德-voxeljet助力法-Sogeclair：飛機艙門減重30%
魔猴君 科技前沿 2754天前
飛機艙門結構設計復雜，連桿、鉸鏈數量眾多，機構運動過程多階段，運動關系復雜多變。這些都給艙門的設計、加工帶來了挑戰，如何在滿足力學性能要求的同時，又滿足加工的可操作性，盡可能少的浪費材料，并有效的實現輕量化，這是飛機艙門制造中所遇到的挑戰。德國voxeljet-維捷與法國Sogeclair合作通過Binder Jetting粘結劑噴射3D打印技術成功制造了鋁制的仿生學結構艙門。
艙門是飛機上的運動功能部件，它的功能、使用壽命、安全性、維修性和可靠性，直接關系到飛機的出勤率。若艙門設計不當，飛機在高空中飛行的時候，可能發生艙門的意外打開，會造成壓力艙泄壓，并嚴重影響飛機飛行姿態。
為了達到高度的可靠性，艙門的設計上需要防止飛行中因機構損壞或任何單個結構元件損壞而打開的可能性，這就為艙門的設計帶來了高度的復雜性。而為了滿足這一復雜性的設計，也給加工帶來了相當的挑戰。不僅僅數量眾多的連桿、鉸鏈結構帶來了加工的難度，還需要滿足各種力學性能的要求，包括門框部位的抗拉和抗彎性能，抗剪切和抗壓縮的構件，都需要滿足嚴苛的力學要求。
鋁制艙門的設計效果圖
法國航空供應商Sogeclair希望通過3D打印技術為飛機生產艙門，從而解決傳統加工方式所面臨的加工復雜性的挑戰。此外，Sogeclair希望通過3D打印技術節省材料，降低制造成本，并且大幅減輕艙門重量。
Sogeclair的這一需求可以說是順應了航空航天領域的發展需求，能源的緊張使得飛機需要不斷提高燃料效率和經濟性，以降低其對環境的影響。而飛機的輕量化是實現降低燃料消耗的關鍵方式之一，減重帶來明顯的經濟性成為航空供應商的一致追求。
不過，對于3D打印技術來說，加工飛機的艙門同樣面臨著挑戰，一是艙門結構的復雜性，如何避免使用支撐材料從而實現近凈形的加工結果；二是艙門結構尺寸大，如何能夠滿足大尺寸的加工而不需要二次拼接或者焊接。這都為Sogeclair向工業級3D打印設備及服務商voxeljet-維捷尋求合作提供了必然性。
voxeljet-維捷的Binder Jetting粘結劑噴射3D打印技術工作原理是，先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘結劑噴在需要成型的區域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出來的零件。Binder Jetting的技術優勢在于成型速度快、無需支撐結構，而且對于voxeljet-維捷來說，大尺寸正是他們所擅長的。
在對飛機艙門所要達到的機械性能進行深入的研究之后，項目團隊決定摒棄傳統的艙門設計，而是采用了仿生學結構設計理念。通過仿生力學結構來減少材料使用，從而將重量減輕30％，并且不犧牲艙門所需要達到的力學強度。
3D打印的PMMA材質精密鑄造模具，來源voxeljet-維捷
設計完成后的挑戰是使這種三維設計成為現實，在這個過程中，項目團隊采用了voxeljet-維捷的3D打印系統來制造大型精密模具。VX1000 3D打印機具有1,000 x 600 x 500 mm的構建體積，成為該項目的合適選擇。通過層層打印PMMA粉末顆粒，并使用粘結劑噴射法將粉末顆粒相互粘結在一起，飛機艙門的精密鑄造模具就制造出來了。
PMMA的材料特性幫助Sogeclair了獲得關鍵的加工結果，與其他3D打印塑料材料相比，PMMA非常適合用于鑄造。其主要原因是粉末材料的負膨脹系數，在燒毀薄壁模型的過程中不會導致漲殼，從而不會導致鑄造模具的破損，不僅降低了制造中的風險，還滿足了近凈形的要求。
最終3D打印的PMMA材質的精密鑄造模具被送到鑄造廠，最后完成了鋁質材料的艙門鑄造。
