1、 毕业设计（论文） 题 目： 3D 打印飞机零件支撑设计 XXX 大学士学位论文 3D打印飞机零件的优化设计 摘要： 3D 打印技术备受国内外关注，快速发展为一种趋势，同样的传统的制造行业面临这巨大变化。在航空航天方向，高强度、耐高温、精度高飞行器的设计需求针对飞行器设计及制造工艺要求更高，特别是大尺寸，复杂结构多的零部件，然而 3D打印技术整体化制造技术特别适合制造大尺寸、复杂结构零件及定制的变批量零件。相对于传统制造技术， 3D 打印技术有着其独特优势。 当前飞机设计时间过长，总是超出生产周期，难以满足优化的设计，基于这些问题针对飞机零件的布局及零件所含元素进行优化设计，已达到减少材料损耗
2、，制造费用少及刚度、强度等要求，采用优化设计。随着对飞机零件制造工艺要求的提高，目前制造行业尤其关注 3D 打印技术，根据飞机零部件的制造要求，使用 3D 打印技术制造零件。本文介绍 3D 打印技术的成型特点，说明 3D 打印技术研究目标及优化设计方案，最后从零件结构特征、结构的稳定性、制造时间及成本等方面进行案例分析，求出最佳 3D 打印方式。 关键词： 3D打印 飞机零件 优化设计 指导老师签名： XXX 大学士学位论文 Optimized Design of 3D Printing Aircraft Parts Abstract: 3D printing technology has a
3、ttracted domestic and international attention, the rapid development of a trend, the same traditional manufacturing industry is facing this great change. In the aerospace direction, high strength, high temperature, high precision aircraft design requirements for aircraft design and manufacturing pro
4、cess requirements are higher, especially large size, complex structure and more parts, but the 3D printing technology integrated manufacturing technology is particularly suitable for manufacturing Large size, complex structural parts and custom variable parts. Compared to traditional manufacturing t
5、echnology, 3D printing technology has its unique advantages. The design of the current aircraft is too long, always beyond the production c ycle, it is difficult to meet the optimal design, based on these problems for the aircraft parts layout and parts contained in the optimization design, has achi
6、eved material loss, less manufacturing costs and stiffness, strength Requirements, using optimized design. With the increase in aircraft parts manufacturing process requirements, the manufacturing industry is particularly concerned about the 3D printing technology, according to the aircraft parts ma
7、nufacturing requirements, the use of 3D printing technology manufacturing parts. This paper introduces the forming characteristics of 3D printing technology, illustrates the research goal and optimization design of 3D printing technology. Finally, the best 3D printing method is obtained from the asp
8、ects of structural features, structural stability, manufacturing time and cost. Key words: 3D printing aircraft parts optimization design Signature of Supervisor: XXX 大学士学位论文 目录 1. 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 课题背景 . 2 1.3 国内外研究现状 . 3 1.4 研究目标和内容 . 5 2.3D 打印飞机零件设计方案 . 6 2.1 设计任务分析 . 6 2.2 零件设计 . 6 2.2.1 建模
9、工具 . 6 2.2.2 零件建模 . 7 2.3 模型的切片 . 8 2.4 支撑设计规则 . 12 2.5 确定制造最优方向 . 13 3. 案例分析与研究 . 15 3.1 最优打印方向 . 15 3.2 最优模型 . 18 3.3 三维打印优化结构优化研究 . 21 4. 总结与展望 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 XXX 大学士学位论文 1 1.绪论 1.1 引言 随着工业革命的不断变革，工业一体化现象越来越来明显，人们对生活品质要求变高，因此对产品的观赏性和复杂性需求不断提高，反而对部分复杂结构的产品，用传统的制造模式无法直接加工制造这些产品，只能分别加工产品的零部件
10、，制造好后运用合理的装配组合得到该产品，但是制造出来的产品整体的稳定性、结构强度、精准度都有一定的缺陷。传统的制造模式是一个减材制造过程，耗费大量材料，不便于节省生产成本。 3D 打印技术相对于传统的成型模具加工，它是一种快速成型技术，利用数字化模型，运用一些简便材料，便可以实现所设计的复杂产品，不用大批工 装设备等来制造便可以完成任务，适合单件零件制造，避免模具零件浪费。 3D 打印技术是一种创新的加工工艺技术，称作“增材制造技术”或“堆积成型技术”。该技术运用了离散堆积基本原理，建立 3D 模型，对不同要求的工艺产品，运用合适厚度对打印零件进行分层，将 3D 数字模型切片成层层 2D 模型
11、，对 2D 模型的曲线结构进行打印。然后处理所应用的数据，代入零件参数，形成数控编程代码，在数控系统下，实现从线到面，从面到体的连续加工过程，层层堆积薄片过程，制造出整体式结构零件，常应用 3D 打印技术如表 1-1。 表 1-1 3D 打印类型 类型 成型技术 基本材料 支撑结构 材料形态 挤压 熔融沉积式成型 热塑性塑料，共晶系統金属 有 丝状 粒状 直接金属激光烧结 几乎合金 无 粉末状 电子束熔化成型 钛合金 无 选择性激光熔化成型 钛合金、不锈钢、铝 无 选择性热烧结 热塑性粉末 无 选择性激光烧结 热塑性塑料、金属陶瓷粉末 无 层压 分层实体制造 纸、金属膜、塑料薄膜 无 薄膜状
12、光聚合 立体平板印刷 光硬化树脂 无 液态 XXX 大学士学位论文 2 1.2 课题背景 工业革命促进社会生产力发展很大程度上提高劳动效率，是产品质量大幅度提高， 3D 打印对传统制造业产生巨大影响，很大程度上满足制造工艺的复杂性和结构的完整性。目前很多行业应用 3D 打印技术，减少传统制造业所需求的劳动力、设备成本，工人技术，生产车间流程等， 3D 技术在这些领域得到广阔的发展机会。 从市场前景和需求来讲， 3D 打印技术开发潜力很大，但对中国而言不容乐观，虽然国内 3D 打印企业疯狂发展，但是企业收的利润却很少，很多企业没有办法继续经营，何况，与国外发达国家对比，国内 技术还只是在初级阶段
13、，而且有关零件的核心内容基本没有。在制造行业，我国虽不可能是主导者，但是我国自主创新和学习国外经验， 3D 打印问题需要解决。国外针对 3D 打印技术研究比较深入，针对模型进行拓扑优化研究，获取较好打印方式。研发自主的软件系统，配用不同型号的3D 打印机，满足各领域的产品要求。国内对 3D 打印优化模型太少，模型得不到较好优化，模型打印方向则需要的材料和规模化成本增加，那么 3D 打印技术将很难发展下去。 即使 3D 打印技术在飞机零件制造领域已得到应用，该技术同样也有很多优势没有展现出来。虽然很大一部分的研究所针对 3D 打印技术展开研究及得到零件的实用性，但是几乎没有实用的航空零件。根据这
14、些案例总结出如下几点：第一飞机原有的零件模型理论已经是长期研究出来的，突然零件模型运用 3D 打印技术加工没有明显效果而且会出现很多问题；第二目前 3D 打印原材料要求多并且材料价格贵，加工零件的材料种类不多，相较于其他制造的材料还是相差很大，飞机零件对材料性能要求相当苛刻，目前还没找到合适相对应的材料；第三虽然 3D 打印技术逐步进入市场 并且未来发展快，但是存在很多社会悖论，可能初期问题不大往往被忽略了，犹如克隆一样，那么美好的事物也不会被人们认可；第四 3D 打印技术还没有成熟并且相关技术人员比较少，针对 3D 打印技术还有很长的一段研究过程，导致在各行业内应用还是存在一定的危险性。 本
15、课题研究是一种 3D 打印优化设计的飞机零件，来满足飞机零件整体制造。增材制造比传统制造容易加工含有复杂元素的几何零件，符合零件设计要求以确保可制造性。根据确定的增材制造规则的设计，修改理论提出相关的方法完成最佳的拓扑结构，成功实现制造零件模型，来保证制造的可能性且不 需要多余的支撑材料。通过比较计算所设计的飞机零件的可制造方向所花费制造时间、材料质量和制造成本，来确定最佳制造方向。 XXX 大学士学位论文 3 1.3 国内外研究现状 根据国内外对 3D 打印技术的研究来看， 3D 打印技术的研究为制造领域提供一个很大便利。在应用行业内， 3D 打印应用广泛行业有日常工艺品、交通类、医疗、教学
16、仪器、航空航天、建筑业等，国内外 3D 打印技术发展迅速，考虑行业内成本、材料等问题，为了改技术得到更好应用，正在逐步完善。 3D 打印技术为航空工业产品制造提供一个优势，很大程度上可以解决减轻零件重量、减少制造时间、提高材料利用率 、节省成本等。飞机零件的轻质零件、曲线结构复杂零件优化设计为 3D 打印应用层面提供了一个很好的方案。 （ 1） 3D 打印技术国外研究现状 从 20 世纪 90 年代初期，国外发达国家规划了 3D 打印技术发展路径。最初美国针对快速成型制造技术研究，美国著名研究单位针对该技术设计、实验、试用等一系列研究措施，完成工业革命行程。美国 14 所各州知名高校、 40
17、多家企业单位和相关协会携手创办 3D 打印技术研究单位，大力发展增材制造技术。相较于美国，其他一些国外发达国家相继采取措施，德国创办主要研究 3D 打印技术在航空航天行业零件优质化等的实验中心；英国对 3D 打印技术加大研究投资，在各大高校创办实验研究中心，便于新一代的年轻人接触该技术。虽然美国领先掌握 3D 打印技术，但 是欧盟抢先获得政府及各高校研究中心的支持。美国的政府投资远远低于欧盟，如英国的快速成型制造中心、欧盟的航空航天第六框架计划工程，国外自主研发增材制造技术，改变航空领域整体零件难以制造的面貌。 美国为完成钛合金零件生产工程运用激光增材制造技术。相比于传统制造工艺生产利用率提高
18、，如此以来 F-15 喷气式战斗机的钛合金翼肋制造技术采用 3D 打印尤为合适，传统制造的翼肋强度结构不稳定，风险性高，没有办法满足飞机的飞行性能要求。美国对增材制造划分成设计、生产材料、制造工艺、增材制造组和产品价值链，并且制定 2013-2020 年的发展工作流程。 3D 打印将成为美国国防制造零部件的重要技术，从打印的飞机、火箭的零件装配使用后，零件应用效果满足飞机的飞行性能。空客公司的 A350XWB 飞机使用了 1000 多个 3D打印的零件，提高生产效益。罗罗公司顺利试飞了应用增材制造的发动机的飞机（图 1-1），保证交货时间、节省原材料、零件质量等。随着 3D 打印技术应用扩大，
19、三维打印的模型应用在航空航天上，采用不同的建模技术，主要考查零件模型的几何元素、加工精度、性能要求，有关 3D 打印零件优化设计的学术理论不断提出， 3D 打印技术在欧美国家应用前景好。 XXX 大学士学位论文 4 图 1-1 3D 打印发动机零件 （ 2） 3D 打印技术国内研究现状 在我国，由于各种客观因素的存在， 3D 打印技术的研究开发相较于国外发展晚。然而在国家政府大力帮助下，相关研究所和某些高校研究 3D 打印零部件。在 20 世纪末，清华大学开发熔融沉积成型技术，研发新型工艺设备。北京航空航天大学成功开发钛合金的飞机零部件激光熔快速成型制造工艺技术，加工 TC4、 TA15、 T
20、C2等钛合金抗高温、抗疲劳强度等钛合金达到制造要求。 TA15 钛合 金角盒、座舱座椅支撑座等零件采用快速成型加工，顺利应用在各类飞机上。钛合金是飞机上重要的零件材料主要特点是密度小、耐热性高、强度高。采用传统的车铣、铸造等工艺加工该类零件时，加工后残次品居多，浪费毛坯材料多。在制造流程中，大概切削或损坏 90%的钛合金毛坯材料，这样导致制造一架飞机的成本相当高。还有一点尤其注意 3D 打印技术不用专用模具，制造成本降低，制造零件节省人力材料。中国采用3D 打印技术加工飞机起落架、飞机翼梁、机身框架并且装配试用很成功。曾经飞机设计师孙聪描述 J-15 的起落架是由国内 3D 打印制造出来的，
21、轻质材料的应用满足舰载机的飞行性能。西北工业大学成功研发激光立体成型 3D 打印机，可以制造和修复外形大而复杂的飞机零件，特别是第一架国内自主研发生产路线大客机 C919 的超长承载的钛合金翼梁如图 1-2。 图 1-2 C919 客机 （ 3） 3D 打印技术发展趋势 3D 打印技术是在工业革命路上提出来的，改变原来的制造模式实现工业革命的新面貌。 3D 打印完成航空制造中大而复杂构建制造，可以完成整体构建一体化，减少零件数目和装配零件额外 质量，是整体飞机质量减少，装配连接应力集中减少，XXX 大学士学位论文 5 承受载荷强度增加，提高飞机制造经济效益。虽然 3D 打印飞机零件技术应用不多
22、，针对整体复杂制造零件和单件制造较多，但是生产成本低，制造时间短，收益快，达到飞机性能要求快，只要解决零件设计和材料限制等几个主要问题，就会快速发展 3D 打印飞机一体化。 随着技术不断进步，制造零件工艺成功率高。只要 3D 打印解决整体材料、零件模型优化和支撑技术等问题，就可以大面积应用于民机和军机上。空客公司预想运用 3D 打印技术发展民机，构想蜂窝式网格结构制造整体化机体，外框运用其他材料透明填 充，使民机机体从里往外可观看全程面貌。总之解决 3D 打印的支撑结构优化、模型优化等核心技术，应用前景相当可观。 1.4 研究目标和内容 目标：通过实际飞机零件的应用要求，从理论上对飞机零件模型
23、进行设计，并且用飞机零件模型应用切片软件，从理论上分析在对应状态的材料用量、稳定性，随着打印角度变化，成本及时间变化，得出最佳打印方向，然后在该方向下，对飞机零件模型进优化设计，分析优化后模型，最后获得优化后的飞机零件模型。 本文研究的内容围绕一下几个方面展开： （ 1） 收集国内外相关资料，对目前采用 3D 打印技术的飞机零件发展现状 进行整理归纳。 （ 2） 从零件模型出发，模型含有各类元素直线、曲线、角度、缺口等，针对这些元素对零部件进行三维建模。 （ 3） 对已经设计好的模型，利用切片软件进行支撑设计，支撑结构设计随位置变化而变化，模拟制造模型得出材料用量、制造时间和制造成本，进行强度
24、、稳定性分析，通过比较得出最佳支撑方向。 （ 4） 在最佳的支撑方向下，对原有飞机零件模型进行优化设计，比较分析支撑用量和制造时间，得出最优飞机零件模型。 根据 3D 打印飞机零件的要求，设计方案主要解决以下几个问题： （ 1） 零件模型，飞机零件很多，但是大部分包括平面、曲面有无缺口等，所以根 据其特点可以抽象设计三维零件模型。 （ 2） 切片方向， 3D 打印技术里支撑方向不同，支撑材料用料直接影响制造的成本，从不同角度模拟分析设计的零件，得到最佳打印方向。 （ 3） 优化零件模型，利用三维软件对原模型进行角度内部结构变化，采用切片软件模拟优化后的模型，然后对材料质量成本分析比较，获取最佳
25、模型。 XXX 大学士学位论文 6 2.3D打印飞机零件设计方案 2.1 设计任务分析 根据任务书的设计要求及 3D 打印飞机零件设计的相关要求，在整体的设计中，理想化模型的几何结构、特征元素，零件模型从设计二维模型，后经过拉伸、挖空、倒圆等获得三维模型，模型所含特征平面、曲面、柱面等，设计模型保证能反映飞机大部分零件特点。然后对设计模型增材制造，模拟出 3D 打印模型的加工参数结果。通过一系列的角度变化，支撑材料分布不同，比较分析所得结果，创新结构优化设计模型。 由于增材制造的设计包括最小特征尺寸、允许制造的倾斜角度相关要求，通常使用支撑材料来实现倾斜角度，支撑材料填充可扩展几何的包络体，所
26、造成不同 方向上的制造费用和时间不同。本文根据对增材的制造约束条件，从理论上修改设计零件模型，减少支撑材料用量。通过评估分析所新设计模型的相关的制造时间、零件质量和制造费用。 2.2 零件设计 2.2.1 建模工具 本课题设计零件模型的三维图的建立使用 CATIA 进行绘制。 CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application )是法国达索公司出品的一种广泛应用于航空航天、汽车、船舶和其他工业设计、制造和工程分析的一体化软件，是研发新产品的 CAD/CAE/CAM 的系统软件。 由于 CATIA 拥有众多模块和功能，本次建模过程采用的模块主要零件设计模块及工程制图，使用软件的版本号为 CATIA V5 R20。 本课题设计零件模型进行切片支撑的添加，利用一款可以自动或者手动添加支撑，支持多模型打印，预览打印过程，设置各种打印参数的 3D打印软件是 Simplify3D。选择不同打印材料、支撑大小及最大悬空角度，预览模型的支撑结构，本次添加支撑结构，预览打印模型，分析本设计模型的制造参数。切片外部填充模式选择网格模式。如下图 2-1 建模过程。 图 2-1 （ 1）建模 （ 2）切片 （ 3）成型
