使輕型增材制造適用于嚴(yán)格監(jiān)管的航空航天應(yīng)用
航空航天工業(yè)在每個(gè)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(yùn)量翻倍，以及減少對(duì)地球生態(tài)影響的壓力比以往任何時(shí)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(méi)有捷徑可走，制造商不斷探索的新方法，在更快的時(shí)間框架內(nèi)設(shè)計(jì)和制造更多更輕的飛機(jī)，同時(shí)在任何飛機(jī)可以飛行之前獲得嚴(yán)格的認(rèn)證。對(duì)輕量化部件的需求推動(dòng)了對(duì)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(jì)都會(huì)給認(rèn)證帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，航空制造商通常會(huì)用自己的工作流程來(lái)解決設(shè)計(jì)認(rèn)證障礙，但這不是一項(xiàng)小任務(wù)，可能需要大量的時(shí)間(有時(shí)是幾個(gè)月)，而且還不包括解決途中的任何錯(cuò)誤。通過(guò)航空航天標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定獲得認(rèn)證所需的測(cè)試是一項(xiàng)費(fèi)力而耗時(shí)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(lái)越容易，簡(jiǎn)化認(rèn)證活動(dòng)的需求是必然的。
AM的挑戰(zhàn)
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，航空航天制造商越來(lái)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(wú)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(fèi)，并減少了制造過(guò)程中的能源消耗。利用增材制造設(shè)計(jì)輕量級(jí)部件需要一種生成式設(shè)計(jì)方法，使工程師能夠完全重新思考現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，而不會(huì)受到部件和合并部件外觀的先入為主的想法的限制。通過(guò)虛擬創(chuàng)建零件的模擬，它減少了物理試驗(yàn)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(guò)程，直到實(shí)現(xiàn)有效的過(guò)程。生成式設(shè)計(jì)已經(jīng)從簡(jiǎn)單地創(chuàng)造數(shù)千種可能的CAD設(shè)計(jì)演變?yōu)樽鳛楣こ獭案瘪{駛”，根據(jù)部件的負(fù)載、設(shè)計(jì)包線和強(qiáng)度或剛度目標(biāo)，快速設(shè)計(jì)輕量級(jí)部件，提供所需的工程性能。
生成式設(shè)計(jì)可以作為工程用“副駕駛”，快速設(shè)計(jì)輕質(zhì)零件
生成式設(shè)計(jì)的性能優(yōu)勢(shì)可能是顯著的。其中一個(gè)例子是海克斯康為T(mén)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?yàn)槊吭黾右还锞蜁?huì)產(chǎn)生高昂的太空運(yùn)輸成本。海克斯康技術(shù)被用于創(chuàng)造一個(gè)新的高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了最大的輕量化結(jié)構(gòu)，并完美地適應(yīng)和設(shè)計(jì)了操作要求。通過(guò)生成式設(shè)計(jì)，他們重新設(shè)計(jì)了支架的幾何形狀，重量減少了55%，剛度增加了79%。對(duì)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(guò)程中引入的熱力學(xué)問(wèn)題方面起著重要作用。創(chuàng)建虛擬打印，例如模擬制造過(guò)程，可以減少物理試驗(yàn)的次數(shù)，因此對(duì)原材料的使用沒(méi)有要求。只需在計(jì)算機(jī)上打印設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)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(lái)虛擬開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證其PPBF生產(chǎn)的金屬零件的增材制造過(guò)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(lái)提供他們所需的答案，以確保零件按預(yù)期性能工作——這對(duì)于各向異性材料來(lái)說(shuō)有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)椴牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)使得材料的性能優(yōu)于金屬，但也使得預(yù)測(cè)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(wèn)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(jì)工程師可以使用它來(lái)模擬這些材料打印的部件的性能。借助計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)工具，工程團(tuán)隊(duì)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(shí)避免昂貴的過(guò)度工程和材料使用。使用諸如此類經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的材料行為模擬，航空航天制造商現(xiàn)在可以從對(duì)其材料性能的獨(dú)特見(jiàn)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(duì)于大多數(shù)航空航天應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要更多地與數(shù)據(jù)和參與設(shè)計(jì)階段的工程師本身建立聯(lián)系，以加快設(shè)計(jì)過(guò)程，提供更優(yōu)化的最終結(jié)果，并最終實(shí)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(dòng)機(jī)部件)以提高可持續(xù)性的應(yīng)用正在增長(zhǎng)。對(duì)于大多數(shù)航空航天應(yīng)用，增材制造團(tuán)隊(duì)需要與設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)(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蛇@些“仿生”幾何形狀所需的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)行工藝調(diào)整和補(bǔ)償變形。
通過(guò)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(yàn)證制造設(shè)計(jì)，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(shí)平臺(tái)可使工程團(tuán)隊(duì)能夠擴(kuò)展DfAM解決方案為該行業(yè)帶來(lái)的凝聚力，為有限元分析、過(guò)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(yàn)證并更快地改進(jìn)流程，從而在第一時(shí)間做成正確結(jié)果。因此，這節(jié)省了寶貴的時(shí)間和資源，同時(shí)更快地獲得可持續(xù)航空和新機(jī)動(dòng)性概念的認(rèn)證。
此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。
