飛機艙門(mén)結構設計復雜，連桿、鉸鏈數(shù)量眾多，機構運動(dòng)過(guò)程多階段，運動(dòng)關(guān)系復雜多變。這些都給艙門(mén)的設計、加工帶來(lái)了挑戰(zhàn)，如何在滿(mǎn)足力學(xué)性能要求的同時(shí)，又滿(mǎn)足加工的可操作性，盡可能少的浪費材料，并有效的實(shí)現(xiàn)輕量化，這是飛機艙門(mén)制造中所遇到的挑戰(zhàn)。德國voxeljet-維捷與法國Sogeclair合作通過(guò)Binder Jetting粘結劑噴射3D打印技術(shù)成功制造了鋁制的仿生學(xué)結構艙門(mén)。

艙門(mén)是飛機上的運動(dòng)功能部件，它的功能、使用壽命、安全性、維修性和可靠性，直接關(guān)系到飛機的出勤率。若艙門(mén)設計不當，飛機在高空中飛行的時(shí)候，可能發(fā)(fā)生艙門(mén)的意外打開(kāi)，會(huì )造成壓力艙泄壓，并嚴重影響飛機飛行姿態(tài)(tài)。

為了達到高度的可靠性，艙門(mén)的設計上需要防止飛行中因機構損壞或任何單個(gè)結構元件損壞而打開(kāi)的可能性，這就為艙門(mén)的設計帶來(lái)了高度的復雜性。而為了滿(mǎn)足這一復雜性的設計，也給加工帶來(lái)了相當?shù)奶魬?zhàn)。不僅僅數(shù)量眾多的連桿、鉸鏈結構帶來(lái)了加工的難度，還需要滿(mǎn)足各種力學(xué)性能的要求，包括門(mén)框部位的抗拉和抗彎性能，抗剪切和抗壓縮的構件，都需要滿(mǎn)足嚴苛的力學(xué)要求。

鋁制艙門(mén)的設計效果圖

法國航空供應商Sogeclair希望通過(guò)3D打印技術(shù)為飛機生產(chǎn)(chǎn)艙門(mén)，從而解決傳統(tǒng)加工方式所面臨的加工復雜性的挑戰(zhàn)。此外，Sogeclair希望通過(guò)3D打印技術(shù)節(jié)省材料，降低制造成本，并且大幅減輕艙門(mén)重量。

Sogeclair的這一需求可以說(shuō)是順應了航空航天領(lǐng)域的發(fā)(fā)展需求，能源的緊張使得飛機需要不斷提高燃料效率和經(jīng)(jīng)濟性，以降低其對環(huán)(huán)境的影響。而飛機的輕量化是實(shí)現(xiàn)降低燃料消耗的關(guān)鍵方式之一，減重帶來(lái)明顯的經(jīng)(jīng)濟性成為航空供應商的一致追求。

不過(guò)，對于3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，加工飛機的艙門(mén)同樣面臨著(zhù)挑戰(zhàn)，一是艙門(mén)結構的復雜性，如何避免使用支撐材料從而實(shí)現(xiàn)近凈形的加工結果；二是艙門(mén)結構尺寸大，如何能夠滿(mǎn)足大尺寸的加工而不需要二次拼接或者焊接。這都為Sogeclair向工業(yè)(yè)級3D打印設備及服務(wù)商voxeljet-維捷尋求合作提供了必然性。

voxeljet-維捷的Binder Jetting粘結劑噴射3D打印技術(shù)工作原理是，先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘結劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過(guò)程，層層疊加，獲得最終打印出來(lái)的零件。Binder Jetting的技術(shù)優(yōu)(yōu)勢在于成型速度快、無(wú)需支撐結構，而且對于voxeljet-維捷來(lái)說(shuō)，大尺寸正是他們所擅長(cháng)的。

在對飛機艙門(mén)所要達到的機械性能進(jìn)行深入的研究之后，項目團隊決定摒棄傳統(tǒng)的艙門(mén)設計，而是采用了仿生學(xué)結構設計理念。通過(guò)仿生力學(xué)結構來(lái)減少材料使用，從而將重量減輕30％，并且不犧牲艙門(mén)所需要達到的力學(xué)強度。

3D打印的PMMA材質(zhì)(zhì)精密鑄造模具，來(lái)源voxeljet-維捷

設計完成后的挑戰(zhàn)是使這種三維設計成為現(xiàn)實(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，項目團隊采用了voxeljet-維捷的3D打印系統(tǒng)來(lái)制造大型精密模具。VX1000 3D打印機具有1,000 x 600 x 500 mm的構建體積，成為該項目的合適選擇。通過(guò)層層打印PMMA粉末顆粒，并使用粘結劑噴射法將粉末顆粒相互粘結在一起，飛機艙門(mén)的精密鑄造模具就制造出來(lái)了。

PMMA的材料特性幫助Sogeclair了獲得關(guān)鍵的加工結果，與其他3D打印塑料材料相比，PMMA非常適合用于鑄造。其主要原因是粉末材料的負膨脹系數(shù)，在燒毀薄壁模型的過(guò)程中不會(huì )導致漲殼，從而不會(huì )導致鑄造模具的破損，不僅降低了制造中的風(fēng)險，還滿(mǎn)足了近凈形的要求。

最終3D打印的PMMA材質(zhì)(zhì)的精密鑄造模具被送到鑄造廠(chǎng)，最后完成了鋁質(zhì)(zhì)材料的艙門(mén)鑄造。

相關(guān)文章：美新型3D打印組裝式無(wú)人機：成本猛降200倍！