袁雷 潘新 张鑫
沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110000
摘要增材制造技术一直被认为应该定位在传统制造技术难以低成本、高效率完成的复杂结构制造。[1]目前航空领域中，增材制造技术主要是用来解决某些航空装备重点零部件生产研制瓶颈，而忽略了增材制造技术对航空装备轻量化的重大作用。本文以实现飞机结构轻量化为目的，主要分析了飞机增材制件结构特性优化的适用性。飞机结构轻量化对提升飞机整体性能、减少飞机耗油量及制造成本、减少排放污染等意义重大，同时增材制造技术在国内的成熟发展将逐渐成为飞机设计理念革新的标志。
关键词增材制造技术、结构轻量化、结构优化、整体成形
0 引言
有数据表明，飞机结构重量每减轻1%，飞机性能就能提高3%-5%，因此重量是衡量飞机设计先进性的重要指标之一。同时减轻重量还能有效地降低运营商的运营成本。相关研究表明，以飞机使用寿命20年计，结构重量每减轻1KG，将增加收益7000多美元，再加上碳排放量减少节约的环境成本，增加的收益将远超过8000美元。[2]因此，实现飞机轻量化成为当前飞机设计的重要目标。
所谓“一代材料，一代装备”，目前实现飞机轻量化的主要途径是在保证其他性能指标的基础之上，更换较为轻质的材料以达到飞机减重的目的，这种减重方法可称为“材料轻量化”。目前航空领域中，飞机材料轻量化主要体现在镁、铝合金和复合材料的大量应用，其中使用复合材料是当前实现飞机轻量化的重要途径。
1 增材制造技术的发展
增材制造(additive manufacturing，AM)技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自20世纪80年代末增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”(material increase manufacturing)、“快速原型”(rapid prototyping)、“分层制造”(1ayered manufacturing)、“实体自由制造”(solid free—form fabrication)、“3D打印技术”(3Dprinting)等，名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。[3]
1.1 增材制造技术在国外的发展
国际上增材制造经过30多年的发展，美国已经成为增材制造领先的国家，3D打印技术不断融入人们的生活，在食品、服装、家具、医疗、建筑、教育等领域大量应用，催生许多新的产业。[3]2012年8月，美国增材制造创新研究所成立，联合了14所大学、40余家企业、11家非营利机构和专业协会。该技术在国外现已大量应用于航空航天制造领域。在国外，增材制造技术被称为“第三次工业革命”。
1.2 增材制造技术在国内的发展
在国内，西北工大凝固技术国家重点实验室[4]应用快速成型技术解决了C919飞机大型复杂薄壁钛合金结构件的制造问题；北航经过长期研究工作，解决了大型整体金属构件激光成形过程零件变形与开裂瓶颈，飞机构件综合力学性能达到钛合金模锻件性能，在C919等飞机上均有应用。西交大以研究光固化快速成形技术为主，与1997年销售了国内第一台光固化快速成型机。该技术主要针对光敏树脂、尼龙等材料的快速成形，在医疗、汽车行业、航空航天等领域均有应用。
2 增材制造成形件的特点
增材制造技术囊括了数十种成形原理，目前较为常用的有光固化成形技术(SLA)、选择性激光烧结技术(SLS)、选择性激光熔化技术(SLM)、熔融沉积制造技术(FDM)等。
其中，选择性激光熔化技术(SLM)对制造复杂致密金属零件[5]应用比较广泛，下文主要以选择性激光熔化(SLM)成形件为例。
2.1 增材制造技术的优点
增材制造成形件主要有以下优点：
(1)计算机控制零件整个成形过程，零件成形后几乎无缺陷，成形环境一般为真空或保护气氛，避免成形件二次污染；
(2)成形件的各项力学性能指标高于铸件，接近锻件；
(3)可实现复杂零件的快速制造，缩短飞机研制周期；
(4)材料利用率很高，一般在90%以上，若设计和操作得当，合格率几乎为100%；
(5)加工死角位置可直接成形，避免加工残留，组件整体成形可减少连接结构数量，实现轻量化；
(6)可以制造传统方法无法成形的复杂零件，对零件设计和实现结构优化意义重大。
2.2 增材制造技术的缺点
表面粗糙度较低是目前金属制件增材制造的普遍问题。零件某些部位有较高光滑度要求时，增材制造直接成形的金属制件无法满足要求，需要增加余量补充机械加工。即便如此，其他技术方法仍然无法替代增材制造技术在金属制件成形中的重要地位。
3 结构优化
结构优化可分为尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。其中尺寸优化以结构设计参数为优化对象，比如板厚、梁的截面宽度和长度等；形状优化以外形或孔洞为优化对象，比如凸台过渡倒角的形状等；形貌优化以改变局部特征为优化对象，比如在薄板增加凸台以提高局部刚度等；拓扑优化以材料分布为优化对象，在材料空间设计中找出最佳分布方案。[6]
4结构轻量化
结构轻量化是以减重为目的，应用结构优化技术，对零组件进行结构优化的过程。结构轻量化包括材料轻量化和特征轻量化，其中材料轻量化主要是通过选择轻质材料实现轻量化的过程，特征轻量化是通过对零组件物理特征进行减重设计以实现轻量化的过程，本文主要是浅析通过增材制造技术实现特征轻量化的几种形式。
5特征轻量化
5.1零件特征轻量化
飞机零件主要包括结构件、系统安装件、成品件、管路件、线束件等类型，其中结构件和系统安装件属于增材制造技术应用范围。基本思路是在保证零件功能特性和物理特性满足使用要求的条件下，通过增材制造工艺实现复杂结构制造，最大化减轻零件重量。
以板状结构优化为例，在飞机系统件中有很多起固定作用的支架和支座，为了同时考虑这类零件的减重和机械性能，采取类似网状或镂空结构可同时满足对零件减重和机械性能的设计要求。
对于一些强度要求不高、无表面防护要求的零件，可以采用微小的正四面体结构进行零件设计，即通过无数个正四面体单元组成一个实体零件。这种结构优化类似被放大的多孔材料，这种结构不仅能够最大化减轻零件重量，而且能够在一定程度上保证零件强度。
5.2装配件特征轻量化
飞机装配件之间的连接关系以铆接、焊接为主，可以通过增材制造整体成形技术代替焊接和部分装配连接。基本思路是在保证飞机维修性、装配可制造性的基础之上，通过增材制造工艺实现整体成形制造，减少紧固件和焊接件使用，进一步减轻飞机重量。
随着增材制造工艺发展，增材制造效率、制件精度和外廓尺寸不断提升，一些分体制造的大型结构件可以实现整体制造，状态稳定的系统安装件可以同结构件一同成形，大量减少紧固件在非活动机构中的使用，为飞机除“余量”，实现轻量化。
6 结束语
增材制造技术综合了多种现代先进技术的优势(数控技术、激光/电子束技术、CAD、CAM等)。增材制造技术对航空领域的贡献不仅是实现快速成形制造，充分实现航空装备轻量化同样是增材制造技术的价值所在。目前增材制造技术已经在国内航空领域获得一定范围应用，但基于增材制造技术的轻量化设计理念还处于初期阶段，希望通过增材制造技术的快速发展，打破传统的轻量化飞机设计思路，通过增材制造技术开辟一条崭新的飞机轻量化设计之路。
参考文献
[1] 李涤尘 贺健康 田小永 刘亚雄 张安峰 连芩 靳忠民 卢秉恒 增材制造:实现宏微结构一体化制造 机械工程学报 2013年3月49卷6期;
[2] 陈新华 结构轻量化与拓扑优化技术简介 中国高新技术企业 2013年19期;
[3] 卢秉恒,李涤尘 增材制造(3D打印)技术发展 机械工程导报 2012年12月刊;
[4] 黄卫东 林鑫 陈静 刘振侠 李延民 激光立体成形 第16页;
[5] 史玉升 刘锦辉 闫春泽 李瑞迪 杨劲松 粉末材料选择性激光快速成形技术及应用 第3页;
[6] 顾松年 徐斌 荣见华 姜节胜 结构动力学设计优化方法的新进展 机械强度 2005,27(2):156-162;