Stratasys助力首架3D打印喷气式无人飞机翱翔蓝天

Aurora Flight Sciences位于弗吉尼亚州马纳萨斯,近30年来一直致力于开发民用无人机(UAV)。面对不断变化的客户需求和要求,Aurora研发中心开始更加频繁地使用Stratasys® 3D打印技术生产零件和模具,为无人驾驶飞行带来更多创新。

最近,Aurora和Stratasys的工程师携手开启了一个极具挑战的项目:制造一架喷气动力、推力矢量、混合翼体的遥控驾驶飞机。

“这个项目的目标是向航空航天业展示从设计、制造到驾驶一架3D打印的喷气式飞机的惊人速度。”

  ——Dan Campbell

  Aurora Flight Sciences研究工程师

3D打印

“这是一次前所未有的尝试,对我们来说,这是一次对未知领域的探索。我们希望深挖这些材料和增材工艺的潜力,不断突破极限。”

  ——James Berlin

  Stratasys增材制造研究工程师

正是使用了22lbf (98N) 喷气发动机和推力矢量装置,飞机可实现高速飞行和内在机动性,增材制造技术的应用有了新的突破。

“现如今仍存在一些错误的观念,认为3D打印只是一种原型制作技术,但这不并是一架触碰就可能损坏的桌面模型,而是一架时速可达150英里/小时的喷气式飞机。”

  ——James Berlin

  Stratasys增材制造研究工程师

赋予飞机创新设计自由度

Stratasys 3D打印的一大优势是可让设计突破表面几何结构的限制。

虽然现在对内部结构的设计具有更高的设计自由度,对于航空航天的启动工程结构,可以设计得更加复杂。与Stratasys在设计方面的合作使Aurora得以利用拓扑优化(一种可复制自然界中复杂结构的基于物理的方法),显示内部材料可优化的位置,并针对给特定应用进行结构优化。

对于Aurora而言,Stratasys的增材制造技术为其团队实现了设计优化,使其能生产出坚硬的轻质结构,同时还能以具有成本效益的方式针对任务定制飞机。

此外,该技术还可将装配件整合为单个组件,让复杂的设计摇身一变成为优雅而简单的解决方案。示例之一是该飞机的燃油箱。燃油箱通过内部和外部的打印管道、连接燃油过滤器和燃油泵的支架以及连接燃油管路的小夹子来组合多个组件。由此带来的设计自由度使工程师能够精准定位重心——翼身融合体飞机的一项关键参数。

“任何设计变更都会导致重心问题。但增材工艺可以轻松控制放置材料的位置,从而将迭代设计对飞机其他方面产生的影响降至最小。”

  ——Dan Campbell

  Aurora Flight Sciences研究工程师

采用增材制造技术后,这架飞机的建造时间缩短了一半。由于无需模具,交付周期显著缩短。由6名工程师组成的核心团队使用GrabCAD(一种Stratasys协作解决方案)管理、查看和共享CAD文件,从而协调项目。这帮助两家位于不同地点的公司在短时间内成功完成了飞机的设计和生产工作。该软件几乎如同社交媒体网站,可跟踪修订、传递消息,还可充当工作工程文档(如物料清单)的存储库。

3D打印制造

在设计复杂的高功能性组件时,GrabCAD为协作和快速迭代创造了条件。

3D打印可供飞行使用的零件

飞机的主要零件包括:

  •  两个翼梢小翼
  •  机身
  •  有效载荷舱
  •   燃油箱
  •  推力矢量装置

该飞机翼展为2.9米,机身重量仅为6.4千克。共有34个组件,其中26个组件通过3D打印制造,占飞机机身重量的80%。工程师使用Stratasys Fortus® 3D打印机和ASA热塑材料生产机翼和机身,以在保持低密度的情况下提供必要的强度和硬度。

Stratasys Fortus® 3D打印机

内部机翼设计,优化复杂的内部结构,实现飞机轻量化。

该团队还利用了Stratasys Direct Manufacturing,这是一个提供全方位服务的定制制造中心,可提供多种增材制造技术和目前可用的几乎所有材料。燃油箱使用尼龙激光烧结(LS)技术生产,排气管盖使用ULTEM™ 1010树脂打印材料3D打印而成,因推力矢量管道因排气温度高达700°C,所以使用INCONEL® 718直接金属激光烧结(DMLS)技术生产。赋予飞机创新设计自由度。

3D打印喷气式飞机

最终的3D打印喷气式飞机。

准备好起飞

当团队驱车前往盐滩以测试飞机时,他们信心满满,却没有预料到前方等待着他们的情绪波动。当他们开始在现场完成组件的最终装配时,所有人的神经都变得紧绷起来。但在这架3D打印的喷气式飞机成功起飞后,一种全新的感觉随之而来。

3D打印喷气式飞机

  3D打印喷气式飞机首飞。

  “飞行这件事对我们而言始终充满魅力,因为每当一架飞机第一次起飞时,都会有人表示不敢相信它能成功起飞,成功起飞是一个神奇的时刻。我是个喷气发动机迷,看到3D打印的喷气式飞机翱翔蓝天真是太棒了。”

  ——Dan Campbell

  Aurora Flight Sciences研究工程师

Stratasys 3D打印解决方案

随着越来越多的航空航天公司采用3D技术制造生产零件和模具,Stratasys 3D打印解决方案将进一步帮助客户塑造有人驾驶和无人驾驶飞机,从三级结构到二级结构,最终甚至是一级结构。

“我们想通过这个项目向航空航天业展示,从设计、制造到驾驶一架3D打印的喷气式飞机的惊人速度,看到这架飞机成功飞行,我的内心充满成就感。”

  ——Dan Campbell

  Aurora Flight Sciences研究工程师

下载白皮书《航空航天业增材制造趋势》