航空航天業中的的增材制造應用

魔猴君  行業資訊   700天前

航空航天工業在每個階段都要求質量——以精度、安全性和可靠性的嚴格要求為基礎。隨著客運量翻倍，以及減少對地球生態影響的壓力比以往任何時候都大，航天和航空業的制造商必須滿足21世紀航空的需求，特別強調制造輕質部件。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設計和制造更多更輕的飛機，同時在任何飛機可以飛行之前獲得嚴格的認證。

對輕量化部件的需求推動了對飛機部件制造方式的需求——例如，采用先進的復合材料或增材制造(AM)等新工藝。然而，任何新的設計都會給認證帶來新的挑戰，航空制造商通常會用自己的工作流程來解決設計認證障礙，但這不是一項小任務，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。通過航空航天標準來確定獲得認證所需的測試是一項費力而耗時的工作。隨著工程和生產技術的進步使創新變得越來越容易，簡化認證活動的需求是必然的。

AM的挑戰

為了應對這些挑戰，航空航天制造商越來越多地使用增材制造用不同材料(包括先進復合材料)制造輕質部件，這些部件無法使用傳統工藝生產。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。

利用增材制造設計輕量級部件需要一種生成式設計方法，使工程師能夠完全重新思考現有結構，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。通過虛擬創建零件的模擬，它減少了物理試驗的次數，而不消耗任何原材料。它還使工程師能夠快速調整制造過程，直到實現有效的過程。

生成式設計已經從簡單地創造數千種可能的CAD設計演變為作為工程“副駕駛”，根據部件的負載、設計包線和強度或剛度目標，快速設計輕量級部件，提供所需的工程性能。

△生成式設計可以作為工程用“副駕駛”，快速設計輕質零件

生成式設計的性能優勢可能是顯著的。其中一個例子是海克斯康為Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG和TRUMPF在衛星支架上所做的工作，其中輕量化結構尤為重要，因為每增加一公斤就會產生高昂的太空運輸成本。海克斯康技術被用于創造一個新的高度復雜的設計，實現了最大的輕量化結構，并完美地適應和設計了操作要求。通過生成式設計，他們重新設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用，工藝模擬在補償粉末床熔融(PBF)過程中引入的熱力學問題方面起著重要作用。

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

復合材料進一步增加了輕量化和創新潛力。工程師只需要數字工具來提供他們所需的答案，以確保零件按預期性能工作——這對于各向異性材料來說有點復雜，因為材料的微觀結構使得材料的性能優于金屬，但也使得預測零件在預期應用中的性能變得非常具有挑戰性。得益于Hexagon與Stratasys (3D打印和先進制造服務的創新領導者)之間的合作，工程師現在可以訪問其航空航天認可材料的詳細模型以及航空航天打印機的工具路徑，因此設計工程師可以使用它來模擬這些材料打印的部件的性能。

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

使用諸如此類經過嚴格驗證的材料行為模擬，航空航天制造商現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管的航空航天領域。對于大多數航空航天應用來說，需要更多地與數據和參與設計階段的工程師本身建立聯系，以加快設計過程，提供更優化的最終結果，并最終實現飛行認證。

航空增材制造的前景

增材制造用于制造高度優化的部件(如發動機部件)以提高可持續性的應用正在增長。對于大多數航空航天應用，增材制造團隊需要與設計階段的數據和工程師建立更多的聯系，這樣他們就可以驗證工程性能，并最終更快地獲得飛行認證。

例如，現在可以將制造設計(DfAM)的所有步驟連接在一起，這樣工程師就可以優化零件拓撲并生成這些“仿生”幾何形狀所需的支撐結構，同時進行工藝調整和補償變形。

△通過DfAM，工程師可以優化零件拓撲結構

然而，為了在航空航天使用和飛行準備方面取得進展，制造商需要連接更多的數據和人員，包括上下游，以驗證制造設計，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性。像“Nexus”這樣的一些新型協作數字現實平臺可使工程團隊能夠擴展DfAM解決方案為該行業帶來的凝聚力，為有限元分析、過程分析和可追溯性提供“構建塊”，因此制造商可以執行工程驗證并更快地改進流程，從而在第一時間做成正確結果。因此，這節省了寶貴的時間和資源，同時更快地獲得可持續航空和新機動性概念的認證。

來源：3D打印網