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Stratasys助力首架3D打印噴氣式無人飛機(jī)翱翔藍(lán)天

2022-09-01

最近，Aurora和Stratasys的工程師攜手開啟了一個極具挑戰(zhàn)的項(xiàng)目：制造一架噴氣動力、推力矢量、混合翼體的遙控駕駛飛機(jī)。

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“這個項(xiàng)目的目標(biāo)是向航空航天業(yè)展示從設(shè)計(jì)、制造到駕駛一架3D打印的噴氣式飛機(jī)的驚人速度。”

——Dan Campbell

Aurora Flight Sciences研究工程師

“這是一次前所未有的嘗試，對我們來說，這是一次對未知領(lǐng)域的探索。我們希望深挖這些材料和增材工藝的潛力，不斷突破極限。”

——James Berlin

Stratasys增材制造研究工程師

正是使用了22lbf (98N) 噴氣發(fā)動機(jī)和推力矢量裝置，飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速飛行和內(nèi)在機(jī)動性，增材制造技術(shù)的應(yīng)用有了新的突破

“現(xiàn)如今仍存在一些錯誤的觀念，認(rèn)為3D打印只是一種原型制作技術(shù)，但這不并是一架觸碰就可能損壞的桌面模型，而是一架時速可達(dá)150英里/小時的噴氣式飛機(jī)。”

——James Berlin

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Stratasys增材制造研究工程師

賦予飛機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)自由度

Stratasys 3D打印的一大優(yōu)勢是可讓設(shè)計(jì)突破表面幾何結(jié)構(gòu)的限制。

雖然現(xiàn)在對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有更高的設(shè)計(jì)自由度，對于航空航天的啟動工程結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)得更加復(fù)雜。與Stratasys在設(shè)計(jì)方面的合作使Aurora得以利用拓?fù)鋬?yōu)化（一種可復(fù)制自然界中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基于物理的方法），顯示內(nèi)部材料可優(yōu)化的位置，并針對給特定應(yīng)用進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

對于Aurora而言，Stratasys的增材制造技術(shù)為其團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其能生產(chǎn)出堅(jiān)硬的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時還能以具有成本效益的方式針對任務(wù)定制飛機(jī)。

此外，該技術(shù)還可將裝配件整合為單個組件，讓復(fù)雜的設(shè)計(jì)搖身一變成為優(yōu)雅而簡單的解決方案。示例之一是該飛機(jī)的燃油箱。燃油箱通過內(nèi)部和外部的打印管道、連接燃油過濾器和燃油泵的支架以及連接燃油管路的小夾子來組合多個組件。由此帶來的設(shè)計(jì)自由度使工程師能夠精準(zhǔn)定位重心——翼身融合體飛機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。

“任何設(shè)計(jì)變更都會導(dǎo)致重心問題。但增材工藝可以輕松控制放置材料的位置，從而將迭代設(shè)計(jì)對飛機(jī)其他方面產(chǎn)生的影響降至最小。”

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——Dan Campbell

Aurora Flight Sciences研究工程師

采用增材制造技術(shù)后，這架飛機(jī)的建造時間縮短了一半。由于無需模具，交付周期顯著縮短。由6名工程師組成的核心團(tuán)隊(duì)使用GrabCAD（一種Stratasys協(xié)作解決方案）管理、查看和共享CAD文件，從而協(xié)調(diào)項(xiàng)目。這幫助兩家位于不同地點(diǎn)的公司在短時間內(nèi)成功完成了飛機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作。該軟件幾乎如同社交媒體網(wǎng)站，可跟蹤修訂、傳遞消息，還可充當(dāng)工作工程文檔（如物料清單）的存儲庫。

在設(shè)計(jì)復(fù)雜的高功能性組件時，GrabCAD為協(xié)作和快速迭代創(chuàng)造了條件。

3D打印可供飛行使用的零件

推力矢量裝置

該飛機(jī)翼展為2.9米，機(jī)身重量僅為6.4千克。共有34個組件，其中26個組件通過3D打印制造，占飛機(jī)機(jī)身重量的80%。工程師使用Stratasys Fortus? 3D打印機(jī)和ASA熱塑材料生產(chǎn)機(jī)翼和機(jī)身，以在保持低密度的情況下提供必要的強(qiáng)度和硬度。

內(nèi)部機(jī)翼設(shè)計(jì)，優(yōu)化復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)輕量化。

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該團(tuán)隊(duì)還利用了Stratasys Direct Manufacturing，這是一個提供全方位服務(wù)的定制制造中心，可提供多種增材制造技術(shù)和目前可用的幾乎所有材料。燃油箱使用尼龍激光燒結(jié)(LS)技術(shù)生產(chǎn)，排氣管蓋使用ULTEM? 1010樹脂打印材料3D打印而成，因推力矢量管道因排氣溫度高達(dá)700°C，所以使用INCONEL? 718直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)技術(shù)生產(chǎn)。賦予飛機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)自由度。

最終的3D打印噴氣式飛機(jī)。

準(zhǔn)備好起飛

當(dāng)團(tuán)隊(duì)驅(qū)車前往鹽灘以測試飛機(jī)時，他們信心滿滿，卻沒有預(yù)料到前方等待著他們的情緒波動。當(dāng)他們開始在現(xiàn)場完成組件的最終裝配時，所有人的神經(jīng)都變得緊繃起來。但在這架3D打印的噴氣式飛機(jī)成功起飛后，一種全新的感覺隨之而來。

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