新兴飞行器:增材制造在航空业中大规模应用的新平台

3D打印动态
2021
03/24
14:13
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来源: 国际航空
作者:阴鹏艳,中国航空工业发展研究中心

2020年10月,超声速商用飞机制造商Boom Supersonic公司推出了首架XB-1超声速演示验证机,XB-1从设计制造到使用材料上都进行了全新的重构,特别是通过成功运用增材制造技术,在发动机等高温、复杂结构部件中实现了对钛合金材料的自由设计制造、取得了更好的质量控制,同时也削减了大量开发和维护成本。

Boom公司于2016年宣布了XB-1超声速客机的设计方案及参数,并公开展示了其验证机。2017年,Boom公司修改了XB-1的进气道、机翼和垂尾设计方案,随后陆续与日本航空公司、Advent飞机系统公司、Stratasys公司、VELO 3D公司及美国空军等建立合作关系。2020年,Boom公司完成了静态机翼加载测试、机翼结构组装与关键对接测试,并于10月推出了二代验证机。
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XB-1是超声速客机“序曲”(Overture)的1:3缩比原型验证机,而“序曲”的载客量达55~75人。XB-1采用了双座设计,机长21.64m、翼展长6.4m,装载3台GE公司J85-15发动机,巡航速度Ma 2.2。据Boom公司透露,XB-1后续将进行地面测试,并计划于2021年进行100%碳中和测试后实现首飞。同时,公司将完成“序曲”的推进系统设计制造并进行风洞测试和验证。当XB-1在飞行测试中突破声障后,Boom将最终确认“序曲”的设计,并在2025年推出全尺寸的超声速客机。
目前维珍集团和日本航空公司已经预订了30架该型客机。

钛合金部件增材制造的优势
从2019年起,Boom公司与VELO 3D公司就钛合金部件的增材制造开展了合作,VELO 3D利用该公司的“蓝宝石”系统为XB-1开发和制造了飞机关键位置零件,这些钛合金部件大多用于发动机、环境控制系统和结构部件。

在最新的XB-1演示验证机上已安装有21个钛合金增材制造部件,包括:将发动机压气机引气至飞机的外模线(OML)的可变涵道阀(VBV)系统歧管;用于冷却驾驶舱和电子系统舱的环境控制系统(ECS)的排气窗板;用于将中央进气口的二次引气流引导至外模线的窗板;NACA导管和两个分流器法兰结构部件。

VELO 3D公司将现有技术扩展到极限,研发出了可以打印薄壁钛合金部件的工艺技术,其“蓝宝石”系统采用了一种名为“智能融合”的技术,利用激光粉末床融合(LPBF)工艺烧结金属粉末,并且凭借独特的“无支撑”制造技术免除了大量的支撑结构。系统还集成了Flow前处理软件和Assure质量控制软件,着力于满足生产领域对于效率、质量一致性以及加工稳定性的需求。

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△XB-1超声速客机验证机上的钛合金增材制造部件。

结构设计不必向制造方式妥协
利用增材制造技术可以为部件带来更大的设计灵活性。在越来越可靠的制造技术的支持下,Boom公司设计了一系列新型薄壁零件,推动了部件减重和薄壁几何状零件的发展。

XB-1的许多3D打印零件与引气气流有关,且零件的工作环境超过260℃,如复杂的叶片、导管和窗板等。通过使用Flow前处理软件,设计人员在NACA导管的薄壁上增加了一些结构肋以增加强度,其他绝大多数的零件都采用数字模型直接进行制造。

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△1 kW双激光头烧结,并将钛粉熔化沉积为近净形状的零件。


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△通过前处理软件在NACA导管的薄壁部位生成加强肋以增加结构强度。

难加工钛合金得以高质量打印
有些薄壁钛合金零件无法使用铸造工艺实现,而借助于VELO 3D的解决方案,通过优化打印参数和打印顺序减少了基座中的内应力;通过在Z轴方向的材料堆积减少了冷却过程中形成的内应力,从而降低了开裂的可能性;其非接触式的铺粉方式避免了摩擦和碰撞风险,保证了中央进气口、排气窗板、空心叶片这类大尺寸薄壁零件的成功打印,并且不需要多余的材料来增加内部强度。

生产薄壁零件的过程控制至关重要。根据基于物理模型的实时多传感器检测算法,预构建零件的校准只需在电脑上点击,软件即可自动检查关键变量,工艺过程中也可定量监控各项关键指标并标记是否出现异常。所有数据点都汇总在一个信息丰富的报告中,这些报告都会保存下来,以备后续参考,使零件获得更高的可追溯性和制造质量,并降低过程错误(尤其是重复过程错误)的风险。

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△XB-1的每台发动机均安装有可变涵道阀(VBV)系统。该系统可以排出压缩机空气以防止发动机失速。左为来自Flow前处理软件的数字模型;中为打印完成的3个零件;右为窗板叶片。


简化后处理
当在精加工过程中创建用于固定零件的夹具时,复杂几何形状的零件可以使用其CAD模型快速设计夹具形状,并在单独的熔融沉积成形(FDM)打印机上打印定制的夹具。

打印完成的零件表面粗糙度平均值为Ra 250。虽然XB-1的零件关键要素是几何形状和零件强度,并不要求VELO 3D对零件进行表面处理,但VELO 3D公司表示零件表面粗糙度经简单步骤处理即可达到Ra 125的水平。成品零件往往还会进行热处理和/或热等静压处理,以提高疲劳寿命。

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△XB-1的VBV机身歧管上的内部通道完全没有支撑结构,大大节省了材料、后处理时间和劳动力。

增材制造技术的其他应用
除与VELO 3D公司合作进行钛合金零部件的增材制造外,Boom公司还与增材制造解决方案供应商Stratasys公司建立了合作关系,并通过将其F900设备与飞机内饰解决方案(AIS)软件包结合使用,为XB-1创建数百个3D打印零件。这些3D打印部件不仅直接组装到XB-1上,还可以用于工具、原型和测试台等其他地方。例如,在将钛合金面板安装到后机身时,几乎每个紧固件孔都是使用3D打印的钻头制作的,这些增材制造技术的应用节省了数百小时的工时。

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△XB-1的后机身区域装配场景。

实际上,相对于较为传统的、高度重视安全性的和认证流程的商业航空,这些新概念飞行器确实为增材制造这样的"老牌新技术"提供了更广阔的应用空间。有关增材制造在航空业的应用问题,可以参考本公众号过去的报道:“到不了的未来?增材制造技术何时走出低谷?”

因此,XB-1样机的成功推出,标志着在商业超声速飞行方面新兴飞行器技术所达到的转折点,同时展示了增材制造在加速产品研发制造上的革新能力。在复合材料、钛合金、高温合金等用于承力、热端部件的材料制造方面,随着增材制造技术在制造精度、速度、质量控制等方面不断取得新突破,在标准化鉴定认证、价值链集成方面更加统一和完善,增材制造将助力超声速飞机成为商业与制造业角逐的新高地。





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