3D打印助力空客部件功能化集成—两周时间完成从设计到成品制造

2019年8月14日

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一架全新的商用飞机首次飞向天空总有其特殊意义，作为划时代的产品，空客A350 XWB 从设计之初就明显侧重于材料和生产工艺的创新—其目标不仅仅是打造世界上最有效率的飞机。增材制造作为面向未来的技术，在开发过程中被充分考虑。作为测试项目的一部分，来自 Sogeti High Tech 的专家以创纪录的速度成功地为客机垂直稳定翼的前翼梁开发了一种线束支架，从初始草图到最终成品只用了两周时间。EOS 的技术和专业知识为这一开发过程提供了关键保障。

3D打印助力空客部件功能化集成—两周时间完成从设计到成品制造

轻量化和高质量：使用 EOS Aluminium AlSi10Mg 实现垂直尾翼支架的一体化设计。（来源：EOS）

▌面临的挑战

该项目的目标是为最新空客机型开发电缆布线支架。该支架用于垂直稳定翼上摄像头的供电和数据传输，使乘客能够看到机舱外部的景象，并为飞行员指引地面方向。

任务面临的最大挑战是，交货时间只有短短的两周。整个开发过程必须在此时间段内完成：通过对零部件和当前安装的分析，进行拓扑优化以及成品的参数设计和生产。支架还需要使用尽可能少的支撑结构，以避免后期处理。另外，组件的规格要求集成卡入式电缆固定件、减轻重量，并符合后续航空工业认证的严格要求。

传统方式生产的组件由成型的金属片材零部件和许多铆钉组成，总共超过 30 个单独零部件。上部的插头连接器由塑料制成，使用的材料与支架的其他零部件不同。目标是开发一个集成式解决方案，包括插头连接器在内的单一零部件，这样能够大大减少构造和安装时间。通过基于拓扑优化的参数究来确定增材制造的减重目标。

▌解决方案：30个零件集成为一个，金属3D打印制造

对于这个新组件，Sogeti High Tech 采用经过实践验证的开发过程，用于设计零部件。该项目首先根据即将采用的制造过程，对现有的传统方式生产的组件进行分析，结果非常乐观。针对该组件的功能、材料和原来复杂的结构，金属3D 打印技术是理想选择。借助该技术提供的设计自由度，复杂结构可以通过单个零件实现，这意味减轻重量的同时不影响其功能。

3D打印助力空客部件功能化集成—两周时间完成从设计到成品制造

采用增材制造技术进行一体化设计的尾架将零部件数量从 30 个减少到 1 个。（来源：Sogeti）

铝合金（AlSi10Mg）是薄壁复杂结构的理想选择。与外部区域的接口保持不变形成了非设计空间，这意味着不需要对其进行任何更改。将定义的负载作为参数研究中拓扑优化的边界条件，为新设计提供依据。

按照惯例，将 CAE 软件用于拓扑优化计算；相比之下，设计结构时使用了专用的解决方案，将自由曲面用于重新设计。Sogeti High Tech 独立完成设计。为了满足两周的交付周期，EOS 使用 EOSPRINT 软件，计算出通过拓扑优化结果计算出构建时间和优化参数。从而以 CAE 呈现制造的零部件，同时还兼顾制造过程的可能性和局限性以及避免支撑结构。除了出色的硬件外，EOS 全面的专业知识也为零部件顺利制造提供了保障。

▌成果：19 小时完成制造，减重30%，实现全面定制化

通过 Sogeti 和 EOS 之间的合作，开发出针对增材制造优化的零部件，充分利用 SLM 技术所提供的设计自由度，同时兼顾其限制因素。这样就可以将电缆布线的插头连接器集成到设计中，对特定关键区域进行局部加强，从而优化结构。组件内的自支撑孔隙和支柱可以稳定当前结构并将后期处理成本降至最低。

此外，3D打印可以实现按需制造，无论何时需要，都可以极快的速度生产支架。在 EOS M 400 上以 90μm 的层厚度进行制造时只需要 19 个小时，而传统制造则需要 70 天，这等于生产时间减少了 90％以上。归功于许多单独步骤和之前 30 个零部件已经集成在一个中央组件中，现在仅需一步即可进行生产。此外，现在也不再需要对各个零部件进行单独生产，更无需库存，这就节省了大量的费用。整个装配件的存储也非常简单。

Sogeti 生产和开发环节节省了大量的时间。从初始草图到最终组件完成的整个过程只需要两个星期。这个交货时间非常惊人。同时，该设计减轻了可观的重量。传统制造的零部件重达 452 克，而增材制造的线束支架重仅 317 克 —众所周知，航空工业千方百计减轻每一克重量，以便将燃油消耗降至最低。

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