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專題報告

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復合材料增材制造技術在航空航天領域的應用

航空航天工業在每個階段都要求質量——以精度、安全性和可靠性的嚴格要求為基礎。隨著客運量翻倍,以及減少對地球生態影響的壓力比以往任何時候都大,航天和航空業的制造商必須滿足21世紀航空的需求,特別強調制造輕質部件。然而,沒有捷徑可走,制造商不斷探索的新方法,在更快的時間框架內設計和制造更多更輕的飛機,同時在任何飛機可以飛行之前獲得嚴格的認證。

復合材料增材制造技術在航空航天領域的應用

對輕量化部件的需求推動了對飛機部件制造方式的需求——例如,采用先進的復合材料或增材制造(AM)等新工藝。然而,任何新的設計都會給認證帶來新的挑戰,航空制造商通常會用自己的工作流程來解決設計認證障礙,但這不是一項小任務,可能需要大量的時間(有時是幾個月),而且還不包括解決途中的任何錯誤。通過航空航天標準來確定獲得認證所需的測試是一項費力而耗時的工作。隨著工程和生產技術的進步使創新變得越來越容易,簡化認證活動的需求是必然的。

利用增材制造設計輕量級部件需要一種生成式設計方法,使工程師能夠完全重新思考現有結構,而不會受到部件和合并部件外觀的先入為主的想法的限制。通過虛擬創建零件的模擬,它減少了物理試驗的次數,而不消耗任何原材料。它還使工程師能夠快速調整制造過程,直到實現有效的過程。

復合材料3D打印同樣也在空間系統的地面準備、在軌制造、甚至行星表面的原位資源利用方面有廣泛的應用。其最新發展已涵蓋在國際空間站上的室內實驗,在未來幾年內,將利用低地球軌道(Low Earth Orbits,LEOs)上的衛星平臺進行技術演示。本文調查了用于各種非地球用途的AM技術,如機械、電氣、電化學和醫療應用,為實現上述應用需要由復合材料制成的部件或工具。本文還就如何利用為地面應用開發的增材制造技術提出了建議,包括商業現貨軟件(Commercial-off-the-shelf,COTS)和基于實驗室的技術,降低開發成本并促進可持續性。

復合材料增材制造技術在航空航天領域的應用

增材制造技術的原材料選用最近變得愈加廣泛,從塑料、金屬、其復合材料和合金外,食品、織物、混凝土和水泥是已經被考慮用于商業的新的可打印材料。增材制造技術的應用領域也一直在向陸地應用以外的空間工程領域擴展。探索多樣化的材料和應用,將實現降低人類探索宇宙成本的短期目標,還將助力人類為在地球以外長久生存的長期目標。目前在地球上準備的3D打印結構,在近期將在低地球軌道上制造或和組裝。在地球和地球外的增材制造活動都有望加強太空任務的物流和供應鏈管理。在月球或火星上建立太空棲息地的長期目標將需要上述幾乎所有的可打印材料的3D打印,為的是打造類似于地球上現有的結構、電氣和生物醫學應用,擺脫對地球資源的依賴,維持宇航員的生活。

目前,小型火箭的整個引擎可以使用帶機械臂的大型金屬打印機進行3D制造,這樣可以將組裝引擎部件的數量減少一個數量級。這些3D金屬打印機由于采用激光熔化工藝,所以很重,而且需要消耗大量能源。相比上一節中提到的3D打印復合材料,復合材料的熔點比金屬低得多,因此復合材料3D打印機受到的這些限制較少。復合材料3D打印機已被安裝在國際空間站供宇航員使用。這包含很多型號和品牌的商業3D打印機。事實也表明,它們在微重力下的功能沒有任何折損。然而,由于真空、輻射、微隕石等惡劣的空間條件,它們目前還沒有在國際空間站外使用。第一個在軌自動3D打印設備將在不久的將來被推出,可生產具有大尺寸和長寬比的結構部件。


此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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