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專題報告

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復合材料增材制造技術(shù)在航空航天領域的應用

航空航天工業(yè)在每個階段都要求質(zhì)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(tài)影響的壓力比以往任何時候都大,航天和航空業(yè)的制造商必須滿足21世紀航空的需求,特別強調(diào)制造輕質(zhì)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(nèi)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(shù)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(zhàn),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(chǎn)技術(shù)的進步使創(chuàng)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(xiàn)有結(jié)構(gòu),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(chuàng)建零件的模擬,它減少了物理試驗的次數(shù),而不消耗任何原材料。它還使工程師能夠快速調(diào)整制造過程,直到實現(xiàn)有效的過程。

復合材料3D打印同樣也在空間系統(tǒng)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(fā)展已涵蓋在國際空間站上的室內(nèi)實驗,在未來幾年內(nèi),將利用低地球軌道(Low Earth Orbits,LEOs)上的衛(wèi)星平臺進行技術(shù)演示。本文調(diào)查了用于各種非地球用途的AM技術(shù),如機械、電氣、電化學和醫(yī)療應用,為實現(xiàn)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(fā)的增材制造技術(shù)提出了建議,包括商業(yè)現(xiàn)貨軟件(Commercial-off-the-shelf,COTS)和基于實驗室的技術(shù),降低開發(fā)成本并促進可持續(xù)性。

復合材料增材制造技術(shù)在航空航天領域的應用

增材制造技術(shù)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(jīng)被考慮用于商業(yè)的新的可打印材料。增材制造技術(shù)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(xiàn)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(jié)構(gòu),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(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、電氣和生物醫(yī)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(shù)量減少一個數(shù)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(jié)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(yè)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(chǎn)具有大尺寸和長寬比的結(jié)構(gòu)部件。


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