中國(guó)商飛：大型民用飛機(jī)增材制造技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐與思考

IAME中國(guó)（西安）國(guó)際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇上，2019年9月 20 日“增材制造技術(shù)與航空航天論壇”，南極熊遇到了中國(guó)商飛增材制造技術(shù)應(yīng)用研究中心的馬立敏做了主題是《型民用飛機(jī)增材制造技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐與思考》的報(bào)告。

下面是南極熊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記編輯的內(nèi)容：

大型民用飛機(jī)增材制造技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐與思考

報(bào)告分為四個(gè)部分，應(yīng)用與發(fā)展，創(chuàng)新應(yīng)用的路線(xiàn)圖，核心能力建設(shè)，一些思想和建議。

大型民機(jī)上，按材料可分為粉材和絲材，工藝分為激光和電子束，主要用來(lái)做一些金屬零部件的結(jié)構(gòu)。增材制造給飛機(jī)的生產(chǎn)和研制帶來(lái)了巨大的變化。第一是減少了成本，不光是材料的成本還有加工成本，裝配的時(shí)間；飛機(jī)有些零部件非常復(fù)雜，如果鍛造，最后90%被加工掉，百分之幾的材料才是有用的結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在用增材制造可以大大節(jié)約材料的成本，一體化減少裝配時(shí)間，這些都有成功的案例。

改進(jìn)產(chǎn)品的性能

增材制造現(xiàn)在一般來(lái)說(shuō)都和一些結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合到了一起。比如飛機(jī)吊掛的結(jié)構(gòu)，原來(lái)都是框梁的結(jié)構(gòu)，我們?nèi)绻?D打印做，肯定不是按原來(lái)的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，而是按照現(xiàn)在比較流行的拓?fù)鋬?yōu)化方法，做出輕量化設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)減重10%左右，它更好的地方在哪里？原來(lái)框架結(jié)構(gòu)傳力路徑不是最優(yōu)的，拓?fù)鋬?yōu)化之后的設(shè)計(jì)安全按照結(jié)構(gòu)的傳力路徑按照材料的分布，傳力路徑布置材料，把大量應(yīng)力較小的地方摳掉，可以提高產(chǎn)品的性能。

改變供應(yīng)鏈的模式


比如說(shuō)以后飛機(jī)壞了，按照現(xiàn)在模式都會(huì)有大量的備件，我們不知道哪個(gè)零件會(huì)壞，每個(gè)都有需要有備件。有了3D打印之后，我們備件只是備零件的數(shù)字模型，壞掉了之后馬上可以用3D打印的方式制造出來(lái)替換上去。特別是老舊機(jī)型，很多零件就不生產(chǎn)了，但是數(shù)字模型還會(huì)一直保持下來(lái)，以后一旦有一些零件壞掉了，就可以通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)快速制造。這對(duì)于我們供應(yīng)鏈的管理幾乎產(chǎn)生了變革性的變化。

3D打印零件重量減少1千克，飛機(jī)就增加20萬(wàn)元的效益


有人一直說(shuō)3D打印很貴，但是從我們民機(jī)的角度出發(fā)，3D打印真的很貴嗎？首先從制造方式來(lái)說(shuō)它會(huì)帶來(lái)一些經(jīng)濟(jì)上的好處，比如材料利用率高等方面。波音估算，如果大量采用3D打印，一架飛機(jī)減少200—300萬(wàn)的制造成本。不光是制造成本，如果我們從飛機(jī)的壽命來(lái)考慮，它帶來(lái)的成本效益會(huì)更高。我們一架飛機(jī)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮壽命是30年，起降能到一萬(wàn)多次。在這么長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程中，如果減少一千克的重量都可以帶來(lái)很可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)空客估算，如果飛機(jī)減少1000克，結(jié)構(gòu)減少1000克，相當(dāng)于商載增加1000克，增加1000克商載就增加22萬(wàn)人民幣的效益；如果從ARJ21飛機(jī)估算，可以帶來(lái)20萬(wàn)人民幣經(jīng)濟(jì)效益的提升。如果我們能夠用增材制造給它減重，這個(gè)機(jī)制是非常可觀(guān)的。

我結(jié)合幾個(gè)案例來(lái)講。做滑輪導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，它原來(lái)的結(jié)構(gòu)是1.28千克，現(xiàn)在變成1.07千克，減少0.21千克，它能帶來(lái)全壽命經(jīng)濟(jì)效益是42000元，這個(gè)效益完全能夠覆蓋住制造成本的增加；窗門(mén)角頁(yè)壁的結(jié)構(gòu)，原來(lái)機(jī)加工是3.8千克，后來(lái)我們做了拓?fù)鋬?yōu)化，用增材制造來(lái)做能減少到2.2千克，這減少的重量能夠帶來(lái)26萬(wàn)元人民幣的經(jīng)濟(jì)效益的提升。（南極熊補(bǔ)充：即使花幾萬(wàn)元來(lái)3D打印這個(gè)零件，也是值得的）所以說(shuō)這樣一比較增材制造的經(jīng)濟(jì)效益還是非?？捎^(guān)的。

增材制造對(duì)于商用飛機(jī)帶來(lái)的變化是全方位的，比如說(shuō)它設(shè)備的變化，材料的變化，設(shè)計(jì)的變化，還有一些制造過(guò)程，檢測(cè)，質(zhì)量認(rèn)證，批生產(chǎn)，維修，這些方面都帶來(lái)了很多變化。從預(yù)研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、適航、客服、回收，也都帶來(lái)了一些不一樣的情況，這需要工作中做大量的研究。

中國(guó)商飛3D打印應(yīng)用案例

• 排葉孔（音），外面有復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，里面也有相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，原來(lái)分別制造組裝起來(lái)，現(xiàn)在用增材制造可以給它一體成型，帶來(lái)材料利用率和加工時(shí)間方面的好處。
  

• 艙門(mén)的機(jī)構(gòu)件，現(xiàn)在這個(gè)結(jié)構(gòu)件一共有28個(gè)零件，現(xiàn)在已經(jīng)在103架C919飛機(jī)上裝上去了，現(xiàn)在就在西安閻良試飛這架飛機(jī)，這是國(guó)產(chǎn)飛機(jī)上面首批應(yīng)用增材制造的零部件。
  

• 風(fēng)扇進(jìn)氣口，當(dāng)時(shí)據(jù)說(shuō)有這樣一個(gè)故事，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題之后，離我們的首飛已經(jīng)很近了，怎么辦？如果用傳統(tǒng)的方式制造需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能得到產(chǎn)品，最后我們選擇用3D打印，給它打印出來(lái)之后，用很短的時(shí)間就裝到了飛機(jī)上面，保證了我們首飛任務(wù)的完成。
  

• 短艙鉸鏈支架，這個(gè)鉸鏈支架是干什么用？短艙在下面能夠打開(kāi)，鉸鏈支架在下面固定用，一個(gè)倉(cāng)有8個(gè)支架，  做了脫鋪優(yōu)化設(shè)計(jì)，1.13千克減少到0.87千克，減少23%的重量。這是鉸鏈壁，這個(gè)圖想說(shuō)明我們?cè)霾闹圃煊猛負(fù)鋬?yōu)化的方法可以帶來(lái)很好的減重的效果。另外一個(gè)優(yōu)化的方法點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)既能提高它的強(qiáng)度剛度，同時(shí)保證它的重量不會(huì)增加太多，這是我們其中一個(gè)案例，艙門(mén)手柄，手柄是我們打開(kāi)艙門(mén)用的一個(gè)機(jī)構(gòu)，它是用鋁合金來(lái)做的，用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以減輕15%的重量。
  

3D打印應(yīng)用民航飛機(jī)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃


這些應(yīng)用案例對(duì)于長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃來(lái)說(shuō)，這只是剛剛開(kāi)始起步，我們也做了針對(duì)于長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展應(yīng)用的路線(xiàn)圖。剛才大量的案例都是1到2年可以實(shí)現(xiàn)，叫做內(nèi)室結(jié)構(gòu)以及功能性的一些結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)更側(cè)重于它的功能需求，對(duì)于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，對(duì)于可靠性要求并不是非常高。


我們打算用3—5年的時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于可靠性和結(jié)構(gòu)承載能力要求高的，像非主承力結(jié)構(gòu)；主承力結(jié)構(gòu)計(jì)劃用5—8年實(shí)現(xiàn)，更多用較長(zhǎng)的時(shí)間實(shí)現(xiàn)整機(jī)和大布段增材制造和拓?fù)鋬?yōu)化，以及其他一些創(chuàng)新方法。主要承力件和整機(jī)結(jié)構(gòu)，我們現(xiàn)在已經(jīng)做3D打印的研究，已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品做了原型，驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化的吊掛結(jié)構(gòu)，它承載飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和發(fā)動(dòng)機(jī)自身的重量和振動(dòng)這方面的工況，要求非常高。


我們現(xiàn)在已經(jīng)能做出3D打印的原型驗(yàn)證件，拓?fù)鋬?yōu)化能減輕10%以上，還有整機(jī)的拓?fù)鋬?yōu)化，雖然現(xiàn)在整機(jī)不可能做3D打印，但是我們通過(guò)縮比驗(yàn)證的方式已經(jīng)驗(yàn)證了，這架飛機(jī)我們?cè)O(shè)計(jì)80米，縮比40倍以后，一盞兩米全機(jī)3D打印無(wú)人機(jī)已經(jīng)做出來(lái)了，而且中間用到了大量結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化和點(diǎn)陣一體化設(shè)計(jì)，這架縮比驗(yàn)證機(jī)不僅做出來(lái)了，還實(shí)現(xiàn)空中飛行驗(yàn)證，真正能飛起來(lái)的3D打印無(wú)人機(jī)。

應(yīng)用路線(xiàn)圖上面典型的案例——艙門(mén)內(nèi)飾件，這是閱讀燈的燈罩，這個(gè)用3D打印的好處，以后要做公務(wù)機(jī)，里面?zhèn)€性化的裝飾可以用3D打印做，比較方案的時(shí)候，可以用3D打印出不同的方案供選擇。


這是功能件，有一個(gè)滑軌套筒，上面是風(fēng)扇進(jìn)氣口，它的好處是等待替換的一個(gè)作用，好處是能夠進(jìn)行一體化的設(shè)計(jì)減輕重量，減少裝配。還有次承力件，艙門(mén)鉸鏈壁，短艙鉸鏈支架，這個(gè)要承受一定的力，但是力又不是非常大，我們可以用增材制造來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們?cè)瓉?lái)都是鑄造的方法做出來(lái)，現(xiàn)在用增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，來(lái)減重，來(lái)提高它的材料的使用率。

今后飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的吊掛，我們計(jì)劃以后用增材制造實(shí)現(xiàn)，它要實(shí)現(xiàn)鍛件的材料，相對(duì)來(lái)說(shuō)難度高一些，因?yàn)殄懠男阅艿姆€(wěn)定性和抗疲勞這方面來(lái)說(shuō)都比增材制造稍微好一點(diǎn)。

中國(guó)商飛增材制造核心能力和供應(yīng)商合作模式


從整個(gè)增材制造在民機(jī)上的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，分為材料、設(shè)備、設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量認(rèn)證、適航、批生產(chǎn)、維修維護(hù)這幾個(gè)方面。中國(guó)商飛要自主掌握的是設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量認(rèn)證、適航這方面的工作。關(guān)于材料和設(shè)備我們準(zhǔn)備和供應(yīng)商合作，還有一些批生產(chǎn)和維修維護(hù)也通過(guò)和供應(yīng)商的合作完成。


我們的核心在于材料和工藝的規(guī)范，還有適航。設(shè)計(jì)上我們主要做設(shè)計(jì)的指南，質(zhì)量主要做質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建設(shè)，適航是我們民機(jī)的特色，需要我們自己建立一個(gè)適航符合性的規(guī)范，批生產(chǎn)和維修維護(hù)在批生產(chǎn)的組織模式和維修手冊(cè)的制定。3D打印對(duì)于飛機(jī)制造是一個(gè)新的技術(shù)，我們?cè)诟鞣矫娑夹枰贫ㄒ恍┬碌囊?guī)范，比如說(shuō)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)作為應(yīng)用研究單位最先要掌握的一個(gè)方法。但是增材制造，它帶來(lái)完全創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)理念，比如大量的點(diǎn)陣，所謂的拓?fù)鋬?yōu)化，到底這個(gè)設(shè)計(jì)是不是合理，是不是可靠？我們需要大量的研究工作。

比如上面的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，可以說(shuō)不能保證每一根竿打印出來(lái)都是連上的，或者使用過(guò)程不會(huì)壞掉，但是我們承認(rèn)它會(huì)壞掉的前提下，它壞掉多少我們是可以接受的，它在哪里壞掉我們可以接受，我們認(rèn)為這個(gè)飛機(jī)是安全的，這都需要我們大量做研究工作。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)帶來(lái)看著很清很爽很炫的結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的可靠性到底好不好？它是不是達(dá)到了最佳的設(shè)計(jì)？這對(duì)于我們今后都是核心能力的體現(xiàn)。

材料和工藝的規(guī)范，我們現(xiàn)在材料基本上是從外面采購(gòu)的，設(shè)備也是采購(gòu)的，什么樣的材料可以滿(mǎn)足商用飛機(jī)的使用要求？這需要我們自己定出一個(gè)規(guī)范來(lái)。還有什么樣的工藝符合飛機(jī)制造的要求？據(jù)我所知，增材制造的工藝參數(shù)可能有上百個(gè)參數(shù)之多，我們抓住哪些關(guān)鍵的參數(shù)就相當(dāng)于控制了這個(gè)工藝，其實(shí)這方面也有大量的工作要做，現(xiàn)在我們也有一些心得。

作為大型民機(jī)來(lái)說(shuō)，最重要的一件事情是適航認(rèn)證，適航認(rèn)證主要由中國(guó)民航FAA，F(xiàn)AA是美國(guó)，還有歐洲的EASA，我們需要通過(guò)管理局的認(rèn)證。3D打印不是我們說(shuō)能應(yīng)用就行了，還要管理局覺(jué)得是可靠的技術(shù)才能真正在飛機(jī)上應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)證明給自己看還比較容易，但是要給第三方認(rèn)證就比較難了，這也是我們今后要攻克的一個(gè)難題。

對(duì)于3D打印民航應(yīng)用的幾點(diǎn)建議

第一是我們要加快技術(shù)的革新，以及整個(gè)工業(yè)的提升。我們中國(guó)商飛增材制造中心成立于2017年，目標(biāo)一方面是研究新的3D打印技術(shù)，另一方面把其他領(lǐng)域的應(yīng)用能夠借鑒到飛機(jī)的應(yīng)用上面來(lái)。

第二是我們要基于一個(gè)長(zhǎng)期發(fā)展的觀(guān)點(diǎn)，畢竟我們?cè)霾闹圃煲玫斤w機(jī)上去還是任重而道遠(yuǎn)，尤其是用到民機(jī)飛機(jī)上，我們要能夠堅(jiān)持下去，這個(gè)不可能一朝一夕就能實(shí)現(xiàn)民機(jī)應(yīng)用的目標(biāo)。

第三，畢竟中國(guó)商飛是應(yīng)用單位，而不是研究技術(shù)本身的，所以我們叫做有所為有所不為，有些要依靠供應(yīng)商來(lái)完成，中國(guó)商飛的核心能力在于它的設(shè)計(jì)和適航認(rèn)證這方面，大量的工作我們可以和廣大的供應(yīng)商合作一起干。

第四，要整合利用現(xiàn)有的資源。3D打印是非常有前景的項(xiàng)目，也是國(guó)家非常重視的項(xiàng)目，大型民機(jī)也是體現(xiàn)了國(guó)家意志和國(guó)家力量的一個(gè)項(xiàng)目，所以我們希望能夠跟廣大3D打印界的同仁們能夠很好合作起來(lái)，共同推進(jìn)我們?cè)霾闹圃煸诿駲C(jī)中的應(yīng)用與發(fā)展。