逆向技術(shù)與3D打印技術(shù)在飛機(jī)修理中的聯(lián)合應(yīng)用
2019-10-11 來源：- 作者：-
現(xiàn)代飛機(jī)修理模式正朝著高質(zhì)量、低成本、高效率、數(shù)字化方向快速發(fā)展。目前數(shù)字化技術(shù)在航空修理領(lǐng)域應(yīng)用較少，而航空修理又不同于航空制造，航空修理代差明顯，從米格21系列到蘇27系列，很多機(jī)型制造廠早已停產(chǎn)，但飛機(jī)還有1-2個翻修期，面對老舊飛機(jī)的修理周期，大修廠應(yīng)對能力顯得捉襟見肘。本文通過逆向工程技術(shù)與3D打印技術(shù)在航空修理中的聯(lián)合應(yīng)用，驗證不斷引入數(shù)字化技術(shù)在航空修理中的必要性。
逆向技術(shù)是指用一定的測量手段對實物進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物的CAD模型的過程。20世紀(jì)末，各國學(xué)術(shù)界團(tuán)隊大量投入逆向技術(shù)的研究。隨著逆向技術(shù)的不斷發(fā)展，在機(jī)械制造、美工、醫(yī)療、考古、生活服務(wù)等行業(yè)得到越來越深入的應(yīng)用。
3D打印出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代。前期主要用于產(chǎn)品研制階段的“快速原型”和制造階段的“快速成型”。隨著第三次工業(yè)革命的熱潮，3D打印也迎來井噴式的發(fā)展，2016年3月美國洛克希德•馬丁公司率先使用該技術(shù)制造出導(dǎo)彈零件，并成功應(yīng)用于“三叉戟”IID-5彈道導(dǎo)彈。
航修領(lǐng)域為了滿足自身發(fā)展需求，正在快速實現(xiàn)航空修理的數(shù)字化。
1. 逆向工程技術(shù)與3D打印技術(shù)在2代機(jī)修理中應(yīng)用
筆者所在公司二翻飛機(jī)在歸建后，正常訓(xùn)練過程中發(fā)生撞鳥事故，造成飛機(jī)的進(jìn)氣道及周邊結(jié)構(gòu)損傷，大部分結(jié)構(gòu)件需要更換，而該機(jī)是20世紀(jì)末生產(chǎn)的，制造廠多年不再生產(chǎn)該機(jī)型。X-0402-5是受力件，受損嚴(yán)重，修理中需換新，采購部門確定該零件已無采購渠道，只能自制，但圖紙技術(shù)要求規(guī)定按模線樣板制造（見圖1）。模線樣板早已被制造廠銷毀，圖紙尺寸不全，技術(shù)人員決定通過逆向技術(shù)使用CATIA軟件對零件進(jìn)行逆向曲面重建，完成數(shù)模設(shè)計，然后使用3D打印制造出零件，與原零件對比，發(fā)現(xiàn)3D打印制造出零件尺寸完全符合修理要求。
圖1 上唇口梁X-0402-5
通過兩項技術(shù)聯(lián)合使用，設(shè)計人員使用逆向技術(shù)補全零件圖紙缺少尺寸，建立零件數(shù)模，通過3D打印技術(shù)自行生產(chǎn)對比零件，不會打亂正常生產(chǎn)計劃，不影響正常工作流程。同時獨立完成零件生產(chǎn)，不用過多占用生產(chǎn)資源，縮短零件制造周期，節(jié)約修理資源。
該機(jī)在完成修復(fù)后，通電調(diào)試檢查合格，由部隊組織各相關(guān)單位對飛機(jī)修理結(jié)果進(jìn)行驗收評審，評審?fù)ㄟ^后進(jìn)行試飛驗證，完成整機(jī)修復(fù)。公司獲得部隊的肯定，同時通過我公司對兩項技術(shù)的使用驗證，國內(nèi)大部分飛機(jī)修理公司都開始使用這兩項技術(shù)解決修理過程中遇到的無圖件、缺少尺寸零件的制造任務(wù)，航修領(lǐng)域正不斷向數(shù)字化方向發(fā)展。
2.逆向工程技術(shù)與3D打印技術(shù)在3代機(jī)修理中應(yīng)用
在未來航空修理領(lǐng)域，我們主要面對的將是不斷服役的3代戰(zhàn)機(jī)的修理任務(wù)，對于大多數(shù)修理企業(yè)主要面臨的挑戰(zhàn)將集中在修理質(zhì)量與修理周期這兩點上。所以不斷研究新技術(shù)，做好各技術(shù)間的互補工作是未來修理的關(guān)鍵。
（1）逆向工程技術(shù)與3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)修理中的聯(lián)合應(yīng)用
在3代機(jī)修理過程中，公司經(jīng)首架飛機(jī)試修成功后，總結(jié)修理的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)在3代機(jī)修理過程中結(jié)構(gòu)修理的速度決定飛機(jī)的修理周期的長短，其中結(jié)構(gòu)受力大部件修理模式完全不同于傳統(tǒng)2代機(jī)。
在飛機(jī)受力大部件修理過程中，要求特制加強(qiáng)件對裂紋部位進(jìn)行補強(qiáng)，而且要求加強(qiáng)件與被加強(qiáng)部位各壁板之間間隙小于0.1mm，首架機(jī)試修過程中采用逆向技術(shù)掃描需加強(qiáng)部位，反向建模，制造出修理用的加強(qiáng)件，極大地縮短了試修周期。
但在批量修理中為進(jìn)一步縮短修理周期，技術(shù)人員對要修理的結(jié)構(gòu)部位建立數(shù)據(jù)庫，通過對各部位逆向掃描，根據(jù)現(xiàn)有圖紙逆向建立受力大部件的整體數(shù)模，然后根據(jù)探傷結(jié)果確定裂紋部位，直接取數(shù)模相應(yīng)部位建立修理用加強(qiáng)件數(shù)模，然后通過3D打印制造相應(yīng)的加強(qiáng)驗證件（見圖2）。然后在機(jī)上進(jìn)行比對，最終確定修理用的加強(qiáng)件數(shù)模。
圖2 驗證件
這一過程完全封閉在一個車間，由結(jié)構(gòu)修理技術(shù)員獨立完成，不需要像傳統(tǒng)修理模式，修理車間建模后提請生產(chǎn)部報缺件，生產(chǎn)部下任務(wù)給零件制造車間，制造車間按修理車間數(shù)模制造零件，再進(jìn)行修復(fù)。現(xiàn)在結(jié)構(gòu)修理人員直接使用3D打印制造零件，簡化流程，節(jié)約生產(chǎn)資源，同時3D打印機(jī)24小時工作，提高零件制造效率，大大提升了結(jié)構(gòu)修理效率。每架機(jī)比原有修理方式減少了一周的修理時間。同時，兩項技術(shù)的聯(lián)合使用方式已被部隊采納，空海軍對這種修理方法都在做進(jìn)一步延伸，相信不久后會取得令人滿意的成績。
（2）逆向工程技術(shù)與3D打印技術(shù)在導(dǎo)管修理中的聯(lián)合應(yīng)用
在3代機(jī)修理過程中，很多液壓導(dǎo)管壓力高達(dá)28MPa，液壓管路的修復(fù)后的可靠性直接影響到整個飛機(jī)的安全，所以3代機(jī)修理比2代機(jī)修理增加了導(dǎo)管應(yīng)力測試的試驗項目，在應(yīng)力測試過程中發(fā)現(xiàn)更換后的導(dǎo)管容易出現(xiàn)應(yīng)力不合格的情況，經(jīng)過與設(shè)計所、主機(jī)廠溝通發(fā)現(xiàn)主要原因是因為新制導(dǎo)管與原機(jī)導(dǎo)管彎曲形狀發(fā)生了變化。
根據(jù)這一情況對飛機(jī)拆卸需要更換的導(dǎo)管使用三維掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，使用CATIA軟件進(jìn)行逆向建模，并在數(shù)模上截取重要彎曲部位，然后使用3D打印機(jī)，打印出導(dǎo)管彎曲部位，再與原機(jī)導(dǎo)管對比，通過這種方法確定每個重要部位尺寸，最終確定完整數(shù)模尺寸并數(shù)控彎曲導(dǎo)管。經(jīng)試驗驗證該方法降低了因應(yīng)力測試不合格造成的導(dǎo)管更換率，提高了產(chǎn)品修復(fù)率，縮短飛機(jī)修理周期，而且一些兄弟單位已經(jīng)通過該方法建立了自己的導(dǎo)管數(shù)據(jù)庫，可更加快速建立數(shù)字化修理模式。
3.結(jié)束語
通過近3年在航空修理中的聯(lián)合應(yīng)用，經(jīng)過多個故障的考驗，確定聯(lián)合逆向技術(shù)與3D打印技術(shù)能夠很好地解決飛機(jī)修理難題，并在飛機(jī)修理領(lǐng)域得到推廣，有助于加快航修領(lǐng)域數(shù)字化建設(shè)。
（曹宏翼 朱玉波 梁彪 張成麗 吉林航空維修有限責(zé)任公司）
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