航空维修中3D打印技术的有效应用
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作者:贾婷婷
摘要：3D打印技术也称之为增材制造技术，是减材制造后衍生的快速成型技术。通过3D模型数据，逐步分切打印叠加，从而形成完整产品。在加工制造时，基本上不会生产废弃物，在贵重稀有金属加工中，独具优势，特别是航空航天制造领域。近年来3D打印技术实现了在社会各个领域的广泛应用，使得其在成本与质量等多方面获得了想好效益，尤其是航空领域发展，备受高度重视。在航空领域发展中，在飞机数量逐渐增多的趋势下，航空维修环节的重要性越来越突出，在保证航空出行安全与稳定的基础上，有效节约维修成本与时间则成为了一大主要研究热点。因此，文章主要对航空维修中3D打印技术的有效应用进行了详细分析。
关键词：航空维修;3D打印技术;应用
中图分类号：TQ050.4
文獻标识码：A
文章编号：1001-5922（2019）08-0105-03
3D打印技术以其快速成型特性，被称之为增材制造技术，此技术始于20世纪末期，其运行基础为数字模型文件把材料制造技术转变为数字化，这一过程显著提高了三维物体数据的精确性与稳定性。随着3D打印技术在社会各界备受重视，此技术自身也实现了不断优化发展。也正是因为3D打印技术在航空制造上深藏潜质，全世界都投入了大量成本与资源。而在航空维修领域，3D打印技术也具备其独特性优势，能够切实应用到快速生产工具与维修备用件中，对航空信息化建设创新发挥着重要作用。
1 航空维修现状
在飞机数量不断增多的趋势下，基于航空安全与稳定，有效节约维修成本与时间，提高资源利用率，增加经济效益与社会效益是航空公司在深入探究的主要课题。而影响课题研究的关键是航材问题。航材管理方式直接影响着航空维修成本，但是我国大多数航空公司的航材管理依旧存在许多问题，亟待改善。
1.1 库存不足
航材保障只是针对常见性故障，但是在遇到特殊情况的时候，无法在国内的航材库中及时抽调所需航材，这样一来，势必会导致难以快速及时排除故障，从而造成故障遗留或者飞机停飞。
1.2 库存过量
在飞机数量不断增多的趋势下，进一步扩展航材采购与储备途径，能够确保航班运行的稳定性与安全性，在标准航材储备环境下，超出五年时间都会出现金属零部件锈斑的现象。而超出十年则硫化封严会直接性失效，航材过量存储就会导致资金积压，进而对航空公司综合效益造成严重影响。
1.3 供应链管理不完善
航材供应链管理实际上就是航材生产、修理厂家、专业航材保障部门、基层机务维修部门共同构成的航材供应链融于一体，基于密切各节点之间的协调性与协作性，实现航材供应时间缩减，航材周转速度加快，航材保障成本降低，航材保障资源配置优化等。由于订货、供应与运输等个环节，造成的供应链延长或中断，航空维修将无法得以有效保障[2]。
2 航空维修中3D打印技术应用的优势
2.1 有利于及时生产新型零部件
3D打印技术的主要优势是能够分散性制造，也就是整个部件是由大量小部分拼接构成，能够叠加。利用远程技术、激光技术、材料熔化技术、电子制图技术等，物理加工制造材料，并促使其生成图纸描绘形状，并通过叠加其中一些部分，构成完成物体。在现代化社会所谓竞争都是基于信息化的，不论市场，只要出现所需替代的故障或损毁的零部件，就能够通过3D打印技术生产所需新型零部件，并通过专业技术人员组装，直接传输到市场投入使用，像是航空设备的快速重生，不仅便捷，且高效。尽管此技术尚未全面投入使用，但是3D打印技术势必会在很大程度上推动制造维修行业的创新性发展，从而改变传统航空维修方式。
2.2 有利于减轻后勤部门工作压力
在传统航空公司后勤保障部门中，仓储与运输部门的工作都比较大，并且压力也很大，同时后勤保障部门所消耗成本也非常高。但是3D打印技术能够在一定程度上减轻后勤保障部门的压力。如果单独抛开实际性限制因素来讲，只需要利用计算机，便能够实现物体设计，只需要输出有效数据，任何物体都能够打印复制。就理论角度来讲，此观念完全能够实现。而3D打印技术实现了航空应用材料的数字化发展，只需要通过计算机存储设计数据信息，变能够通过数据信息实现生产。所以，传统后勤保障部门的物资存储便演变成了设计数据信息的存储，这样一来，便直接有效节约了存储空间，以及运输时间与成本，实现了重大突破。
2.3 有利于缩短供应链
在3D打印技术逐渐优化发展的趋势下，此技术在航空维修领域的广泛应用指日可待。在维修时，所需更换零部件，只要打印出来。根据实际需求，制造出结构相对复杂的零部件，并保证按时交货，3D打印技术通过摒除生产线，便会实现生产周期与产品供应链的快速缩短，以及维修成本的大大降低。
2.4 适合应用于小型号零部件生产
3D打印技术特别适合应用于小型号零部件生产，尤其是小批量，这正好与航空维修需求相符。由于航空装备大部分科技含量相对偏高，其中包含很多精密零部件，这些小部件在装备中可能具有唯一性，但是也无法由此替代。而3D打印技术生产零部件的方式不会受到批量与批次的影响，所以能够有效节约成本，并防止传统批量生产方式不足的不良影响，另外，对于可能已经停产的零部件，只需要计算机中存有相关数据信息，3D打印技术便能够实现优化生产，主机维修也不会由于零部件确停产或缺失而受到阻碍[3]。
3 航空维修中3D打印技术的有效应用分析
3.1 结构零部件强化
由于三代机性能提高需要，不论自重还是载弹量都在逐渐加大，在训练时，极易导致飞机承载力出现大量损伤。就某机型飞机来讲，中央翼部分连接机身前后，以及外翼的主要零部件，并且连接着进气道、发动机短舱、主起落架等相关零部件，位于机体的中心位置。就气动布局可以看出，其是机翼的重要组成部分，但是就结构功能可以看出，其是常规布局的中机身，属于机体的主要承力零部件。承力部件出现损伤，就会阻碍飞机的正常安全飞行。 以某机型三代机中央翼部分为例，通过无损检测，发现其中下缘条位置上存在裂缝。在维修时，由于零部件的加工难度较大，成本也相对较高，因此，选择特制的加强角盒，通过调整垫片对角盒和零部件之间的间隙进行调整，控制在0.4mm以内，最后利用螺栓和铆钉等紧固件进行衔接，以此强化飞机结构强度，实现维修任务。而特制的加强角盒主要是由设计人员基于飞机数模比较分析修复位置，进行加强角盒数模设计，维修企业则根据设计提供的数模进行加强角盒机械加工制造。因为飞机承力部分通过不同载荷冲击作用，导致不定向塑性变形，造成特制加强角盒难以与机体结構就要求相互配合的不良状况，从而制约维修周期，影响维修效率与质量。
而引用3D打印技术，在其影响下，越来越多材料实现了打印，并且3D打印产品的精确度也随之提高。在承力部件修理时，利用3D打印技术，能够切实解决大量常规维修问题。相关工作人员在充分考虑3D打印材料可塑性、加工性、经济性之后，根据设计要求数模，通过塑料打印所需特制角盒，试用装配，并多次对比位置关系，利用锉修与钳制等多元化方式进行角盒轮廓处理，最后明确能够能够装配间隙要求的角盒，并通过逆向技术对角盒数模进行重新优化设计，然后利用金属3D打印技术进行特制加强角盒制造，确保其与标准要求完全相符，从而实现结构件强化[4]。
3.2 复杂零件生产
在飞机机型不断优化升级的趋势下，一些飞机就会陆续停止生产，而在维修中也常常会遇到一些零部件加工难度比较大，成本较高，且采购周期较差，甚至是无法采购的不良状况，从而阻碍维修工作顺利进行。就卡箍类零部件来讲，在维修时，需求量比较少，工艺相对复杂，传统加工模式需要配置三套模具与工装等，才能够确保产品合格。但是生产三套模具成本将会严重超出产品自身价格，所以并不适合进行自制。然而，在采购时，零部件制造厂出现停产现象，不能及时采购到位，从而导致此零部件成为影响飞机维修周期的主要障碍。
而利用3D打印技术进行卡箍类零部件制造，在成型时，不需要专门的模具、工具、夹具，相关工作人员只需要通过CATIA等设计软件转变二维图样为三维CAD模型，并利用Magics软件编程数模，通过3D打印激光烧结技术，便能够打印所需零部件。而且3D打印技术能够把零部件中所需焊接部分直接加工成一体，在强化结构强度时，保证零部件质量，从而满足航空维修相关需要。
复合材料是航空领域的一种新型材料，在维修时，利用复合型材料的零部件成本较高，而且工艺难度较大，从而直接降低了维修水平与能力。3D打印技术既能够切实应用到金属与非金属材料，还可以应用到碳纤维等复合材料。3D打印技术能够制造出立体网格型的复杂结构，各网格尺寸能够实现高度一致，尽管网格结构并不适合单独应用到航空维修中，但是却能够成为航空复合材料的主要基材，网格结构基材和符合材料纤维相互组合，通过树脂固化/烧结金属复合材料，可以兼顾强度、曲面外形、安装组合等相关要求。在飞机制造中，随着符合材料使用量逐渐增大，在航空维修中，复合材料维修与更换的可能性也不断增大，而利用复合材料3D打印技术，能够显著提高航空维修效率与能力，从而满足新型航空维修的多元化要求[5]。
4 结语
总而言之，3D打印技术作为新型技术，在逐渐推动着传统工艺的深化创新改革。不同于西方国家，我国3D打印技术尚未实现成熟化发展，特别是在航空维修领域的应用更是微不足道。对此，应掌握新型产业变革重大机遇，通过3D打印技术制造零部件，切实解决航材库存等问题，并节约维修成本与时间，同时缩短研发周期，简化供应链，以此促进航空维修领域实现长远稳定发展。但是由于此技术依旧面临着一定挑战，即打印材料、仿真设计、信息安全、质量监控等等，对此，在3D打印技术不断优化发展趋势下，相关领域应大力优化研发，基于计算机构建航空维修3D图像数据库，促使3D打印技术在航空维修领域实现广泛应用。
参考文献
[1]郭双全，罗奎林，刘瑞，等.3D打印技术在航空发动机维修中的应用[J].航空制造技术，2015，（s1）：18-19+27.
[2]姜舟，任斌斌.3D打印技术在航空维修中的应用研究[J].中国设备工程，2017，（18）：42-43.
[3]莫伟东.3D打印技术及其在航空装备维修中的应用[J].产业与科技论坛，2017，16（24）：78-79.
[4]宋伟健，温德宏，郁大照.3D打印技术及其在航空装备维修中的应用[C].烟台：航空装备维修技术及应用研讨会，2015：59-61.
[5]雷刚，李科，航空维修新技术应用探讨[C].中山：探索创新交流（第7集）——第七届中国航空学会青年科技论坛文集（上册）2016：47-52.
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