减重30%,voxeljet助力Sogeclair制造仿生学结构飞机舱门

| 3DScienceValley · 2017/09/16

飞机舱门结构设计复杂，连杆、铰链数量众多，机构运动过程多阶段，运动关系复杂多变。这些都给舱门的设计、加工带来了挑战，如何在满足力学性能要求的同时，又满足加工的可操作性，并且尽可能少的浪费材料，并有效的实现轻量化，这是飞机舱门制造中所遇到的挑战。

德国voxeljet-维捷与法国Sogeclair合作通过Binder Jetting粘结剂喷射3D打印技术成功制造了铝制的仿生学结构舱门。

图片：铝制舱门的设计效果图，来源voxeljet-维捷

舱门是飞机上的运动功能部件，它的功能、使用寿命、安全性、维修性和可靠性，直接关系到飞机的出勤率。若舱门设计不当，飞机在高空中飞行的时候，可能发生舱门的意外打开，会造成压力舱泄压，并严重影响飞机飞行姿态。

为了达到高度的可靠性，舱门的设计上需要防止飞行中因机构损坏或任何单个结构元件损坏而打开的可能性，这就为舱门的设计带来了高度的复杂性。而为了满足这一复杂性的设计，也给加工带来了相当的挑战。不仅仅数量众多的连杆、铰链结构带来了加工的难度，还需要满足各种力学性能的要求，包括门框部位的抗拉和抗弯性能，抗剪切和抗压缩的构件，都需要满足严苛的力学要求。

法国航空供应商Sogeclair希望通过3D打印技术为飞机生产舱门，从而解决传统加工方式所面临的加工复杂性的挑战。此外，Sogeclair希望通过3D打印技术节省材料，降低制造成本，并且大幅减轻舱门重量。

Sogeclair的这一需求可以说是顺应了航空航天领域的发展需求，能源的紧张使得飞机需要不断提高燃料效率和经济性，以降低其对环境的影响。而飞机的轻量化是实现降低燃料消耗的关键方式之一，减重带来明显的经济性成为航空供应商的一致追求。

不过，对于3D打印技术来说，加工飞机的舱门同样面临着挑战，一是舱门结构的复杂性，如何避免使用支撑材料从而实现近净形的加工结果；二是舱门结构尺寸大，如何能够满足大尺寸的加工而不需要二次拼接或者焊接。这都为Sogeclair向工业级3D打印设备及服务商voxeljet-维捷寻求合作提供了必然性。

voxeljet-维捷的Binder Jetting粘结剂喷射3D打印技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘结剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。Binder Jetting的技术优势在于成型速度快、无需支撑结构，而且对于voxeljet-维捷来说，大尺寸正是他们所擅长的。

图片：3D打印的PMMA材质精密铸造模具，来源voxeljet-维捷

在对飞机舱门所要达到的机械性能进行深入的研究之后，项目团队决定摒弃传统的舱门设计，而是采用了仿生学结构设计理念。通过仿生力学结构来减少材料使用，从而将重量减轻30％，并且不牺牲舱门所需要达到的力学强度。

图片：3D打印的PMMA材质精密铸造模具，来源voxeljet-维捷

设计完成后的挑战是使这种三维设计成为现实，在这个过程中，项目团队采用了voxeljet-维捷的3D打印系统来制造大型精密模具。VX1000 3D打印机具有1,000 x 600 x 500 mm的构建体积，成为该项目的合适选择。通过层层打印PMMA粉末颗粒，并使用粘结剂喷射法将粉末颗粒相互粘结在一起，飞机舱门的精密铸造模具就制造出来了。

PMMA的材料特性帮助Sogeclair了获得关键的加工结果，与其他3D打印塑料材料相比，PMMA非常适合用于铸造。其主要原因是粉末材料的负膨胀系数，在烧毁薄壁模型的过程中不会导致涨壳，从而不会导致铸造模具的破损，不仅降低了制造中的风险，还满足了近净形的要求。