航空航天业中的的增材制造应用

来源： 中国复材

航空航天工业在每个阶段都要求质量——以精度、安全性和可靠性的严格要求为基础。随着客运量翻倍，以及减少对地球生态影响的压力比以往任何时候都大，航天和航空业的制造商必须满足21世纪航空的需求，特别强调制造轻质部件。然而，没有捷径可走，制造商不断探索的新方法，在更快的时间框架内设计和制造更多更轻的飞机，同时在任何飞机可以飞行之前获得严格的认证。

对轻量化部件的需求推动了对飞机部件制造方式的需求——例如，采用先进的复合材料或增材制造(AM)等新工艺。然而，任何新的设计都会给认证带来新的挑战，航空制造商通常会用自己的工作流程来解决设计认证障碍，但这不是一项小任务，可能需要大量的时间(有时是几个月)，而且还不包括解决途中的任何错误。通过航空航天标准来确定获得认证所需的测试是一项费力而耗时的工作。随着工程和生产技术的进步使创新变得越来越容易，简化认证活动的需求是必然的。

AM的挑战
为了应对这些挑战，航空航天制造商越来越多地使用增材制造用不同材料(包括先进复合材料)制造轻质部件，这些部件无法使用传统工艺生产。利用增材制造最大限度地减少了材料的使用，因此减少了浪费，并减少了制造过程中的能源消耗。

利用增材制造设计轻量级部件需要一种生成式设计方法，使工程师能够完全重新思考现有结构，而不会受到部件和合并部件外观的先入为主的想法的限制。通过虚拟创建零件的模拟，它减少了物理试验的次数，而不消耗任何原材料。它还使工程师能够快速调整制造过程，直到实现有效的过程。

生成式设计已经从简单地创造数千种可能的CAD设计演变为作为工程“副驾驶”，根据部件的负载、设计包线和强度或刚度目标，快速设计轻量级部件，提供所需的工程性能。

△生成式设计可以作为工程用“副驾驶”，快速设计轻质零件

生成式设计的性能优势可能是显著的。其中一个例子是海克斯康为Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG和Trumpf在卫星支架上所做的工作，其中轻量化结构尤为重要，因为每增加一公斤就会产生高昂的太空运输成本。海克斯康技术被用于创造一个新的高度复杂的设计，实现了最大的轻量化结构，并完美地适应和设计了操作要求。通过生成式设计，他们重新设计了支架的几何形状，重量减少了55%，刚度增加了79%。对于这样的高精度应用，工艺模拟在补偿粉末床熔融(PBF)过程中引入的热力学问题方面起着重要作用。

创建虚拟打印，例如模拟制造过程，可以减少物理试验的次数，因此对原材料的使用没有要求。只需在计算机上打印设计，如果设计失败，进行更改，直到流程正常。例如，赛峰集团使用Simufact Additive来虚拟开发和验证其PPBF生产的金属零件的增材制造过程，从而减少了物理迭代。

复合材料进一步增加了轻量化和创新潜力。工程师只需要数字工具来提供他们所需的答案，以确保零件按预期性能工作——这对于各向异性材料来说有点复杂，因为材料的微观结构使得材料的性能优于金属，但也使得预测零件在预期应用中的性能变得非常具有挑战性。

得益于Hexagon与Stratasys (3D打印和先进制造服务的创新领导者)之间的合作，工程师现在可以访问其航空航天认可材料的详细模型以及航空航天打印机的工具路径，因此设计工程师可以使用它来模拟这些材料打印的部件的性能。

借助计算机辅助工程(CAE)工具，工程团队可以可靠地将机械加工的金属部件替换为轻质部件，充分利用这些增强聚合物的特性，同时避免昂贵的过度工程和材料使用。

使用诸如此类经过严格验证的材料行为模拟，航空航天制造商现在可以从对其材料性能的独特见解中受益，并将聚合物3D打印的好处带入高度监管的航空航天领域。对于大多数航空航天应用来说，需要更多地与数据和参与设计阶段的工程师本身建立联系，以加快设计过程，提供更优化的最终结果，并最终实现飞行认证。
航空增材制造的前景

增材制造用于制造高度优化的部件(如发动机部件)以提高可持续性的应用正在增长。对于大多数航空航天应用，增材制造团队需要与设计阶段的数据和工程师建立更多的联系，这样他们就可以验证工程性能，并最终更快地获得飞行认证。

例如，现在可以将制造设计(DfAM)的所有步骤连接在一起，这样工程师就可以优化零件拓扑并生成这些“仿生”几何形状所需的支撑结构，同时进行工艺调整和补偿变形。

△通过DfAM，工程师可以优化零件拓扑结构

然而，为了在航空航天使用和飞行准备方面取得进展，制造商需要连接更多的数据和人员，包括上下游，以验证制造设计，并确保它将提供有效的飞行部件，并具有所需的工艺保证和工艺可重复性。

像“Nexus”这样的一些新型协作数字现实平台可使工程团队能够扩展DfAM解决方案为该行业带来的凝聚力，为有限元分析、过程分析和可追溯性提供“构建块”，因此制造商可以执行工程验证并更快地改进流程，从而在第一时间做成正确结果。因此，这节省了宝贵的时间和资源，同时更快地获得可持续航空和新机动性概念的认证。