3D打印技术对民用飞机内饰设计的影响探讨

薛　飞，陈　凡

（上海飞机设计研究院，上海201210）

3D打印技术对民用飞机内饰设计的影响探讨

薛飞，陈凡

（上海飞机设计研究院，上海201210）

介绍了3D打印技术的工作原理、发展趋势及应用情况，深入研究了3D打印技术对民用飞机内饰设计的影响。以某型号飞机驾驶舱空调格栅作为案例，探索3D打印技术在民用飞机内饰设计的应用及发展方向。

3D打印；民用飞机；内饰设计

2012年，英国《经济学人》杂志刊登文章，将3D打印技术视为“第三次工业革命”的重大标志之一，3D打印引起了全球的广泛关注［1］。

3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成复杂形状的实体，从而极大地缩短了产品的研制周期，提高了生产率和降低了生产成本。3D打印技术在航空航天、汽车、生物医学等其他领域都有所应用，对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用。

波音、空客、美国宇航局以及一些大学研究机构，都已经对3D打印技术在航空领域的应用做了很多整体性的研究。3D打印使用的材料有很多种已经通过FAA、欧洲航空航天局等权威机构组织的适航认证许可，并早已在波音、空客等航空企业广泛应用。一些国外公务机改装企业已经将3D打印的产品应用在飞机内饰中。本文以某型号飞机驾驶舱空调格栅作为案例，对3D打印技术在民用飞机内饰设计中的应用和发展趋势进行了探讨。

1　3D打印技术的现状

3D打印技术（3D Printing）是快速成形技术（Rapid Prototyping，RP）的一种，也叫做增材制造（Additive Manufacturing，AM）。

3D打印采用分层加工、叠加成型，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术（如用机床切削）完全不同［2］。简单来说，3D打印是将3D数字化模型按照某一坐标轴切成无数个剖面，然后一层一层地打印出来，叠加到一起，形成一个实体的立体模型。

3D打印的主流技术包括光固化立体成型（Stereo Lithography Appearance，SLA）、熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）等，国际领先的品牌主要包括：3D system、Stratasys、ExOne、Voveljet、EOS、Ultimaker等。3D打印机通常的划分是工业级和桌面级。其中，桌面级设备加工产品尺寸一般较小，目前大部分使用的是FDM技术［3］。工业级设备，如Objet 1000，能打印100 cm×80 cm×50 cm尺寸的成型产品，而桌面级设备的加工尺寸一般般都在20 cm×20 cm×20 cm左右。图1所示。

图1　FDM工作原理

2　在民用飞机内饰设计中的优势

在民用飞机研发阶段，3D打印技术在内饰设计中的优势主要有以下几点：（1）缩短产品的研制周期；（2）降低产品的研制成本；（3）提高产品设计的灵活性。

在民用飞机研发设计阶段引入3D打印技术之后，设计人员可以通过CATIA软件对产品给出多种造型方案，再通过3D打印技术建出实物模型。通过实物模型，设计人员可以更为直观的对设计合理性进行验证，也可以在机上安装试验件，进行试验评估，避免设计缺陷。在传统的设计流程中，原型试验件需要开模制造，制造周期长，生产成本高。民用飞机的内饰设计错综复杂，有些不合理的设计如果不在研发阶段及时发现，等到零件生产或机上安装阶段再发现，将会造成更严重的损失。

此外，由于3D打印的逐层加工、积累成型的特点，制造几乎不受结构复杂度的限制，设计人员也不需要掌握各种复杂的制造工艺和加工技能，这大大提高了产品设计的灵活性。

3　在民用飞机内饰设计中的局限性

3D打印技术在民用飞机内饰设计中还面临以下几个问题。

（1）与传统工艺相比，3D打印技术受产品尺寸和材料范围限制，打印出来的产品尺寸精度和表面质量相差也较大；

（2）如果产品尺寸大且形状简单，使用3D打印技术进行生产制造在加工速度上并没有优势；

（3）从现阶段3D打印制造的成本构成来看，设备和材料占主体部分，但工业级设备和材料价格昂贵，如基于金属粉末的打印成本远高于传统工艺制造［2］。

4　对民用飞机内饰设计流程的影响

某型号飞机驾驶舱空调风影响机组人员舒适性，需优化空调格栅结构外形，调整空调风风向，提高机组舒适性。

4.1传统设计流程

在引入3D打印技术之前，考虑到原型试验件制造成本高和周期长，会对空调格栅的功能进行仿真分析之后才确认是否进行制造生产，最后还需对生产的试验件进行试验评估，具体流程见图2所示。

图2　传统设计流程

4.2引入3D打印技术后的设计流程

在引入3D打印技术之后，设计人员通过CATIA软件设计多种格栅数字模型并存为STL格式，再使用3D打印机制造格栅实物模型，每个格栅只需要几个小时就能完成打印制造，比仿真建模分析更有效率，而且产生的成本也非常低。所以，传统的设计流程已经不适用，3D打印的试验件可以直接进行试验评估。引入3D打印技术之后的设计流程如图3所示，3D打印和仿真分析同时进行。

图3　更改后的设计流程

根据图2和图3的对比分析可知，引入3D打印技术之后，大大缩短了研制周期，降低了研制成本。除此之外，设计人员白天通过CATIA建立三维数模，晚上就可以用3D打印机打印出来，第二天就可以对实物模型进行讨论修改，如此不断调整，很大程度上降低了设计缺陷发生的可能性，也能快速提高设计人员的设计水平。甚至当存在多个造型方案时，CATIA建模和3D打印几乎是同步进行的，见图4和图5.这是传统设计流程无法办到的。

图4　MakerBotReplicator

图5　3D打印的原型模型

5　结束语

3D打印技术是对传统制造技术的一次革命性突破，能够与切削、铸锻等传统工艺之间相互支持与补充。随着技术的发展，3D打印技术也将逐步打破

打印尺寸、加工精度、材料范围和加工速度等局限，3D打印设备和材料的价格还有较大的下降空间。

所以，在民机内饰设计中引入3D打印技术的优势也将越来越明显，将从设计理念、造型设计和设计流程等方面对民机内饰设计产生重大影响，长此以往，必然会颠覆传统的设计模式，这大大加快了我国航空产业的发展。

［1］胡迪·利普森，梅尔芭库曼.3D打印：从想象到显示［M］.北京：中信出版社，2013.

［2］吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造［M］.北京：电子工业出版社，2014.

［3］杨恩泉.3D打印技术对航空制造业发展的影响［J］.航空科学技术，2013，（1）:13-17.

The Influence of 3D Printing to the Interior Design of CivilAircraft

XUE Fei，CHEN Fan
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai201210，China）

This article shows the operating principle，development tendency and application condition of 3D Printing.The influence of 3D Printing to the interior design of civil aircraft is analyzed.With the air-conditioning grille in a aircraft cockpit as a case，the application and developing direction of 3D Printing in civil aircraft interior design are explored.

3D printing；civil aircraft；interior design

V223.1；TP334.8

A

1672-545X（2016）05-0103-02

2016-02-17

薛飞（1988-），男，浙江人，硕士研究生，助理工程师，研究方向为民用飞机驾驶舱内饰设计。