2013年，中航工業(yè)副總工程師、殲-15總設(shè)計師孫聰在接受新華社專訪時透露，國內(nèi)鈦合金和M100鋼的3D打印技術(shù)已廣泛用于新機的設(shè)計試制過程。殲-15的主承力部分，包括整個前起落架，即是采用國產(chǎn)3D打印機和高強度鈦合金粉末制造而成。

殲-15艦載機

實際上，采用3D打印制造飛機起落架，并不是一項簡單的事情，尤其是對于大型民機來說，這與起落架的功能和性能要求密切相關(guān)。本期我們就來聊一下飛機起落架的材料構(gòu)成和3D打印制造技術(shù)。

▌飛機起落架的制造材料和傳統(tǒng)制造特點

無論起飛還是降落，起落架都是支撐飛機的唯一部件，尤其是在飛機降落階段，其承載的載荷不僅來自機身重量，還有飛機垂直方向的巨大沖力。因此，起落架的材料強度必須十分優(yōu)異。此外，由于復(fù)雜的受力情況，起落架材料還必須具有超韌性、抗疲勞和和耐腐蝕的性能。

現(xiàn)代大型客機多采用支柱套筒式起落架，由外筒和活塞桿套接起來的緩沖支柱組成，機輪直接連接在支柱下端，支柱上端固定在飛機機體骨架上

傳統(tǒng)上，起落架的主要承力構(gòu)件均采用大型整體鍛件進行制造。材料多選用低合金鋼、鈦或鋁的合金，如波音787起落架主支柱外筒采用300M鋼鍛件，緩沖支柱活塞桿是鈦合金整體鍛件，這種整體的結(jié)構(gòu)取代拼焊結(jié)構(gòu)，能夠有效提高壽命。在材料性能方面，300M鋼的抗拉強度很高，達到1860Mpa，其橫向塑性、斷裂韌性和抗疲勞性也都很高，是大型飛機起落架的主導(dǎo)應(yīng)用材料。鈦合金因重量輕、強度高也被廣泛用于起落架主承力構(gòu)件上。

起落架鋼材料多采用真空感應(yīng)加真空自耗重熔，材料冶煉成本高，因此材料價格較高。而起落架外筒及活塞桿為筒狀構(gòu)件，采用傳統(tǒng)鍛造+機加的制造方法，筒內(nèi)實心部分需要采用深鏜切削加工去除，易造成材料浪費，且加工難度大，制造周期長；特別是面對當前飛機型號的快速試制時，采用鍛造工藝制造起落架將面臨原材料尺寸規(guī)格限制、不利于快速響應(yīng)等諸多技術(shù)問題。另外，當前的加工方法也限制了部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而使強度重量比無法得到有效改善。因此在滿足材料性能的前提下，如何節(jié)約成本和簡化工藝成了一個亟需解決的問題。

▌國內(nèi)外飛機起落架3D打印制造技術(shù)

國內(nèi)外采用激光直接沉積進行飛機起落架的制造研究自多年前已經(jīng)開始，現(xiàn)在看來這種技術(shù)是可行的。航空工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所高級工程師崔燦指出，激光直接沉積成形對于飛機起落架制造具有‘變革性’意義，它能突破規(guī)格限制、減少原材料浪費、縮短加工制造周期，在未來飛機起落架快速試制方面具有較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用前景。

激光熔化沉積過程

采用金屬3D打印制造飛機起落架最大的質(zhì)疑在于能否達到傳統(tǒng)鍛件的性能。該研究所目前已突破 A-100 鋼激光直接沉積增材制造成形工藝、性能質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)，已有效解決飛機型號研制中存在的復(fù)雜構(gòu)型超規(guī)格結(jié)構(gòu)試制技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)起落架外筒及活塞桿等大型關(guān)鍵承力構(gòu)件的無模敏捷快速試制。目前由該單位試制的起落架零件已在飛機上實現(xiàn)領(lǐng)先試用，力學性能基本達到材料鍛件水平。

A-100鋼激光直接沉積成形飛機起落架

國內(nèi)北京航空航天大學擁有目前國內(nèi)最大的金屬3D打印機，其外部尺寸達12米長，可為中國商用飛機、軍機項目制造大型復(fù)雜部件，包括鈦機身骨架及高強鋼起落架。2006年，北航已采用激光能量沉積技術(shù)為某型號飛機起落架生產(chǎn)關(guān)鍵零部件，至2014年已經(jīng)受2000多個起落的實際飛行。如果沒有該技術(shù)，此型號飛機的驗證可能要推遲兩年。2008年，北航獲得300M鋼的激光成形技術(shù)專利。實際上沈陽飛機設(shè)計研究所制造的飛機起落架也有北航的身影，其采用激光直接沉積的飛機起落架A-100鋼，抗疲勞強度比鍛件高20%。

激光直接沉積A-100鋼最終熱處理后的主要技術(shù)指標

國外方面，今年6月加拿大金屬3D打印研究機構(gòu) Burloak Technologies與法國賽峰集團簽署了備忘錄，兩家公司計劃采用DED技術(shù)制造飛機起落架系統(tǒng)部件。9月12日，賽峰集團與Norsk Titanium也簽訂了采用快速等離子沉積技術(shù)制造飛機起落架的諒解備忘錄。從這樣密集的行動看來，賽峰決心將3D打印技術(shù)應(yīng)用于起落架的制造進程中。而無論所謂的DED、快速等離子沉積還是激光直接沉積，實則都是金屬3D打印基于噴粉或送絲的重要形式，也表現(xiàn)出此類工藝在大型金屬部件直接制造方面的優(yōu)勢。

Norsk等離子體沉積過程

Norsk Titanium是一家專注于鈦合金快速等離子沉積技術(shù)的挪威公司，它獲得的歐洲8級安全認證預(yù)示著其產(chǎn)品不存在問題，可以投入驗證，從而得到了美國國防部、美國宇航局、歐洲宇航局和許多其他航天機構(gòu)的承認。目前它為波音787設(shè)計和制造的4個零部件均已獲得航空認證。賽峰集團增材制造總工程師介紹，兩家公司的合作已經(jīng)取得了重要的里程碑。

Norsk生產(chǎn)世界第一個FAA認證的3D打印結(jié)構(gòu)鈦組件

除此之外，采用SLM技術(shù)也可為起落架制造零件。近日，利勃海爾航空航天公司宣布已開始為空客3D打印用于批量生產(chǎn)A350 XWB的前起落架支架。

利勃海爾開發(fā)的前起落架傳感器支架

通常為了保證飛行安全，即使是由傳統(tǒng)制造方式制造的起落架液壓零部件也需要經(jīng)過1200萬個測試周期，3D打印的起落架零件也同樣需要經(jīng)歷這樣一段測試周期之后，才能夠進行飛行測試。

相對于傳統(tǒng)的鍛造+機加的制造技術(shù)，3D打印無疑帶來了“變革性”的變化。即便圍繞著它有一些與鍛件相比性能差異的疑慮，但數(shù)據(jù)正在說明一切。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善，該技術(shù)必將越來越多地應(yīng)用于飛機起落架等重要承力結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)和試制。

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