航空維修中3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用

賈婷婷

摘要：3D打印技術(shù)也稱之為增材制造技術(shù)，是減材制造后衍生的快速成型技術(shù)。通過3D模型數(shù)據(jù)，逐步分切打印疊加，從而形成完整產(chǎn)品。在加工制造時(shí)，基本上不會(huì)生產(chǎn)廢棄物，在貴重稀有金屬加工中，獨(dú)具優(yōu)勢，特別是航空航天制造領(lǐng)域。近年來3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得其在成本與質(zhì)量等多方面獲得了想好效益，尤其是航空領(lǐng)域發(fā)展，備受高度重視。在航空領(lǐng)域發(fā)展中，在飛機(jī)數(shù)量逐漸增多的趨勢下，航空維修環(huán)節(jié)的重要性越來越突出，在保證航空出行安全與穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，有效節(jié)約維修成本與時(shí)間則成為了一大主要研究熱點(diǎn)。因此，文章主要對航空維修中3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：航空維修;3D打印技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號：TQ050.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0105-03

3D打印技術(shù)以其快速成型特性，被稱之為增材制造技術(shù)，此技術(shù)始于20世紀(jì)末期，其運(yùn)行基礎(chǔ)為數(shù)字模型文件把材料制造技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化，這一過程顯著提高了三維物體數(shù)據(jù)的精確性與穩(wěn)定性。隨著3D打印技術(shù)在社會(huì)各界備受重視，此技術(shù)自身也實(shí)現(xiàn)了不斷優(yōu)化發(fā)展。也正是因?yàn)?D打印技術(shù)在航空制造上深藏潛質(zhì)，全世界都投入了大量成本與資源。而在航空維修領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也具備其獨(dú)特性優(yōu)勢，能夠切實(shí)應(yīng)用到快速生產(chǎn)工具與維修備用件中，對航空信息化建設(shè)創(chuàng)新發(fā)揮著重要作用。

1 航空維修現(xiàn)狀

在飛機(jī)數(shù)量不斷增多的趨勢下，基于航空安全與穩(wěn)定，有效節(jié)約維修成本與時(shí)間，提高資源利用率，增加經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益是航空公司在深入探究的主要課題。而影響課題研究的關(guān)鍵是航材問題。航材管理方式直接影響著航空維修成本，但是我國大多數(shù)航空公司的航材管理依舊存在許多問題，亟待改善。

1.1 庫存不足

航材保障只是針對常見性故障，但是在遇到特殊情況的時(shí)候，無法在國內(nèi)的航材庫中及時(shí)抽調(diào)所需航材，這樣一來，勢必會(huì)導(dǎo)致難以快速及時(shí)排除故障，從而造成故障遺留或者飛機(jī)停飛。

1.2 庫存過量

在飛機(jī)數(shù)量不斷增多的趨勢下，進(jìn)一步擴(kuò)展航材采購與儲(chǔ)備途徑，能夠確保航班運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，在標(biāo)準(zhǔn)航材儲(chǔ)備環(huán)境下，超出五年時(shí)間都會(huì)出現(xiàn)金屬零部件銹斑的現(xiàn)象。而超出十年則硫化封嚴(yán)會(huì)直接性失效，航材過量存儲(chǔ)就會(huì)導(dǎo)致資金積壓，進(jìn)而對航空公司綜合效益造成嚴(yán)重影響。

1.3 供應(yīng)鏈管理不完善

航材供應(yīng)鏈管理實(shí)際上就是航材生產(chǎn)、修理廠家、專業(yè)航材保障部門、基層機(jī)務(wù)維修部門共同構(gòu)成的航材供應(yīng)鏈融于一體，基于密切各節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)性與協(xié)作性，實(shí)現(xiàn)航材供應(yīng)時(shí)間縮減，航材周轉(zhuǎn)速度加快，航材保障成本降低，航材保障資源配置優(yōu)化等。由于訂貨、供應(yīng)與運(yùn)輸?shù)葌€(gè)環(huán)節(jié)，造成的供應(yīng)鏈延長或中斷，航空維修將無法得以有效保障[2]。

2 航空維修中3D打印技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢

2.1 有利于及時(shí)生產(chǎn)新型零部件

3D打印技術(shù)的主要優(yōu)勢是能夠分散性制造，也就是整個(gè)部件是由大量小部分拼接構(gòu)成，能夠疊加。利用遠(yuǎn)程技術(shù)、激光技術(shù)、材料熔化技術(shù)、電子制圖技術(shù)等，物理加工制造材料，并促使其生成圖紙描繪形狀，并通過疊加其中一些部分，構(gòu)成完成物體。在現(xiàn)代化社會(huì)所謂競爭都是基于信息化的，不論市場，只要出現(xiàn)所需替代的故障或損毀的零部件，就能夠通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)所需新型零部件，并通過專業(yè)技術(shù)人員組裝，直接傳輸?shù)绞袌鐾度胧褂?，像是航空設(shè)備的快速重生，不僅便捷，且高效。盡管此技術(shù)尚未全面投入使用，但是3D打印技術(shù)勢必會(huì)在很大程度上推動(dòng)制造維修行業(yè)的創(chuàng)新性發(fā)展，從而改變傳統(tǒng)航空維修方式。

2.2 有利于減輕后勤部門工作壓力

在傳統(tǒng)航空公司后勤保障部門中，倉儲(chǔ)與運(yùn)輸部門的工作都比較大，并且壓力也很大，同時(shí)后勤保障部門所消耗成本也非常高。但是3D打印技術(shù)能夠在一定程度上減輕后勤保障部門的壓力。如果單獨(dú)拋開實(shí)際性限制因素來講，只需要利用計(jì)算機(jī)，便能夠?qū)崿F(xiàn)物體設(shè)計(jì)，只需要輸出有效數(shù)據(jù)，任何物體都能夠打印復(fù)制。就理論角度來講，此觀念完全能夠?qū)崿F(xiàn)。而3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了航空應(yīng)用材料的數(shù)字化發(fā)展，只需要通過計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息，變能夠通過數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。所以，傳統(tǒng)后勤保障部門的物資存儲(chǔ)便演變成了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)，這樣一來，便直接有效節(jié)約了存儲(chǔ)空間，以及運(yùn)輸時(shí)間與成本，實(shí)現(xiàn)了重大突破。

2.3 有利于縮短供應(yīng)鏈

在3D打印技術(shù)逐漸優(yōu)化發(fā)展的趨勢下，此技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用指日可待。在維修時(shí)，所需更換零部件，只要打印出來。根據(jù)實(shí)際需求，制造出結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的零部件，并保證按時(shí)交貨，3D打印技術(shù)通過摒除生產(chǎn)線，便會(huì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)周期與產(chǎn)品供應(yīng)鏈的快速縮短，以及維修成本的大大降低。

2.4 適合應(yīng)用于小型號零部件生產(chǎn)

3D打印技術(shù)特別適合應(yīng)用于小型號零部件生產(chǎn)，尤其是小批量，這正好與航空維修需求相符。由于航空裝備大部分科技含量相對偏高，其中包含很多精密零部件，這些小部件在裝備中可能具有唯一性，但是也無法由此替代。而3D打印技術(shù)生產(chǎn)零部件的方式不會(huì)受到批量與批次的影響，所以能夠有效節(jié)約成本，并防止傳統(tǒng)批量生產(chǎn)方式不足的不良影響，另外，對于可能已經(jīng)停產(chǎn)的零部件，只需要計(jì)算機(jī)中存有相關(guān)數(shù)據(jù)信息，3D打印技術(shù)便能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)，主機(jī)維修也不會(huì)由于零部件確停產(chǎn)或缺失而受到阻礙[3]。

3 航空維修中3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用分析

3.1 結(jié)構(gòu)零部件強(qiáng)化

由于三代機(jī)性能提高需要，不論自重還是載彈量都在逐漸加大，在訓(xùn)練時(shí)，極易導(dǎo)致飛機(jī)承載力出現(xiàn)大量損傷。就某機(jī)型飛機(jī)來講，中央翼部分連接機(jī)身前后，以及外翼的主要零部件，并且連接著進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、主起落架等相關(guān)零部件，位于機(jī)體的中心位置。就氣動(dòng)布局可以看出，其是機(jī)翼的重要組成部分，但是就結(jié)構(gòu)功能可以看出，其是常規(guī)布局的中機(jī)身，屬于機(jī)體的主要承力零部件。承力部件出現(xiàn)損傷，就會(huì)阻礙飛機(jī)的正常安全飛行。

以某機(jī)型三代機(jī)中央翼部分為例，通過無損檢測，發(fā)現(xiàn)其中下緣條位置上存在裂縫。在維修時(shí)，由于零部件的加工難度較大，成本也相對較高，因此，選擇特制的加強(qiáng)角盒，通過調(diào)整墊片對角盒和零部件之間的間隙進(jìn)行調(diào)整，控制在0.4mm以內(nèi)，最后利用螺栓和鉚釘?shù)染o固件進(jìn)行銜接，以此強(qiáng)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)維修任務(wù)。而特制的加強(qiáng)角盒主要是由設(shè)計(jì)人員基于飛機(jī)數(shù)模比較分析修復(fù)位置，進(jìn)行加強(qiáng)角盒數(shù)模設(shè)計(jì)，維修企業(yè)則根據(jù)設(shè)計(jì)提供的數(shù)模進(jìn)行加強(qiáng)角盒機(jī)械加工制造。因?yàn)轱w機(jī)承力部分通過不同載荷沖擊作用，導(dǎo)致不定向塑性變形，造成特制加強(qiáng)角盒難以與機(jī)體結(jié)構(gòu)就要求相互配合的不良狀況，從而制約維修周期，影響維修效率與質(zhì)量。

而引用3D打印技術(shù)，在其影響下，越來越多材料實(shí)現(xiàn)了打印，并且3D打印產(chǎn)品的精確度也隨之提高。在承力部件修理時(shí)，利用3D打印技術(shù)，能夠切實(shí)解決大量常規(guī)維修問題。相關(guān)工作人員在充分考慮3D打印材料可塑性、加工性、經(jīng)濟(jì)性之后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求數(shù)模，通過塑料打印所需特制角盒，試用裝配，并多次對比位置關(guān)系，利用銼修與鉗制等多元化方式進(jìn)行角盒輪廓處理，最后明確能夠能夠裝配間隙要求的角盒，并通過逆向技術(shù)對角盒數(shù)模進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后利用金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行特制加強(qiáng)角盒制造，確保其與標(biāo)準(zhǔn)要求完全相符，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)化[4]。

3.2 復(fù)雜零件生產(chǎn)

在飛機(jī)機(jī)型不斷優(yōu)化升級的趨勢下，一些飛機(jī)就會(huì)陸續(xù)停止生產(chǎn)，而在維修中也常常會(huì)遇到一些零部件加工難度比較大，成本較高，且采購周期較差，甚至是無法采購的不良狀況，從而阻礙維修工作順利進(jìn)行。就卡箍類零部件來講，在維修時(shí)，需求量比較少，工藝相對復(fù)雜，傳統(tǒng)加工模式需要配置三套模具與工裝等，才能夠確保產(chǎn)品合格。但是生產(chǎn)三套模具成本將會(huì)嚴(yán)重超出產(chǎn)品自身價(jià)格，所以并不適合進(jìn)行自制。然而，在采購時(shí)，零部件制造廠出現(xiàn)停產(chǎn)現(xiàn)象，不能及時(shí)采購到位，從而導(dǎo)致此零部件成為影響飛機(jī)維修周期的主要障礙。

而利用3D打印技術(shù)進(jìn)行卡箍類零部件制造，在成型時(shí)，不需要專門的模具、工具、夾具，相關(guān)工作人員只需要通過CATIA等設(shè)計(jì)軟件轉(zhuǎn)變二維圖樣為三維CAD模型，并利用Magics軟件編程數(shù)模，通過3D打印激光燒結(jié)技術(shù)，便能夠打印所需零部件。而且3D打印技術(shù)能夠把零部件中所需焊接部分直接加工成一體，在強(qiáng)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，保證零部件質(zhì)量，從而滿足航空維修相關(guān)需要。

復(fù)合材料是航空領(lǐng)域的一種新型材料，在維修時(shí)，利用復(fù)合型材料的零部件成本較高，而且工藝難度較大，從而直接降低了維修水平與能力。3D打印技術(shù)既能夠切實(shí)應(yīng)用到金屬與非金屬材料，還可以應(yīng)用到碳纖維等復(fù)合材料。3D打印技術(shù)能夠制造出立體網(wǎng)格型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)格尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)高度一致，盡管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)并不適合單獨(dú)應(yīng)用到航空維修中，但是卻能夠成為航空復(fù)合材料的主要基材，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基材和符合材料纖維相互組合，通過樹脂固化/燒結(jié)金屬復(fù)合材料，可以兼顧強(qiáng)度、曲面外形、安裝組合等相關(guān)要求。在飛機(jī)制造中，隨著符合材料使用量逐漸增大，在航空維修中，復(fù)合材料維修與更換的可能性也不斷增大，而利用復(fù)合材料3D打印技術(shù)，能夠顯著提高航空維修效率與能力，從而滿足新型航空維修的多元化要求[5]。

4 結(jié)語

總而言之，3D打印技術(shù)作為新型技術(shù)，在逐漸推動(dòng)著傳統(tǒng)工藝的深化創(chuàng)新改革。不同于西方國家，我國3D打印技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)成熟化發(fā)展，特別是在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用更是微不足道。對此，應(yīng)掌握新型產(chǎn)業(yè)變革重大機(jī)遇，通過3D打印技術(shù)制造零部件，切實(shí)解決航材庫存等問題，并節(jié)約維修成本與時(shí)間，同時(shí)縮短研發(fā)周期，簡化供應(yīng)鏈，以此促進(jìn)航空維修領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展。但是由于此技術(shù)依舊面臨著一定挑戰(zhàn)，即打印材料、仿真設(shè)計(jì)、信息安全、質(zhì)量監(jiān)控等等，對此，在3D打印技術(shù)不斷優(yōu)化發(fā)展趨勢下，相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)大力優(yōu)化研發(fā)，基于計(jì)算機(jī)構(gòu)建航空維修3D圖像數(shù)據(jù)庫，促使3D打印技術(shù)在航空維修領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]郭雙全，羅奎林，劉瑞，等.3D打印技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2015，（s1）：18-19+27.

[2]姜舟，任斌斌.3D打印技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用研究[J].中國設(shè)備工程，2017，（18）：42-43.

[3]莫偉東.3D打印技術(shù)及其在航空裝備維修中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017，16（24）：78-79.

[4]宋偉健，溫德宏，郁大照.3D打印技術(shù)及其在航空裝備維修中的應(yīng)用[C].煙臺：航空裝備維修技術(shù)及應(yīng)用研討會(huì)，2015：59-61.

[5]雷剛，李科，航空維修新技術(shù)應(yīng)用探討[C].中山：探索創(chuàng)新交流（第7集）——第七屆中國航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集（上冊）2016：47-52.