连续纤维+热塑性塑料,空客正在开发代替钛合金的3D打印高强复合材料支架

2021-11-22 14:00啸云3D打印
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2014年,一件3D打印的空客A350 XWB支架连接器因彻底改变了飞机构件的制造方式和民用飞机的“轻量化”途径,从而入选“德国工业创新奖”。这个用于固定飞机机翼和发动机的部件因具有复杂的几何结构而无法采用传统工艺制造,但3D打印这种新的制造工艺却将其塑造为现实。这种跨行业的开发形式不仅获得了卓越的质量,更具有经济价值,从而促进性了它的批量化应用。

空客公司表示,通过整合这些零件的生产流程,3D打印使其对供应链的控制力更强。同时,在中等制造数量下,金属3D打印比传统工艺更具成本效益,且大大缩短了交货时间。在需求可能不可预测的行业中,这是一个重要的权衡因素。

这个相对较为复杂的支架,过去采用铝合金铣削制成,在加工时会产生大量浪费。而采用钛合金3D打印,结构的优化使其重量减轻了30%以上。在飞机制造过程中使用金属3D打印的重要依据是该技术实现了几何自由并能够减轻重量。“轻量化结构”能够帮助航空公司更经济地运营飞机。新的飞机设计需要数千个飞行测试安装支架,这些支架的生产单位数量非常少,而增材制造技术则允许设计师尝试新的结构。

3D打印带来的优势还包括生产中工具成本的降低,由于在3D打印过程中不需要工具,因此现在可以在早期阶段以较高的效率批量生产这些零件。以前需要6个月时间来开发一个组件,而采用3D打印之后时间缩短到了1个月。

基于以上优势,空客多年来一直在飞机设计和制造过程中采用3D打印技术,无论是Concept Laser、EOS还是西亚基都是空客的合作伙伴。多年过去,3D打印工艺和材料科学获得了进一步发展,“轻量化”和“仿生学”也指向了一个新的趋势。空客正在研究3D打印复合材料支架制造代替钛合金的可能性。一架商用飞机每减轻一公斤重量,就可以在其使用寿命期间减少25吨CO2排放,复合材料在性能可靠的情况下无疑会进一步推动轻量化的发展。

近日,先进制造商Arris Composites透露了与空客公司合作的一项研究,该项目专注于机舱支架的生产,并希望通过利用创新的制造方法和材料(包括复合材料)来实现航空碳排放量的显著减少。

据Arris称,将220克的金属支架进行拓扑优化后采用连续纤维复合材料3D打印可以使零件重量减轻75%到50克。由于每架飞机会配备500个这种支架,如果一年会制造100架飞机,50000个轻量化的支架在整个生命周期中会节省1.13亿吨的燃油,并减少3.57亿吨的CO2排放。

航空航天领域一直在探索热塑性复合材料的韧性和优势。这些材料开发工作已成为下一代复合材料研究的基础。尽管热塑性塑料具有理想的材料特性,但有限的制造能力限制了它们的使用。Arris Composites公司开发了一种称为Additive Molding的技术,通过在热塑性树脂中精确排列连续纤维,获得了具有无与伦比机械性能的下一代复合材料及成熟的大批量成型方法,这些产品具有高度集成性,所制造的产品比金属更坚固、更轻。

Arris Composites声称,金属替代的新时代已经到来,机加工、3D 打印、金属铸造、金属注射成型和金属包覆成型的产品可以被卓越的复合设计替代。连续纤维+热塑性塑料复合制造实现了高强度和轻量化零件的批量生产,通过这种新工艺,可以以与塑料成型产品相同的速度生产高级碳纤维材料,而碳纤维零部件替换钛材料,可使重量减轻78%。

空客公司创新经理巴斯蒂安·谢弗表示,“空客正在朝着使航空旅行更清洁、更可持续的方向迈进,要实现这一转变,需要探索具有重大影响和实际应用的颠覆性创新。我们设计和制造飞机的方式正在发生变化,像Arris这样的新兴技术公司能够帮助我们实现对更好航空旅行的愿景。我们知道仿生学、拓扑优化和先进复合材料是未来,Arris正在帮助我们将这些设计和材料理想结合起来,以实现更好的飞行未来。”

此外,Arris Composites指出,其增材成型技术结合了增材制造和高速压缩成型工艺,将对更换零件和未来的飞机结构产生巨大影响,因此减少碳排放是可能的。空客本身致力于探索这样的技术途径,以支持其实现更可持续的航空旅行的愿景。


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