航空航天業(yè)中的的增材制造應(yīng)用

來源： 中國復(fù)材

航空航天工業(yè)在每個階段都要求質(zhì)量——以精度,、安全性和可靠性的嚴(yán)格要求為基礎(chǔ),。隨著客運量翻倍，以及減少對地球生態(tài)影響的壓力比以往任何時候都大,，航天和航空業(yè)的制造商必須滿足21世紀(jì)航空的需求,，特別強(qiáng)調(diào)制造輕質(zhì)部件。然而,，沒有捷徑可走,，制造商不斷探索的新方法，在更快的時間框架內(nèi)設(shè)計和制造更多更輕的飛機(jī),，同時在任何飛機(jī)可以飛行之前獲得嚴(yán)格的認(rèn)證,。

對輕量化部件的需求推動了對飛機(jī)部件制造方式的需求——例如，采用先進(jìn)的復(fù)合材料或增材制造(AM)等新工藝,。然而,，任何新的設(shè)計都會給認(rèn)證帶來新的挑戰(zhàn)，航空制造商通常會用自己的工作流程來解決設(shè)計認(rèn)證障礙,，但這不是一項小任務(wù),，可能需要大量的時間(有時是幾個月)，而且還不包括解決途中的任何錯誤,。通過航空航天標(biāo)準(zhǔn)來確定獲得認(rèn)證所需的測試是一項費力而耗時的工作,。隨著工程和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步使創(chuàng)新變得越來越容易，簡化認(rèn)證活動的需求是必然的,。

AM的挑戰(zhàn)
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),，航空航天制造商越來越多地使用增材制造用不同材料(包括先進(jìn)復(fù)合材料)制造輕質(zhì)部件，這些部件無法使用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn),。利用增材制造最大限度地減少了材料的使用,，因此減少了浪費，并減少了制造過程中的能源消耗,。

利用增材制造設(shè)計輕量級部件需要一種生成式設(shè)計方法,，使工程師能夠完全重新思考現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，而不會受到部件和合并部件外觀的先入為主的想法的限制,。通過虛擬創(chuàng)建零件的模擬,，它減少了物理試驗的次數(shù),，而不消耗任何原材料。它還使工程師能夠快速調(diào)整制造過程,，直到實現(xiàn)有效的過程,。

生成式設(shè)計已經(jīng)從簡單地創(chuàng)造數(shù)千種可能的CAD設(shè)計演變?yōu)樽鳛楣こ獭案瘪{駛”，根據(jù)部件的負(fù)載,、設(shè)計包線和強(qiáng)度或剛度目標(biāo),，快速設(shè)計輕量級部件，提供所需的工程性能,。

△生成式設(shè)計可以作為工程用“副駕駛”,，快速設(shè)計輕質(zhì)零件

生成式設(shè)計的性能優(yōu)勢可能是顯著的。其中一個例子是�,？怂箍禐門esat-Spacecom GmbH & Co. KG和Trumpf在衛(wèi)星支架上所做的工作,，其中輕量化結(jié)構(gòu)尤為重要，因為每增加一公斤就會產(chǎn)生高昂的太空運輸成本,。�,？怂箍导夹g(shù)被用于創(chuàng)造一個新的高度復(fù)雜的設(shè)計，實現(xiàn)了最大的輕量化結(jié)構(gòu),，并完美地適應(yīng)和設(shè)計了操作要求,。通過生成式設(shè)計，他們重新設(shè)計了支架的幾何形狀,，重量減少了55%，剛度增加了79%,。對于這樣的高精度應(yīng)用,，工藝模擬在補(bǔ)償粉末床熔融(PBF)過程中引入的熱力學(xué)問題方面起著重要作用。

創(chuàng)建虛擬打印,，例如模擬制造過程,，可以減少物理試驗的次數(shù)，因此對原材料的使用沒有要求,。只需在計算機(jī)上打印設(shè)計,，如果設(shè)計失敗，進(jìn)行更改,，直到流程正常,。例如，賽峰集團(tuán)使用Simufact Additive來虛擬開發(fā)和驗證其PPBF生產(chǎn)的金屬零件的增材制造過程,，從而減少了物理迭代,。

復(fù)合材料進(jìn)一步增加了輕量化和創(chuàng)新潛力。工程師只需要數(shù)字工具來提供他們所需的答案,，以確保零件按預(yù)期性能工作——這對于各向異性材料來說有點復(fù)雜,，因為材料的微觀結(jié)構(gòu)使得材料的性能優(yōu)于金屬,，但也使得預(yù)測零件在預(yù)期應(yīng)用中的性能變得非常具有挑戰(zhàn)性。

得益于Hexagon與Stratasys (3D打印和先進(jìn)制造服務(wù)的創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者)之間的合作,，工程師現(xiàn)在可以訪問其航空航天認(rèn)可材料的詳細(xì)模型以及航空航天打印機(jī)的工具路徑,，因此設(shè)計工程師可以使用它來模擬這些材料打印的部件的性能。

借助計算機(jī)輔助工程(CAE)工具,，工程團(tuán)隊可以可靠地將機(jī)械加工的金屬部件替換為輕質(zhì)部件,，充分利用這些增強(qiáng)聚合物的特性，同時避免昂貴的過度工程和材料使用,。

使用諸如此類經(jīng)過嚴(yán)格驗證的材料行為模擬,，航空航天制造商現(xiàn)在可以從對其材料性能的獨特見解中受益，并將聚合物3D打印的好處帶入高度監(jiān)管的航空航天領(lǐng)域,。對于大多數(shù)航空航天應(yīng)用來說,，需要更多地與數(shù)據(jù)和參與設(shè)計階段的工程師本身建立聯(lián)系，以加快設(shè)計過程,，提供更優(yōu)化的最終結(jié)果,，并最終實現(xiàn)飛行認(rèn)證。
航空增材制造的前景

增材制造用于制造高度優(yōu)化的部件(如發(fā)動機(jī)部件)以提高可持續(xù)性的應(yīng)用正在增長,。對于大多數(shù)航空航天應(yīng)用,，增材制造團(tuán)隊需要與設(shè)計階段的數(shù)據(jù)和工程師建立更多的聯(lián)系，這樣他們就可以驗證工程性能,，并最終更快地獲得飛行認(rèn)證,。

例如，現(xiàn)在可以將制造設(shè)計(DfAM)的所有步驟連接在一起,，這樣工程師就可以優(yōu)化零件拓?fù)洳⑸�成這些“仿生”幾何形狀所需的支撐結(jié)構(gòu),，同時進(jìn)行工藝調(diào)整和補(bǔ)償變形。

△通過DfAM,，工程師可以優(yōu)化零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

然而,，為了在航空航天使用和飛行準(zhǔn)備方面取得進(jìn)展，制造商需要連接更多的數(shù)據(jù)和人員,，包括上下游,，以驗證制造設(shè)計，并確保它將提供有效的飛行部件,，并具有所需的工藝保證和工藝可重復(fù)性,。

像“Nexus”這樣的一些新型協(xié)作數(shù)字現(xiàn)實平臺可使工程團(tuán)隊能夠擴(kuò)展DfAM解決方案為該行業(yè)帶來的凝聚力，為有限元分析,、過程分析和可追溯性提供“構(gòu)建塊”,，因此制造商可以執(zhí)行工程驗證并更快地改進(jìn)流程，從而在第一時間做成正確結(jié)果,。因此,，這節(jié)省了寶貴的時間和資源,，同時更快地獲得可持續(xù)航空和新機(jī)動性概念的認(rèn)證。