德-voxeljet助力法-Sogeclair：飛機艙門減重30%

魔猴君  科技前沿   2600天前

飛機艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，連桿、鉸鏈數(shù)量眾多，機構(gòu)運動過程多階段，運動關(guān)系復(fù)雜多變。這些都給艙門的設(shè)計、加工帶來了挑戰(zhàn)，如何在滿足力學(xué)性能要求的同時，又滿足加工的可操作性，盡可能少的浪費材料，并有效的實現(xiàn)輕量化，這是飛機艙門制造中所遇到的挑戰(zhàn)。德國voxeljet-維捷與法國Sogeclair合作通過Binder Jetting粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)成功制造了鋁制的仿生學(xué)結(jié)構(gòu)艙門。

艙門是飛機上的運動功能部件，它的功能、使用壽命、安全性、維修性和可靠性，直接關(guān)系到飛機的出勤率。若艙門設(shè)計不當(dāng)，飛機在高空中飛行的時候，可能發(fā)生艙門的意外打開，會造成壓力艙泄壓，并嚴重影響飛機飛行姿態(tài)。

為了達到高度的可靠性，艙門的設(shè)計上需要防止飛行中因機構(gòu)損壞或任何單個結(jié)構(gòu)元件損壞而打開的可能性，這就為艙門的設(shè)計帶來了高度的復(fù)雜性。而為了滿足這一復(fù)雜性的設(shè)計，也給加工帶來了相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)。不僅僅數(shù)量眾多的連桿、鉸鏈結(jié)構(gòu)帶來了加工的難度，還需要滿足各種力學(xué)性能的要求，包括門框部位的抗拉和抗彎性能，抗剪切和抗壓縮的構(gòu)件，都需要滿足嚴苛的力學(xué)要求。

鋁制艙門的設(shè)計效果圖

法國航空供應(yīng)商Sogeclair希望通過3D打印技術(shù)為飛機生產(chǎn)艙門，從而解決傳統(tǒng)加工方式所面臨的加工復(fù)雜性的挑戰(zhàn)。此外，Sogeclair希望通過3D打印技術(shù)節(jié)省材料，降低制造成本，并且大幅減輕艙門重量。

Sogeclair的這一需求可以說是順應(yīng)了航空航天領(lǐng)域的發(fā)展需求，能源的緊張使得飛機需要不斷提高燃料效率和經(jīng)濟性，以降低其對環(huán)境的影響。而飛機的輕量化是實現(xiàn)降低燃料消耗的關(guān)鍵方式之一，減重帶來明顯的經(jīng)濟性成為航空供應(yīng)商的一致追求。

不過，對于3D打印技術(shù)來說，加工飛機的艙門同樣面臨著挑戰(zhàn)，一是艙門結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如何避免使用支撐材料從而實現(xiàn)近凈形的加工結(jié)果；二是艙門結(jié)構(gòu)尺寸大，如何能夠滿足大尺寸的加工而不需要二次拼接或者焊接。這都為Sogeclair向工業(yè)級3D打印設(shè)備及服務(wù)商voxeljet-維捷尋求合作提供了必然性。

voxeljet-維捷的Binder Jetting粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)工作原理是，先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘結(jié)劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出來的零件。Binder Jetting的技術(shù)優(yōu)勢在于成型速度快、無需支撐結(jié)構(gòu)，而且對于voxeljet-維捷來說，大尺寸正是他們所擅長的。

在對飛機艙門所要達到的機械性能進行深入的研究之后，項目團隊決定摒棄傳統(tǒng)的艙門設(shè)計，而是采用了仿生學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。通過仿生力學(xué)結(jié)構(gòu)來減少材料使用，從而將重量減輕30％，并且不犧牲艙門所需要達到的力學(xué)強度。

3D打印的PMMA材質(zhì)精密鑄造模具，來源voxeljet-維捷

設(shè)計完成后的挑戰(zhàn)是使這種三維設(shè)計成為現(xiàn)實，在這個過程中，項目團隊采用了voxeljet-維捷的3D打印系統(tǒng)來制造大型精密模具。VX1000 3D打印機具有1,000 x 600 x 500 mm的構(gòu)建體積，成為該項目的合適選擇。通過層層打印PMMA粉末顆粒，并使用粘結(jié)劑噴射法將粉末顆粒相互粘結(jié)在一起，飛機艙門的精密鑄造模具就制造出來了。

PMMA的材料特性幫助Sogeclair了獲得關(guān)鍵的加工結(jié)果，與其他3D打印塑料材料相比，PMMA非常適合用于鑄造。其主要原因是粉末材料的負膨脹系數(shù)，在燒毀薄壁模型的過程中不會導(dǎo)致漲殼，從而不會導(dǎo)致鑄造模具的破損，不僅降低了制造中的風(fēng)險，還滿足了近凈形的要求。

最終3D打印的PMMA材質(zhì)的精密鑄造模具被送到鑄造廠，最后完成了鋁質(zhì)材料的艙門鑄造。

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