中國商飛：大型民用飛機增材制造技術(shù)的應(yīng)用實踐與思考

IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇上，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《型民用飛機增材制造技術(shù)的應(yīng)用實踐與思考》的報告。

下面是南極熊根據(jù)現(xiàn)場速記編輯的內(nèi)容：

大型民用飛機增材制造技術(shù)的應(yīng)用實踐與思考

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

大型民機上，按材料可分為粉材和絲材，工藝分為激光和電子束，主要用來做一些金屬零部件的結(jié)構(gòu)。增材制造給飛機的生產(chǎn)和研制帶來了巨大的變化。第一是減少了成本，不光是材料的成本還有加工成本，裝配的時間；飛機有些零部件非常復(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，一體化減少裝配時間，這些都有成功的案例。

改進產(chǎn)品的性能

增材制造現(xiàn)在一般來說都和一些結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計結(jié)合到了一起。比如飛機吊掛的結(jié)構(gòu)，原來都是框梁的結(jié)構(gòu)，我們?nèi)绻��?D打印做，肯定不是按原來的結(jié)構(gòu)來設(shè)計，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，這個設(shè)計減重10%左右，它更好的地方在哪里？原來框架結(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


比如說以后飛機壞了，按照現(xiàn)在模式都會有大量的備件，我們不知道哪個零件會壞，每個都有需要有備件。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替換上去。特別是老舊機型，很多零件就不生產(chǎn)了，但是數(shù)字模型還會一直保持下來，以后一旦有一些零件壞掉了，就可以通過3D打印實現(xiàn)快速制造。這對于我們供應(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，飛機就增加20萬元的效益


有人一直說3D打印很貴，但是從我們民機的角度出發(fā)，3D打印真的很貴嗎？首先從制造方式來說它會帶來一些經(jīng)濟上的好處，比如材料利用率高等方面。波音估算，如果大量采用3D打印，一架飛機減少200—300萬的制造成本。不光是制造成本，如果我們從飛機的壽命來考慮，它帶來的成本效益會更高。我們一架飛機在設(shè)計的時候，考慮壽命是30年，起降能到一萬多次。在這么長的時間過程中，如果減少一千克的重量都可以帶來很可觀的經(jīng)濟效益。據(jù)空客估算，如果飛機減少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22萬人民幣的效益；如果從ARJ21飛機估算，可以帶來20萬人民幣經(jīng)濟效益的提升。如果我們能夠用增材制造給它減重，這個機制是非常可觀的。

我結(jié)合幾個案例來講。做滑輪導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，它原來的結(jié)構(gòu)是1.28千克，現(xiàn)在變成1.07千克，減少0.21千克，它能帶來全壽命經(jīng)濟效益是42000元，這個效益完全能夠覆蓋住制造成本的增加；窗門角頁壁的結(jié)構(gòu)，原來機加工是3.8千克，后來我們做了拓?fù)鋬?yōu)化，用增材制造來做能減少到2.2千克，這減少的重量能夠帶來26萬元人民幣的經(jīng)濟效益的提升。（南極熊補充：即使花幾萬元來3D打印這個零件，也是值得的）所以說這樣一比較增材制造的經(jīng)濟效益還是非常可觀的。

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

中國商飛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)，里面也有相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，原來分別制造組裝起來，現(xiàn)在用增材制造可以給它一體成型，帶來材料利用率和加工時間方面的好處。
  

• 艙門的機構(gòu)件，現(xiàn)在這個結(jié)構(gòu)件一共有28個零件，現(xiàn)在已經(jīng)在103架C919飛機上裝上去了，現(xiàn)在就在西安閻良試飛這架飛機，這是國產(chǎn)飛機上面首批應(yīng)用增材制造的零部件。
  

• 風(fēng)扇進氣口，當(dāng)時據(jù)說有這樣一個故事，當(dāng)時發(fā)現(xiàn)有問題之后，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的時間才能得到產(chǎn)品，最后我們選擇用3D打印，給它打印出來之后，用很短的時間就裝到了飛機上面，保證了我們首飛任務(wù)的完成。
  

• 短艙鉸鏈支架，這個鉸鏈支架是干什么用？短艙在下面能夠打開，鉸鏈支架在下面固定用，一個倉有8個支架，  做了脫鋪優(yōu)化設(shè)計，1.13千克減少到0.87千克，減少23%的重量。這是鉸鏈壁，這個圖想說明我們增材制造用拓?fù)鋬?yōu)化的方法可以帶來很好的減重的效果。另外一個優(yōu)化的方法點陣結(jié)構(gòu)，點陣結(jié)構(gòu)既能提高它的強度剛度，同時保證它的重量不會增加太多，這是我們其中一個案例，艙門手柄，手柄是我們打開艙門用的一個機構(gòu)，它是用鋁合金來做的，用點陣結(jié)構(gòu)可以減輕15%的重量。
  

3D打印應(yīng)用民航飛機的長遠規(guī)劃


這些應(yīng)用案例對于長遠的規(guī)劃來說，這只是剛剛開始起步，我們也做了針對于長遠發(fā)展應(yīng)用的路線圖。剛才大量的案例都是1到2年可以實現(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，對于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，對于可靠性要求并不是非常高。


我們打算用3—5年的時間，能夠?qū)崿F(xiàn)對于可靠性和結(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)計劃用5—8年實現(xiàn)，更多用較長的時間實現(xiàn)整機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。主要承力件和整機結(jié)構(gòu)，我們現(xiàn)在已經(jīng)做3D打印的研究，已經(jīng)對產(chǎn)品做了原型，驗證拓?fù)鋬?yōu)化的吊掛結(jié)構(gòu)，它承載飛機發(fā)動機的推力和發(fā)動機自身的重量和振動這方面的工況，要求非常高。


我們現(xiàn)在已經(jīng)能做出3D打印的原型驗證件，拓?fù)鋬?yōu)化能減輕10%以上，還有整機的拓?fù)鋬?yōu)化，雖然現(xiàn)在整機不可能做3D打印，但是我們通過縮比驗證的方式已經(jīng)驗證了，這架飛機我們設(shè)計80米，縮比40倍以后，一盞兩米全機3D打印無人機已經(jīng)做出來了，而且中間用到了大量結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化和點陣一體化設(shè)計，這架縮比驗證機不僅做出來了，還實現(xiàn)空中飛行驗證，真正能飛起來的3D打印無人機。

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


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

今后飛機發(fā)動機的吊掛，我們計劃以后用增材制造實現(xiàn)，它要實現(xiàn)鍛件的材料，相對來說難度高一些，因為鍛件從性能的穩(wěn)定性和抗疲勞這方面來說都比增材制造稍微好一點。

中國商飛增材制造核心能力和供應(yīng)商合作模式


從整個增材制造在民機上的應(yīng)用來說，分為材料、設(shè)備、設(shè)計、制造、質(zhì)量認(rèn)證、適航、批生產(chǎn)、維修維護這幾個方面。中國商飛要自主掌握的是設(shè)計、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)和維修維護也通過和供應(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)計上我們主要做設(shè)計的指南，質(zhì)量主要做質(zhì)量評價體系的建設(shè)，適航是我們民機的特色，需要我們自己建立一個適航符合性的規(guī)范，批生產(chǎn)和維修維護在批生產(chǎn)的組織模式和維修手冊的制定。3D打印對于飛機制造是一個新的技術(shù)，我們在各方面都需要制定一些新的規(guī)范，比如說設(shè)計，設(shè)計作為應(yīng)用研究單位最先要掌握的一個方法。但是增材制造，它帶來完全創(chuàng)新性的設(shè)計理念，比如大量的點陣，所謂的拓?fù)鋬?yōu)化，到底這個設(shè)計是不是合理，是不是可靠？我們需要大量的研究工作。

比如上面的點陣結(jié)構(gòu)，可以說不能保證每一根竿打印出來都是連上的，或者使用過程不會壞掉，但是我們承認(rèn)它會壞掉的前提下，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)為這個飛機是安全的，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？它是不是達到了最佳的設(shè)計？這對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的，設(shè)備也是采購的，什么樣的材料可以滿足商用飛機的使用要求？這需要我們自己定出一個規(guī)范來。還有什么樣的工藝符合飛機制造的要求？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)于控制了這個工藝，其實這方面也有大量的工作要做，現(xiàn)在我們也有一些心得。

作為大型民機來說，最重要的一件事情是適航認(rèn)證，適航認(rèn)證主要由中國民航FAA，F(xiàn)AA是美國，還有歐洲的EASA，我們需要通過管理局的認(rèn)證。3D打印不是我們說能應(yīng)用就行了，還要管理局覺得是可靠的技術(shù)才能真正在飛機上應(yīng)用，這項技術(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難題。

對于3D打印民航應(yīng)用的幾點建議

第一是我們要加快技術(shù)的革新，以及整個工業(yè)的提升。我們中國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)用能夠借鑒到飛機的應(yīng)用上面來。

第二是我們要基于一個長期發(fā)展的觀點，畢竟我們增材制造要用到飛機上去還是任重而道遠，尤其是用到民機飛機上，我們要能夠堅持下去，這個不可能一朝一夕就能實現(xiàn)民機應(yīng)用的目標(biāo)。

第三，畢竟中國商飛是應(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)商來完成，中國商飛的核心能力在于它的設(shè)計和適航認(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目，也是國家非常重視的項目，大型民機也是體現(xiàn)了國家意志和國家力量的一個項目，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，共同推進我們增材制造在民機中的應(yīng)用與發(fā)展。