3D技术和印模材料在飞机机体结构补强件设计上的取型方法研究

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摘要：随着飞机使用寿命增加，机体结构出现裂纹，针对不同位置，不同形状、不同长度的裂纹要针对性的制作加强角盒进行补强修理或者对结构件进行换新。因为加强角盒和机体结构的贴合要求，加强角盒的形状、尺寸准确性至关重要。同时，选取合适的加强件取型设计方法，对于加强件的设计效率和设计质量至关重要。采用3D扫描、3D打印技术和印模技术，可快速实现加强件的精确设计，是一种低成本，高效率的设计方法。

关键词：加强件、3D打印、3D扫描

引言

飞机机体结构补强是指根据飞机强度、刚度等性能要求，设计加强件，通过紧固件与机体结构连接，对产生裂纹、腐蚀的结构件进行补强或者换新，弥补因为裂纹、腐蚀造成的原机结构件强度、刚度等损失，以满足飞机使用要求。

飞机机体结构件裂纹存在于全机身不同的部位，对于飞机修理厂而言，结构件有的易拆卸，有的拆卸成本大，有的因为资料不全无图纸，有的图纸尺寸不全，还有部分裂纹所处位置及其狭小，常规测量方法根本无法准确获取被加强区域形貌，极大的增加了加强件设计难度和修理质量，甚至加强质量更是无法保证。

因而，选取对加强区域合适的外形测量手段，对加强周期和修理质量都至关重要。

1  加强件设计过程

传统的飞机机体结构加强件设计，往往经过以下步骤：

1）根据被加强区域外形和故障尺寸，确定加强范围，加强件大小往往根据被加强区域原机紧固件位置，结合新制造紧固件安装孔位置来确定。

2）根据加强区域的材料、厚度、并结合故障尺寸、故障形式选取强度、刚度、疲劳性能能够满足要求且易加工、重量轻的材料（一般为钛合金、铝合金或者高强度钢等金属材料）进行强度计算。

3）确定最终加强件方案，包括加强范围;加强件外形、厚度及材料;紧固件规格、牌号及分布。

4）根据加强方案，测绘被加强区域外形尺寸，建立加强件三维数模或二维图纸。

5）根据图纸制作加强件，进行验装，如加强件尺寸能够满足要求，则开展加强修理工作，如加强件尺寸不能满足要求，则需要重新修改图纸进行再制造。

由于测量仪器、机上空间及被加强结构件形状的不规则性的限制，初次测量的结构件外形与实际有较大误差，需要根据装机验证结果不断调整加强件图纸，然后重新进行加工，装机验证。对于相对复杂的结构外形，一般都需要1～3次的加强件尺寸调整和验证过程，才能最终设计出尺寸非常合适加强件。这种传统的设计方法，在调整和验证过程中，浪费了大量的加工和材料成本，而且一般调整和验证过程需要耗费一周甚至半个月时间，严重耽误了产品的维修周期。

2  传统加强件设计方法

2.1  直接设计法

根据故障情况及故障零件和周边零件的图纸尺寸及装配关系，直接按图纸尺寸在等强度原则下，设计加强件，是最常用、最便捷的设计方法，但要求也比较苛刻，故障零件和周边零件的图纸尺寸必须准确完整，且制造厂严格按照图纸进行加工，公差控制良好。但是实际情况往往没有如此理想，很多裂纹结构都是无图纸，图纸尺寸不全的，图纸与实物不符的情况也时有发生。因而根据图纸直接设计加强件的方法虽然便捷，但真实的适用范围缺非常小。

2.2  图纸等比例等效法

对于部分图纸尺寸不全的情况，可以采取结合实物测量，补全图纸尺寸的方法，然后按直接设计法开展加强件设计。但在实际情况中，设计图纸中缺失的尺寸，往往制造时是按“模线样板”来制造的，难以明确尺寸。但是设计图纸的全幅比例印制往往非常精确，在实际操作中，可以在计算机上，将图纸按已经标注的尺寸按1：1比例布置，然后利用计算机软件，直接将无法标注的部分在图纸绘制软件中绘制出来。图纸等比例等效法能够解决大部分图纸不全的故障区域加强件设计，是一种比较高效，便捷的方式。

2.3  实物直接测绘法

实物直接测绘法，是最为传统的加强件设计取型方法，用刻度尺、游标卡尺、千分尺、内径百分表、R规、角度尺等基本的测量仪器，对被加强结构件形状和外形尺寸进行测量，获取被加强区域尺寸，然后绘制加强件的二维图纸或者三维数模。实物直接测绘法适用于故障位置空间开敞，且被加强区域形状规则，结构形式简单的情况。

2.4  微积分思想测绘拟合法

在飞机修理时，经常遇到的一种情况是，机体结构外形曲线毫无规则规律可言，尤其是对于无图纸的零件，再加上空间狭小，先进的扫描设备无法使用的情况下，给加强零件绘制带来了巨大的挑战。在这种情况下，往往需要利用微积分思想，在不规则形状附近，选择一个规则的平面作为基准建立坐标系，然后将不规则的外形看做无数个点，然后逐个测绘特征点到基准面的距离。记录足够的数据后，在三维建模软件中，创建测绘的点和数据，进而通过曲线拟合才创建所需要的加强件形状。

3  基于3D技术和印模技术的加强件新型设计方法

3.1  3D相关技术简介

3D打印技术，又叫快速成型技术，始于1982 年 J.E.Blanther提出的叠层制造原理，以数字模型文件为基础，运用粉末状可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。20世纪80年代快速发展，广泛用于建筑、制造、航空等各大领域，其打印材料已经包括热塑塑料、尼龙、特制刚性透明材料、聚丙烯、橡胶材料、高性能复合材料、不锈钢、钛合金等，涵盖了目前绝大部分工业产品采用的材料类型，基本可以满足目前工业产品的制造需求。

3D扫描技术是指采用三维激光扫描仪和三坐标测量仪，获得扫描对象的点云，再通过三维点云数据处理软件、三维曲面的拟合软件，对扫描对象进行三维数字化建模的技术。

3.2  3D技术在加强件设计上的应用过程

3.2.1  3D扫描技术的应用

将3D扫描技术应用于加强件新型设计，可以完美弥补传统设计方法的缺点。对于能够拆卸换新的零件，利用3D扫描技术，对损坏零件进行360º扫描，收集扫描数据后，对数据进行降噪、数据精简等步骤后，导入 catia等三位设计软件进行曲面重构，得到最终的三维数据模型，可以直接用于实体机械加工，加工得到的零件基本跟原机结构件尺寸一致，无需装机验证便可直接用于生产。如在修复某型飞机平尾整流罩裂纹时因为整流罩外形曲率复杂，用常规测量方式无法测绘建立图纸，采用3D扫描逆向建模方式取得良好的效果。（见图1、图2）

对于难以拆卸的结构件采用补强修理，补强修理时，如果结构件所在的空间足够让3D扫描仪进入，则可以直接对加强部位进行扫描，得到结构件被加强区域的三维数据模型，然后利用Catia等三维软件根据得到的三维数模进行加强件设计，得到加强件的三维数据模型，可以直接于实体机械加工，加工得到的零件基本跟原机结构件尺寸一致，无需装机验证便可直接用于生产。

3.2.2  3D打印技术的应用

对于空间狭小，3D扫描仪无法进入部位的结构件加强件设计，可利用传统的测量方法，对结构件外形尺寸进行初步测量，利用Catia绘制加强件三维数据模型，应用3D打印技术，以PLA作为打印材料，制作加强件的初级模型，代替传统的金属材料加工，进行装机验证和尺寸调整，确定最终的加强件三维数模，再用于金属材料的机械加工。利用3D打印制作模型，时间短，成本低，一般的加强件3小时之内便可完成打印制作，避免了金属材料的浪费，也大幅度节约了时间成本。在对某型飞机机翼1纵墙进行加强时，对加强区域用常规方式进行测量，然后用Catia进行了数据建模，经过3D打印模型进行了机上验证。（见图3）

3.2.3  印模技术与3D技术的结合应用

对于部分空间狭小，3D扫描仪和常规测量工具无法进入的机体结构外形，可采取用印模材料对加强区域进行印模取型，在将印模材料进行3D扫描，间接获取加强区域外形尺寸的方式进行。但这种方式对印模材料的要求较高，因为加强空间异型，所以印模材料需要具有一定的弹性，能够在固化后通过一定的变形从机体结构中取出，同时恢复形状，并具备一定的刚度，这样才能保证获取的加强区域外形准确度。在牙科上使用的硅橡胶印模材料基本可以满足要求，市场上用于牙科的硅橡胶印模材料，调和时间约30s，固化时间约6分钟，同时弹性恢复率在97%以上，可以印模细节达到75μm，需要注意的是在实施时，需要尽可能增加硅橡胶印模的厚度，以保证印模刚度，避免在测绘扫描时因为印模本身质量导致的变形。例如在处理某型飞机外翼裂纹时，裂纹处于口洞内，只允许单手进入，且无法用常规方式测量，因而采用硅橡胶对加强区域进行印模，然后对印模进行扫描，并通过逆向工程建立了加强件数据模型。（见图4、图5）

4  结论与展望

传统的加强件取型测量方式能够满足一部分加强件设计需要，但对于一些形状复杂、空间狭小的机体结构区域，不能提供很好的解决方案，应用3D技术和印模技术辅助飞机结构件的加强件设计，能够快速准确的获得被加强区域的外形三维数据，高效的完成加强件三维数据模型构造，结合现代化的数控机械加工设备，能快速实现对机体结构零件的加强件设计制造，对提升修理工厂飞机维修保障能力，降低维修成本，缩短修理周期具有重要意义。同时，随着3D打印技术的不断成熟，航空装备维修厂建立加强件的三维数据模型后，直接以铝合金、钛合金等金属粉末作为打印材料，实现小批量的加强件制作，也是我国航空装备修理可期的方向。

参考文献

[1] 杨航.3D技术在机械零部件逆向工程中的应用. 中州煤炭，2015（1）：93-95

[2]罗大成.3D打印技术在武器装备维修中的应用研究.自动化仪表，2017（4）：32-34

作者简介：亢久隆（1994.3-），男，汉族，甘肃庆阳人，大连长丰实业总公司助理工程师。