中国商飞：大型民用飞机增材制造技术的应用实践与思考

IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛上，2019年9月 20 日“增材制造技术与航空航天论坛”，南极熊遇到了中国商飞增材制造技术应用研究中心的马立敏做了主题是《型民用飞机增材制造技术的应用实践与思考》的报告。

下面是南极熊根据现场速记编辑的内容：

大型民用飞机增材制造技术的应用实践与思考

报告分为四个部分，应用与发展，创新应用的路线图，核心能力建设，一些思想和建议。

大型民机上，按材料可分为粉材和丝材，工艺分为激光和电子束，主要用来做一些金属零部件的结构。增材制造给飞机的生产和研制带来了巨大的变化。第一是减少了成本，不光是材料的成本还有加工成本，装配的时间；飞机有些零部件非常复杂，如果锻造，最后90%被加工掉，百分之几的材料才是有用的结构。我们现在用增材制造可以大大节约材料的成本，一体化减少装配时间，这些都有成功的案例。

改进产品的性能

增材制造现在一般来说都和一些结构的创新设计、优化设计结合到了一起。比如飞机吊挂的结构，原来都是框梁的结构，我们如果用3D打印做，肯定不是按原来的结构来设计，而是按照现在比较流行的拓扑优化方法，做出轻量化设计，这个设计减重10%左右，它更好的地方在哪里？原来框架结构传力路径不是最优的，拓扑优化之后的设计安全按照结构的传力路径按照材料的分布，传力路径布置材料，把大量应力较小的地方抠掉，可以提高产品的性能。

改变供应链的模式


比如说以后飞机坏了，按照现在模式都会有大量的备件，我们不知道哪个零件会坏，每个都有需要有备件。有了3D打印之后，我们备件只是备零件的数字模型，坏掉了之后马上可以用3D打印的方式制造出来替换上去。特别是老旧机型，很多零件就不生产了，但是数字模型还会一直保持下来，以后一旦有一些零件坏掉了，就可以通过3D打印实现快速制造。这对于我们供应链的管理几乎产生了变革性的变化。

3D打印零件重量减少1千克，飞机就增加20万元的效益


有人一直说3D打印很贵，但是从我们民机的角度出发，3D打印真的很贵吗？首先从制造方式来说它会带来一些经济上的好处，比如材料利用率高等方面。波音估算，如果大量采用3D打印，一架飞机减少200—300万的制造成本。不光是制造成本，如果我们从飞机的寿命来考虑，它带来的成本效益会更高。我们一架飞机在设计的时候，考虑寿命是30年，起降能到一万多次。在这么长的时间过程中，如果减少一千克的重量都可以带来很可观的经济效益。据空客估算，如果飞机减少1000克，结构减少1000克，相当于商载增加1000克，增加1000克商载就增加22万人民币的效益；如果从ARJ21飞机估算，可以带来20万人民币经济效益的提升。如果我们能够用增材制造给它减重，这个机制是非常可观的。

我结合几个案例来讲。做滑轮导轨的结构，它原来的结构是1.28千克，现在变成1.07千克，减少0.21千克，它能带来全寿命经济效益是42000元，这个效益完全能够覆盖住制造成本的增加；窗门角页壁的结构，原来机加工是3.8千克，后来我们做了拓扑优化，用增材制造来做能减少到2.2千克，这减少的重量能够带来26万元人民币的经济效益的提升。（南极熊补充：即使花几万元来3D打印这个零件，也是值得的）所以说这样一比较增材制造的经济效益还是非常可观的。

增材制造对于商用飞机带来的变化是全方位的，比如说它设备的变化，材料的变化，设计的变化，还有一些制造过程，检测，质量认证，批生产，维修，这些方面都带来了很多变化。从预研、设计、生产、适航、客服、回收，也都带来了一些不一样的情况，这需要工作中做大量的研究。

中国商飞3D打印应用案例

• 排叶孔（音），外面有复杂的曲面结构，里面也有相对复杂的结构，原来分别制造组装起来，现在用增材制造可以给它一体成型，带来材料利用率和加工时间方面的好处。
  

• 舱门的机构件，现在这个结构件一共有28个零件，现在已经在103架C919飞机上装上去了，现在就在西安阎良试飞这架飞机，这是国产飞机上面首批应用增材制造的零部件。
  

• 风扇进气口，当时据说有这样一个故事，当时发现有问题之后，离我们的首飞已经很近了，怎么办？如果用传统的方式制造需要很长的时间才能得到产品，最后我们选择用3D打印，给它打印出来之后，用很短的时间就装到了飞机上面，保证了我们首飞任务的完成。
  

• 短舱铰链支架，这个铰链支架是干什么用？短舱在下面能够打开，铰链支架在下面固定用，一个仓有8个支架，  做了脱铺优化设计，1.13千克减少到0.87千克，减少23%的重量。这是铰链壁，这个图想说明我们增材制造用拓扑优化的方法可以带来很好的减重的效果。另外一个优化的方法点阵结构，点阵结构既能提高它的强度刚度，同时保证它的重量不会增加太多，这是我们其中一个案例，舱门手柄，手柄是我们打开舱门用的一个机构，它是用铝合金来做的，用点阵结构可以减轻15%的重量。
  

3D打印应用民航飞机的长远规划


这些应用案例对于长远的规划来说，这只是刚刚开始起步，我们也做了针对于长远发展应用的路线图。刚才大量的案例都是1到2年可以实现，叫做内室结构以及功能性的一些结构，这些结构更侧重于它的功能需求，对于结构的应力，对于可靠性要求并不是非常高。


我们打算用3—5年的时间，能够实现对于可靠性和结构承载能力要求高的，像非主承力结构；主承力结构计划用5—8年实现，更多用较长的时间实现整机和大布段增材制造和拓扑优化，以及其他一些创新方法。主要承力件和整机结构，我们现在已经做3D打印的研究，已经对产品做了原型，验证拓扑优化的吊挂结构，它承载飞机发动机的推力和发动机自身的重量和振动这方面的工况，要求非常高。


我们现在已经能做出3D打印的原型验证件，拓扑优化能减轻10%以上，还有整机的拓扑优化，虽然现在整机不可能做3D打印，但是我们通过缩比验证的方式已经验证了，这架飞机我们设计80米，缩比40倍以后，一盏两米全机3D打印无人机已经做出来了，而且中间用到了大量结构的拓扑优化和点阵一体化设计，这架缩比验证机不仅做出来了，还实现空中飞行验证，真正能飞起来的3D打印无人机。

应用路线图上面典型的案例——舱门内饰件，这是阅读灯的灯罩，这个用3D打印的好处，以后要做公务机，里面个性化的装饰可以用3D打印做，比较方案的时候，可以用3D打印出不同的方案供选择。


这是功能件，有一个滑轨套筒，上面是风扇进气口，它的好处是等待替换的一个作用，好处是能够进行一体化的设计减轻重量，减少装配。还有次承力件，舱门铰链壁，短舱铰链支架，这个要承受一定的力，但是力又不是非常大，我们可以用增材制造来实现，它们原来都是铸造的方法做出来，现在用增材制造能够实现结构的优化，来减重，来提高它的材料的使用率。

今后飞机发动机的吊挂，我们计划以后用增材制造实现，它要实现锻件的材料，相对来说难度高一些，因为锻件从性能的稳定性和抗疲劳这方面来说都比增材制造稍微好一点。

中国商飞增材制造核心能力和供应商合作模式


从整个增材制造在民机上的应用来说，分为材料、设备、设计、制造、质量认证、适航、批生产、维修维护这几个方面。中国商飞要自主掌握的是设计、工艺、质量认证、适航这方面的工作。关于材料和设备我们准备和供应商合作，还有一些批生产和维修维护也通过和供应商的合作完成。


我们的核心在于材料和工艺的规范，还有适航。设计上我们主要做设计的指南，质量主要做质量评价体系的建设，适航是我们民机的特色，需要我们自己建立一个适航符合性的规范，批生产和维修维护在批生产的组织模式和维修手册的制定。3D打印对于飞机制造是一个新的技术，我们在各方面都需要制定一些新的规范，比如说设计，设计作为应用研究单位最先要掌握的一个方法。但是增材制造，它带来完全创新性的设计理念，比如大量的点阵，所谓的拓扑优化，到底这个设计是不是合理，是不是可靠？我们需要大量的研究工作。

比如上面的点阵结构，可以说不能保证每一根竿打印出来都是连上的，或者使用过程不会坏掉，但是我们承认它会坏掉的前提下，它坏掉多少我们是可以接受的，它在哪里坏掉我们可以接受，我们认为这个飞机是安全的，这都需要我们大量做研究工作。拓扑优化结构带来看着很清很爽很炫的结构，但是这种结构的可靠性到底好不好？它是不是达到了最佳的设计？这对于我们今后都是核心能力的体现。

材料和工艺的规范，我们现在材料基本上是从外面采购的，设备也是采购的，什么样的材料可以满足商用飞机的使用要求？这需要我们自己定出一个规范来。还有什么样的工艺符合飞机制造的要求？据我所知，增材制造的工艺参数可能有上百个参数之多，我们抓住哪些关键的参数就相当于控制了这个工艺，其实这方面也有大量的工作要做，现在我们也有一些心得。

作为大型民机来说，最重要的一件事情是适航认证，适航认证主要由中国民航FAA，FAA是美国，还有欧洲的EASA，我们需要通过管理局的认证。3D打印不是我们说能应用就行了，还要管理局觉得是可靠的技术才能真正在飞机上应用，这项技术证明给自己看还比较容易，但是要给第三方认证就比较难了，这也是我们今后要攻克的一个难题。

对于3D打印民航应用的几点建议

第一是我们要加快技术的革新，以及整个工业的提升。我们中国商飞增材制造中心成立于2017年，目标一方面是研究新的3D打印技术，另一方面把其他领域的应用能够借鉴到飞机的应用上面来。

第二是我们要基于一个长期发展的观点，毕竟我们增材制造要用到飞机上去还是任重而道远，尤其是用到民机飞机上，我们要能够坚持下去，这个不可能一朝一夕就能实现民机应用的目标。

第三，毕竟中国商飞是应用单位，而不是研究技术本身的，所以我们叫做有所为有所不为，有些要依靠供应商来完成，中国商飞的核心能力在于它的设计和适航认证这方面，大量的工作我们可以和广大的供应商合作一起干。

第四，要整合利用现有的资源。3D打印是非常有前景的项目，也是国家非常重视的项目，大型民机也是体现了国家意志和国家力量的一个项目，所以我们希望能够跟广大3D打印界的同仁们能够很好合作起来，共同推进我们增材制造在民机中的应用与发展。