現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)身外殼由剛性框架和蒙皮組成，剛性框架通常包括根據(jù)機(jī)身橫截面的形狀彎曲成圓周方向的一系列框架和連接到框架的多個(gè)縱向縱梁組成。而隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，在優(yōu)化這些剛性框架的重量與剛性方面有了新的探索空間。

實(shí)心與網(wǎng)狀的結(jié)合

典型的機(jī)身在縱向上被分成所謂的框架站，每個(gè)框架站包含一個(gè)由幾個(gè)框架段構(gòu)成的框架。通常，4到8個(gè)這樣的框架段在圓周方向上連接在一起以形成一個(gè)框架。存在具有不同橫截面形狀的各種類型的框架，通常這些框架在輥軋成形工藝中由金屬板形成。

空客的一個(gè)構(gòu)思是形成在某種程度上以開放的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為特征的結(jié)構(gòu)部件，以成本有效的方式減小通用結(jié)構(gòu)部件的重量，同時(shí)保持部件的足夠剛性。至少一個(gè)加強(qiáng)部分為剛性網(wǎng)格部分，而至少一個(gè)加強(qiáng)部分形成為實(shí)心部分。

可以根據(jù)結(jié)構(gòu)部件的特定區(qū)域中的預(yù)期載荷情況來優(yōu)化網(wǎng)格部分的配置和形成：以固體方式形成結(jié)構(gòu)部件的負(fù)載受影響區(qū)域或高應(yīng)力部分，而在負(fù)荷較小的區(qū)域中，結(jié)構(gòu)部件可以包含有輕質(zhì)網(wǎng)格。例如，金屬網(wǎng)比金屬板輕得多，并且具有一定的剛度。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)部件可以節(jié)省重量和燃料，因此可以幫助降低制造和運(yùn)營成本。

利用現(xiàn)代計(jì)算方法，例如拓?fù)鋬?yōu)化，可以預(yù)先確定結(jié)構(gòu)部件的預(yù)期應(yīng)力載荷，并且結(jié)果可以用于優(yōu)化實(shí)心部分和網(wǎng)格部分的配置，以實(shí)現(xiàn)剛度與重量的最佳平衡。

結(jié)構(gòu)部件可以由金屬整體形成，通過AM-增材制造工藝，可以以相對簡單的方式生產(chǎn)高度復(fù)雜的二維或三維金屬部件，這是整體形成由實(shí)心和網(wǎng)格部分組成的結(jié)構(gòu)部件的可行方式。原則上，AM工藝也可用于加工復(fù)合材料從而形成整體結(jié)構(gòu)部件，例如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

除了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)部件可以基本上由鋁或鈦形成。鋁合金由于其耐用性和可靠性而廣泛用于飛機(jī)制造中。鈦或鈦合金具有高耐溫性和耐腐蝕性，并且與其他金屬相比，盡管密度相對較低，但具有高強(qiáng)度。因此，在飛機(jī)或航天器的高應(yīng)力部件的情況下使用鈦或鈦合金比較普遍。 當(dāng)然可以使用鈦合金和鋁合金的組合，例如實(shí)心部分可以由鈦合金形成，而網(wǎng)狀可以由便宜得多的鋁合金制成。

而在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)預(yù)定應(yīng)力載荷進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算之后，可以使用拓?fù)鋬?yōu)化或類似方法來優(yōu)化結(jié)構(gòu)部件。因此，對于給定的一組設(shè)計(jì)要求，可以找到最佳部件設(shè)計(jì)布局，然后通過3D打印的工藝來制造完成。

3D科學(xué)谷Review

根據(jù)中國航空報(bào)，2018年空客旗下Stelia航宇公司的工程人員通過電弧增材制造（WAAM）技術(shù)創(chuàng)造出了世界首個(gè)自加強(qiáng)機(jī)身壁板，他們以增材制造集成加筋結(jié)構(gòu)以提供結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。工程人員使用的是絲束電弧增材制造，將加筋鋁絲沉積到壁板的內(nèi)表面。之前，機(jī)身內(nèi)部網(wǎng)狀的加筋結(jié)構(gòu)均是通過手工緊固或者焊接上去的。

由于該項(xiàng)目的成功，STELIA對電弧增材制造（WAAM）將最終取代飛機(jī)機(jī)身面板的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，消除對某些進(jìn)一步固定和焊接的需求表示樂觀。

相比于使用螺栓和螺釘將加強(qiáng)結(jié)構(gòu)固定到機(jī)身面板上，通過拓?fù)鋬?yōu)化，STELIA R＆T的設(shè)計(jì)師和工程師創(chuàng)造了一個(gè)機(jī)身骨架，將加強(qiáng)結(jié)構(gòu)直接3D打印到面板表面，不僅避免需要更多零部件，3D打印面板加強(qiáng)筋不易受到銜接薄弱處的影響，從而創(chuàng)造出更穩(wěn)定的飛機(jī)機(jī)身。

憑借其專有的電子束增材制造（EBAM）技術(shù)，Sciaky也一直在研究3D打印大型飛機(jī)零件的能力。Sciaky的電子束熔融增材制造（EBAM）技術(shù)主要是由金屬絲作為打印材料，并使用一種功率強(qiáng)大的電子束在真空環(huán)境中通過高達(dá)1000℃的高溫來融化打印金屬零部件。這種電子束槍的金屬沉積速率從一小時(shí)幾磅金屬材料，到一小時(shí)20磅不等。電子束定向能量沉積、逐層增加的方法創(chuàng)建出來的任何金屬部件都近乎純凈，并且不需要任何類型的打印后熱應(yīng)用處理。該技術(shù)也可以用于修復(fù)受損的部件或者增加模塊化部件，并且不會產(chǎn)生傳統(tǒng)焊接或金屬連接技術(shù)中常見的接縫或者其它弱點(diǎn)。

在產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域，空客的Premium Aerotec工廠正在通過Norsk Titanium的快速等離子沉積?技術(shù)進(jìn)行A350 XWB飛機(jī)上的鈦合金零件的生產(chǎn)。此外，庫卡還為英國核電站承建了大型核電站零件制造系統(tǒng)。國內(nèi)王華明院士帶領(lǐng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的重型金屬3D打印技術(shù)，以金屬絲材與輔料為原材料，在電熔冶金的環(huán)境下，利用高能熱源熔化原料絲材，根據(jù)成形構(gòu)件的分層切片數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)原材料逐層快速激冷凝固堆積，最終獲得超低碳、超細(xì)晶、組織均勻、綜合力學(xué)性能達(dá)到甚至優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造工藝成形的金屬構(gòu)件。

而在應(yīng)用開發(fā)方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，我國的攀鋼也在雙金屬的電子束熔絲成型增材制造方面進(jìn)行了積極的探索研究。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，攀枝花鋼鐵研究院利用分層處理軟件規(guī)劃兩種金屬打印件的層厚尺寸以及沉積層的寬度尺寸，按先打印里層、后打印外層的先后順序進(jìn)行路徑規(guī)劃，探索出兩種不同材料金屬成型的方法，效率高，冶金質(zhì)量好。

那么究竟3D打印技術(shù)（尤其是DED技術(shù)）將如何影響飛機(jī)機(jī)身的制造，讓我們保持持續(xù)關(guān)注與研究。