區(qū)熔化成形裝備，最大可成形尺寸為600×600×600mm3,，如圖 4所示,。

圖 4 激光選區(qū)熔化成形設(shè)備

（二）技術(shù)水平及先進(jìn)性

本應(yīng)用場景在國內(nèi)首次實現(xiàn)了大尺寸高強(qiáng)鋁合金增材制造零件的裝機(jī)驗證，掌握了高強(qiáng)鋁合金復(fù)雜精密構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,、增材制造及質(zhì)量控制與評價等關(guān)鍵技術(shù),，并成功制造滿足型號應(yīng)用需求的艙門鉸鏈臂等零件。該場景入選2022年先進(jìn)制造業(yè)“十大領(lǐng)航項目”,。

三,、應(yīng)用推廣成效

本場景開展了高強(qiáng)鋁合金增材制造零件的研制，建立了從結(jié)構(gòu)設(shè)計,、工藝控制及檢測,、適航符合性和航空典型件應(yīng)用驗證的技術(shù)體系，通過SLM成形鋁合金零件的全流程驗證,，首次實現(xiàn)了基于國產(chǎn)設(shè)備和國產(chǎn)原材料的SLM成形高強(qiáng)鋁合金功能一體化零件在大型客機(jī)C919上的裝機(jī)驗證,。對于我國大型客機(jī)實現(xiàn)減重和提高經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)具有重要意義。

四,、下一步提升及推廣

后續(xù)將進(jìn)一步提升國產(chǎn)SLM設(shè)備穩(wěn)定性控制,、SLM控形控性等關(guān)鍵技術(shù)的成熟度,，推進(jìn)增材制造產(chǎn)業(yè)鏈上下游的聯(lián)動，為高強(qiáng)鋁合金增材制造工藝及國產(chǎn)SLM設(shè)備在民機(jī)靜強(qiáng)度驅(qū)動甚至疲勞損傷容限零件及其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供更廣泛的案例和信心,。本應(yīng)用場景建立的成本分析-設(shè)計-制造-評價一體化研制體系以及高強(qiáng)鋁合金SLM零件適航認(rèn)證研究方法等共性成果可輻射推廣至其他增材制造方向以及其他領(lǐng)域的增材制造資質(zhì)認(rèn)證,，推動增材制造在各領(lǐng)域的深入應(yīng)用，提升國產(chǎn)增材制造水平,，助力中國制造,。


（撰寫單位：中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心、上海飛機(jī)制造有限公司）