德-voxeljet助力法-Sogeclair：飛機(jī)艙門(mén)減重30%

魔猴君  科技前沿   2558天前

飛機(jī)艙門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，連桿、鉸鏈數(shù)量眾多，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程多階段，運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜多變。這些都給艙門(mén)的設(shè)計(jì)、加工帶來(lái)了挑戰(zhàn)，如何在滿足力學(xué)性能要求的同時(shí)，又滿足加工的可操作性，盡可能少的浪費(fèi)材料，并有效的實(shí)現(xiàn)輕量化，這是飛機(jī)艙門(mén)制造中所遇到的挑戰(zhàn)。德國(guó)voxeljet-維捷與法國(guó)Sogeclair合作通過(guò)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(mén)。

艙門(mén)是飛機(jī)上的運(yùn)動(dòng)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(jī)的出勤率。若艙門(mén)設(shè)計(jì)不當(dāng)，飛機(jī)在高空中飛行的時(shí)候，可能發(fā)生艙門(mén)的意外打開(kāi)，會(huì)造成壓力艙泄壓，并嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行姿態(tài)。

為了達(dá)到高度的可靠性，艙門(mén)的設(shè)計(jì)上需要防止飛行中因機(jī)構(gòu)損壞或任何單個(gè)結(jié)構(gòu)元件損壞而打開(kāi)的可能性，這就為艙門(mén)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了高度的復(fù)雜性。而為了滿足這一復(fù)雜性的設(shè)計(jì)，也給加工帶來(lái)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(lái)了加工的難度，還需要滿足各種力學(xué)性能的要求，包括門(mén)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(yán)苛的力學(xué)要求。

鋁制艙門(mén)的設(shè)計(jì)效果圖

法國(guó)航空供應(yīng)商Sogeclair希望通過(guò)3D打印技術(shù)為飛機(jī)生產(chǎn)艙門(mén)，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(guò)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(mén)重量。

Sogeclair的這一需求可以說(shuō)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(jī)需要不斷提高燃料效率和經(jīng)濟(jì)性，以降低其對(duì)環(huán)境的影響。而飛機(jī)的輕量化是實(shí)現(xiàn)降低燃料消耗的關(guān)鍵方式之一，減重帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)性成為航空供應(yīng)商的一致追求。

不過(guò)，對(duì)于3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，加工飛機(jī)的艙門(mén)同樣面臨著挑戰(zhàn)，一是艙門(mén)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如何避免使用支撐材料從而實(shí)現(xiàn)近凈形的加工結(jié)果；二是艙門(mén)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(jí)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(guò)程，層層疊加，獲得最終打印出來(lái)的零件。Binder Jetting的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于成型速度快、無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，而且對(duì)于voxeljet-維捷來(lái)說(shuō)，大尺寸正是他們所擅長(zhǎng)的。

在對(duì)飛機(jī)艙門(mén)所要達(dá)到的機(jī)械性能進(jìn)行深入的研究之后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定摒棄傳統(tǒng)的艙門(mén)設(shè)計(jì)，而是采用了仿生學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。通過(guò)仿生力學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)減少材料使用，從而將重量減輕30％，并且不犧牲艙門(mén)所需要達(dá)到的力學(xué)強(qiáng)度。

3D打印的PMMA材質(zhì)精密鑄造模具，來(lái)源voxeljet-維捷

設(shè)計(jì)完成后的挑戰(zhàn)是使這種三維設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用了voxeljet-維捷的3D打印系統(tǒng)來(lái)制造大型精密模具。VX1000 3D打印機(jī)具有1,000 x 600 x 500 mm的構(gòu)建體積，成為該項(xiàng)目的合適選擇。通過(guò)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(jī)艙門(mén)的精密鑄造模具就制造出來(lái)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(fù)膨脹系數(shù)，在燒毀薄壁模型的過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致漲殼，從而不會(huì)導(dǎo)致鑄造模具的破損，不僅降低了制造中的風(fēng)險(xiǎn)，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(mén)鑄造。

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