未来的飞机是什么样子？采用什么结构、材料，动力来源如何？为了验证“大飞机”上的技术，通常会采用“小飞机”进行实验，只有经验证机验证过的技术，才能安全地应用于其他飞机上。因此，称验证机为技术先驱毫不为过。基于此，中国商飞“灵雀”项目应运而生。 灵雀H设计与试飞过程 中国商飞下属的北京民用飞机技术研究中心，便是专门开展未来飞机设计、研发与验证的机构，简单的说，就是研究未来30年以后的民机。据笔者了解，该中心承担的灵雀H验证机大量采用了3D打印技术，本期，3D打印技术参考就带来该项目实施过程中在使用3D打印技术时遇到的困难与挑战。 ▌灵雀H—次承力部件和起落架舱均采用先进3D打印技术 “灵雀H”验证机翼展6米，创新性采用氢燃料电混合动力技术，旨在验证以氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力技术在飞机上使用。“灵雀H”验证机机身大量运用复合材料，次承力部件和起落架舱均采用了先进的3D打印技术。 ●材料工艺：尼龙玻纤，SLS ●打印部件：主要为机头、发动机短舱、起落架舱 这些部件都有同样的特点，即外部是复杂的曲面，内部有大量的系统结构，非常复杂且难加工。采用传统的玻璃纤维复合材料，需要制造模具，成本高、周期长。而且有可能零件变形过大，造成超差，装配困难。采用3D打印工艺，可以一次成型整个部段，无需开模，成本低、周期短，无需装配，还减轻了结构重量。 ▌面临的挑战与应对策略 若采用3D打印直接制造传统结构零部件，则无法充分发挥3D打印的优势，甚至可能放大该技术的局限性。项目团队在充分认识了3D打印技术的特点和局限性之后，在满足结构功能、性能、重量等的基础上，开展了飞机系统部件的集成化和轻量化设计。在项目实施的过程中，也遇到了一些挑战： 1、结构一体化设计：不仅要考虑到飞机系统的布置、载荷工况、结构强度，还要考虑3D打印的工艺约束，对于设计来说有一定难度。 2、轻量化设计：为了减轻每一克重量，都做了大量的优化设计工作，包括拓扑优化、点阵结构、尺寸优化等等。 3、活动面设计：起落架舱门在飞机起降过程中要打开或关闭，SLS虽然可以打印活动结构，但是对于精度、间隙、变形等问题，研发团队仍然做了大量试验后才找到最佳方案。 3D打印的灵雀H验证机机头 根据3D打印技术参考对比其他应用开发过程以及笔者自身的经验得出结论，任何设计团队在进行结构优化的过程中，不仅仅要考虑结构的问题，更要考虑工艺问题。设计团队只有详细了解具体的3D打印工艺，设置合理的设计约束，才能实现部件既能做的出来，又能实现功能性。 3D打印的铰链的测试件 灵雀H活动结构件的间隙设置最能体现这一要求，如果活动间隙设计的太大，两个结构就会发生相对位移，不利于活动面的精度控制；如果活动间隙设计的太小，那么活动阻力就会特别大，甚至在打印的过程中粉末会被烧结到一起，根本无法活动。设计团队因此做了几十组不同间隙的试验件，最终才找到最佳的间隙设计值。 灵雀H整体打印的活动结构 在材料方面，经过玻璃纤维增强的尼龙，其机械强度、尺寸稳定性和耐热性能都会有显著的提高，尤其具有良好的耐摩擦性和耐耗性。玻璃纤维的加入也会提高复合材料的导热、导电性能，从而可以制备出功能复合材料。 ▌3D打印为飞机减重，加速迭代改进 2019年1月-3月，“灵雀H”新能源验证机开展了4个构型10架次的试飞任务，充分验证了氢燃料电池动力系统，标志着中国商飞未来民机在新能源领域的探索取得实质进展。 起飞过程降落过程 在本项目中，验证机机头、发动机、短舱等复杂机构件均通过3D打印技术制造，飞机总重不足30公斤，复合材料和3D打印技术的使用显著降低了飞机结构重量和部件数量；同时基于快速制造的特点，从立项到首飞，仅用了5个月时间。经过快速迭代改进，“灵雀H”验证机航时超过24小时，实现了向飞机减重和工程应用的方向发展。 关于尼龙材料以及玻璃纤维增强尼龙材料的相关资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 中国航发：基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738  

增材制造技术的发展为航空发动机的设计和制造带来了诸多便利，但其在航空发动机上的应用大多局限于单个零件的加工制造，如何在整机的范畴上对增材制造技术加以利用，满足提高性能、可靠性、集成化和轻量化的需求，无疑是未来研究的重点方向。 微型涡喷发动机测试过程（GE2016） 近日，中国航发动研所以一款微型涡喷发动机为技术验证平台，开展了基于3D打印的航空发动机结构集成化及轻量化设计研究，并针对3D打印的零部件及整机开展了验证试验工作，获得了一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机。本期，3D打印技术参考对该项目进行介绍。 全3D打印的涡喷发动机（中国航发2017） ▌项目总体思路和方案 该项目的预期目标是与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数减少50%以上，发动机本体减轻质量不低于15%，推力提升不低于10%。整个项目分为三个阶段实施：发动机集成化设计、发动机轻量化设计，以及为提升发动机性能的创新型冷却构型设计。 3D打印发动机研究总体思路（航发动研所2019） ▌发动机集成化设计研究 当前的微型涡喷发动机采用了大量螺栓连接和焊接等形式进行零件装配。如果采用3D打印直接制备传统结构零部件，则无法充分发挥增材制造技术的优势，甚至可能放大该技术的局限性。为此，项目团队须结合3D打印技术的特点及局限性，打破传统工艺下发动机设计的思维定式，在满足结构构型约束、性能约束、工艺约束、强度约束及刚度约束等多约束的基础上，开展发动机零件结构集成化设计研究，实现一体化打印，从而省去连接件和焊接件的使用，减少零件数量，降低装配难度，提高发动机寿命及可靠性；同时，省去部分零件安装边的设计，达到减轻零件质量的效果。因此，最终确定零件整合方案，以减轻发动机质量、提高结构可靠性为目标。 集成化设计思路 创新团队在详细剖析传统发动机零件结构、功能、材料及装配关系后，制订了多种零件集成化方案。针对集成化结构开展了性能评估、结构强度评估、转静子间隙评估及增材制造工艺可行性评估，突破了可提升结构可靠性的集成化设计技术，实现发动机本体零部件数量减少81%。 发动机集成化设计对比图（航发动研所2019） 微型涡喷发动机原模型结构优化及相应零件实物示例（中国航发2017） ▌发动机轻量化设计研究 结合发动机零部件结构功能与承载性能约束，创新团队将面向增材制造工艺的拓扑优化技术应用至零件的轻量化设计中。利用变密度拓扑优化设计驱动材料分布，从而获得零件高效、轻量化的创新构型。在此基础上考虑增材制造工艺约束性，对拓扑优化构型进行重构，优化零件结构形式，实现拓扑构型的可制造性及工程适用性。针对拓扑空间较小的集成化静子件，则利用增材制造可实现高度复杂构型成形的特点，对集成化零件进行结构适应性改进，在确保结构刚度和强度的基础上，实现静子件的轻量化设计。 轻量化设计方案 创新团队采用面向增材制造工艺的拓扑优化技术完成了发动机主要零部件轻量化设计，包括转子件和静子件等，最终实现整机减轻质量17.3%。 集成化静子件轻量化设计前后（航发动研所2019） 发动机结构优化前后质量对比 ▌空心叶轮盘冷却设计研究 根据拓扑优化设计后的转子件空腔结构特点，创新团队提出了一种新的气冷叶轮盘结构。其基本原理是从离心叶轮背腔引冷气，通过空心涡轮轴，到达叶轮盘内部进行冷却，从而达到叶轮盘温度降低的效果，可以显著提升发动机性能。 新型冷却结构设计方案 ▌整机验证 发动机的转子件仍采用传统工艺制造，其他零部件均采用3D打印，串装后的发动机已完成两次点火试验，性能达标，状态稳定。 3D打印的涡喷发动机零件成品状态（中国航发2017） 实验后发动机分解图（航发动研所2019） 为验证串装3D打印发动机的场外工作能力，创新团队将其装在航模飞机上，进行了飞行试验。 串装发动机航模试飞（航发动研所2019） END 中国航发动研所团队以微型涡喷航空发动机为技术验证平台，探索3D打印技术在航空发动机设计和制造领域的应用研究，从本项目获得的集成化、轻量化设计技术对提升发动机设计和制造能力具有重要意义，可推广应用至高性能发动机的研制。 项目的实施无疑能够使技术团队得到很好的训练，能够有效提高增材制造技术水平，积累更多的设计经验，有助于提升增材制造技术在国产大涵道比涡扇发动机中的工程化应用水平。 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印如何助力巡航导弹等高超声速武器制造 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738