仿生飞机——通过在飞机生命周期的各个阶段施用增材制造技术和仿生设计来提高航空的资源效率

Program

项目名称

仿生飞机——通过在飞机生命周期的各个阶段施用增材制造技术和仿生设计来提高航空的资源效率（Bionic Aircraft：Increasing resource efficiency of aviation through implementation of ALM technology and bionic design in all stages of an aircraft life cycle）

项目来源：欧盟H2020计划

项目周期：2016年9月1日至2019年8月31日

项目团队：德国弗劳恩霍夫应用研究促进会（牵头），德国森尼特股份有限公司，德国空客运营公司，德国汉堡工业大学，德国Laser Zentrum Nord 研究所，法国TEKNA研究所，西班牙技术研究与创新基金会，西班牙标准化协会，瑞士海克斯康技术中心有限公司，英国恩利特有限公司

项目经费：总投资797万欧元、

欧盟投资644万欧元

项目背景和主要内容

增材制造（ALM：Additive Layer Manufacturing）是轻质结构的新设计制造方法，可实现高度复杂和小批量零件的灵活高效生产，涵盖创新且资源高效的供应链以及制造、维修、备件生产和回收处置过程。此外，ALM技术可以极大地减轻结构部件的重量，并显著减少生产过程中的材料浪费。

项目团队进行了如下开发：自动化ALM设计流程；采用创新的光束整形器件，降低制造成本；选用新型高强度的ALM铝材料；搭建复杂ALM零件的完整性检查系统，避免出现缺陷零件；针对高度复杂的ALM零件采用创新型的NDT无损检测和修复方法，延长使用寿命；ALM零件的回收方法；基于ALM的创新售后供应链，减少备件生产和物流的排放。通过以上方法，该项目运用ALM技术和仿生设计方法的潜力，减少产品全生命周期对环境的影响。

项目确定了轻质仿生结构的自动化和简化设计过程，开发了适用于3D-CAD软件的工具集，可实现从零件设计到ALM预处理和后处理步骤的无缝工作衔接流程。可以基于参数化结构目录进行自动仿生特征识别。

项目采用气雾法成功制备Al-Si-Sc和Al-Li粉末，建立物料表。可将ALM工艺的粉末比例从63%增加到74%，废料颗粒尺寸减少10%。

项目开发ALM测试装置并用于优化激光束轮廓，以提高工艺稳定性和生产率。总体而言，使用新型光束整形光学器件，使新型高强度AL-Si-Sc材料的生产率提高了35%。选择AconityLAB作为实验台的基础，集成光学系统（3D扫描仪），1千瓦激光器，检查和验证激光和光学系统（光束焦散，光束轮廓，激光功率），实现光束整形元件。

项目开发了在线完整性系统，用于在制造后直接验证复杂ALM零件的质量，可以检测表面以下的缺陷并同时测量工件的外部几何形状。采用先进的超声波测试和漫射顶灯检查。

本项目通过集成ALM技术和仿生设计创建了轻质结构。与传统制造相比，这些新技术的实施可以减轻30%的重量。开发的ICP粉末制造工艺使制造成本节省15%，光束整形光学器件减少AL-Si-Sc合金制造过程中的飞溅，能源效率提高35%。仿生演示飞机实现27.5%的减重，如果ALM在航空航天结构部件中广泛应用，每架飞机总体减重潜力可达625千克，相当于每架飞机每年二氧化碳排放量减少88.6万吨。

中国航空工业发展研究中心 钟怡菲