3D打印典型应用：民用客机关键零部件整体化制造

来源：增材制造产业联盟

2022年8月，工业和信息化部发布了《首批增材制造典型应用场景名单》，经过地方推荐、专家评审、社会公示等程序，形成了首批增材制造典型应用场景，共有工业、医疗、建筑、文化等领域的36个优质应用场景入选。

为加快增材制造先进技术与装备应用推广，中国增材制造产业联盟设立“增材制造典型应用场景案例专栏”，从需求痛点、案例介绍、技术先进性、应用成效、下一步计划等角度立体展示优秀成果案例，届时将会在2月28日~2023.03月02日“中国增材制造产业发展（广州）高峰论坛暨2023年中国增材制造产业年会”中进行交流分享。

现将第四期“民用客机关键零部件整体化制造”发布如下。

场景类型

民用客机关键零部件整体化制造

场景项目单位

服务提供商

上海飞机制造有限公司、中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心

中国商用飞机有限责任公司

一、背景概述

（一）需求痛点
经济性是民用飞机满足市场竞争需求和实现产品成功商业化的重要指标。飞机的经济性不仅要考虑制造成本，还要考虑飞机全寿命周期的运营成本。飞机减重对降低全生命周期运营成本、提升飞机整体性能、减少碳排放污染等意义重大，控制好飞机重量、进行有效的减重工作是保持民机竞争性的必要条件之一。因此，如何提高“结构轻量化”水平，实现轻量化结构的设计和整体化制造是民用飞机结构减重的需求痛点。

（二）解决方案
增材制造技术可直接完成从零件数字模型到复杂结构件的近净成形制造，使设计突破传统的制造工艺约束，获得更大的自由度，具有制造周期短、材料利用率高、轻量化效果显著的优势。面向民机产品开展轻量化结构创新设计与增材制造应用研究，通过拓扑优化和空间点阵结构等设计方法对结构形式进行优化，在保证性能的前提下使零件的应力呈现出更合理化的分布，探索功能最优、材料最省、效率最高的机体承力结构形式，采用激光选区熔化增材制造技术从而实现传统减材制造难以实现的减重效果。

二、案例介绍——登机门铰链臂

（一）案例描述

登机门铰链臂是飞机舱门与门框重要连接结构件，作用在舱门上的舱门重力、阵风、舱门开启等载荷通过铰链臂传递到机身门框，传统构型登机门铰链臂结构为机加件，重量为9.2kg。

对登机门铰链臂进行拓扑优化设计，并对优化设计的铰链结构进行各个工况下的强度和刚度的校核，满足设计要求。优化后的零件设计重量为6.4kg，较原设计构型减重30.4%。

（a）优化前构型 （b）优化后构型

图1 优化前后舱门铰链臂构型

该构型单向尺寸近600mm，具有薄壁、大曲面、镂空等复杂结构特征。通过技术攻关，利用激光选区熔化技术（SLM）实现了高强铝合金铰链臂的一体化制造。相比于机加态铰链臂减重约30%，全生命周期制造成本降低了30%以上，增材制造快速生产与轻量化效果显著。

图2 SLM高强铝合金舱门铰链臂零件

经评估，增材制造高强铝合金舱门铰链臂性能满足要求，同时，根据舱门铰链臂在飞机上的功能和服役环境，基于对应的适航符合性条款要求，针对性的开展全尺寸零件静力和功能装机测试试验和试飞考核。结果表明该零件的力学性能满足舱门实际使用工况所承受载荷要求，试验结果符合通过条件。

图3 高强铝合金舱门铰链臂零件装机试飞

产品制造装备为西安铂力特公司的BLT-S600型激光选区熔化成形装备，最大可成形尺寸为600×600×600mm3，如图 4所示。

图 4 激光选区熔化成形设备

（二）技术水平及先进性

本应用场景在国内首次实现了大尺寸高强铝合金增材制造零件的装机验证，掌握了高强铝合金复杂精密构件结构优化设计、增材制造及质量控制与评价等关键技术，并成功制造满足型号应用需求的舱门铰链臂等零件。该场景入选2022年先进制造业“十大领航项目”。

三、应用推广成效

本场景开展了高强铝合金增材制造零件的研制，建立了从结构设计、工艺控制及检测、适航符合性和航空典型件应用验证的技术体系，通过SLM成形铝合金零件的全流程验证，首次实现了基于国产设备和国产原材料的SLM成形高强铝合金功能一体化零件在大型客机C919上的装机验证。对于我国大型客机实现减重和提高经济性的目标具有重要意义。

四、下一步提升及推广

后续将进一步提升国产SLM设备稳定性控制、SLM控形控性等关键技术的成熟度，推进增材制造产业链上下游的联动，为高强铝合金增材制造工艺及国产SLM设备在民机静强度驱动甚至疲劳损伤容限零件及其他领域的应用提供更广泛的案例和信心。本应用场景建立的成本分析-设计-制造-评价一体化研制体系以及高强铝合金SLM零件适航认证研究方法等共性成果可辐射推广至其他增材制造方向以及其他领域的增材制造资质认证，推动增材制造在各领域的深入应用，提升国产增材制造水平，助力中国制造。

（撰写单位：中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心、上海飞机制造有限公司）