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Stratasys助力首架3D打印噴氣式無人飛機翱翔藍天

2022-09-01

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

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“這個項目的目標是向航空航天業展示從設計、制造到駕駛一架3D打印的噴氣式飛機的驚人速度。”

——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) 噴氣發動機和推力矢量裝置，飛機可實現高速飛行和內在機動性，增材制造技術的應用有了新的突破

“現如今仍存在一些錯誤的觀念，認為3D打印只是一種原型制作技術，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150英里/小時的噴氣式飛機。”

——James Berlin

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Stratasys增材制造研究工程師

賦予飛機創新設計自由度

Stratasys 3D打印的一大優勢是可讓設計突破表面幾何結構的限制。

雖然現在對內部結構的設計具有更高的設計自由度，對于航空航天的啟動工程結構，可以設計得更加復雜。與Stratasys在設計方面的合作使Aurora得以利用拓撲優化（一種可復制自然界中復雜結構的基于物理的方法），顯示內部材料可優化的位置，并針對給特定應用進行結構優化。

對于Aurora而言，Stratasys的增材制造技術為其團隊實現了設計優化，使其能生產出堅硬的輕質結構，同時還能以具有成本效益的方式針對任務定制飛機。

此外，該技術還可將裝配件整合為單個組件，讓復雜的設計搖身一變成為優雅而簡單的解決方案。示例之一是該飛機的燃油箱。燃油箱通過內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。由此帶來的設計自由度使工程師能夠精準定位重心——翼身融合體飛機的一項關鍵參數。

“任何設計變更都會導致重心問題。但增材工藝可以輕松控制放置材料的位置，從而將迭代設計對飛機其他方面產生的影響降至最小。”

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——Dan Campbell

Aurora Flight Sciences研究工程師

采用增材制造技術后，這架飛機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隊使用GrabCAD（一種Stratasys協作解決方案）管理、查看和共享CAD文件，從而協調項目。這幫助兩家位于不同地點的公司在短時間內成功完成了飛機的設計和生產工作。該軟件幾乎如同社交媒體網站，可跟蹤修訂、傳遞消息，還可充當工作工程文檔（如物料清單）的存儲庫。

在設計復雜的高功能性組件時，GrabCAD為協作和快速迭代創造了條件。

3D打印可供飛行使用的零件

推力矢量裝置

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

內部機翼設計，優化復雜的內部結構，實現飛機輕量化。

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該團隊還利用了Stratasys Direct Manufacturing，這是一個提供全方位服務的定制制造中心，可提供多種增材制造技術和目前可用的幾乎所有材料。燃油箱使用尼龍激光燒結(LS)技術生產，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700°C，所以使用INCONEL? 718直接金屬激光燒結(DMLS)技術生產。賦予飛機創新設計自由度。

最終的3D打印噴氣式飛機。

準備好起飛

當團隊驅車前往鹽灘以測試飛機時，他們信心滿滿，卻沒有預料到前方等待著他們的情緒波動。當他們開始在現場完成組件的最終裝配時，所有人的神經都變得緊繃起來。但在這架3D打印的噴氣式飛機成功起飛后，一種全新的感覺隨之而來。

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