深入了解金屬3D打印如何通過零件幾何形狀

建造自己的飛機(jī)你怎么能證明一百美元漢堡的價值?對查爾斯科勒來說，這很簡單。他需要的所有理由都在Tarmac上，就在調(diào)味品托盤之外：一個全新的Lancair IV-P，一個自制的并于去年12月完成- 第十二架這樣的飛機(jī)。佛羅里達(dá)州弗拉格勒縣機(jī)場的加油和午餐是每周一次的儀式，科勒及其鄰居來自他居住的代托納比奇飛行社區(qū)。40英里的跳躍提供了一個很好的借口，不僅是飛行，而是談?wù)勆痰?。最近，談話集中在科勒的新飛機(jī)上。其統(tǒng)計數(shù)據(jù)令人印象深刻：

作為市場上唯一的四座高性能飛機(jī)，Lancair IV-P采用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料機(jī)身，主要采用碳纖維和NASA設(shè)計的機(jī)翼。它的六缸，550立方米。由Teledyne Continental制造的發(fā)動機(jī)在2,700轉(zhuǎn)/分鐘時產(chǎn)生350馬力。巡航速度超過340英里/小時 - 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同類生產(chǎn)飛機(jī)的空速。

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如何通過零件幾何形狀，表面光潔度，二次加工和其他考慮因素來優(yōu)化您的設(shè)計

“我讀到這架飛機(jī)創(chuàng)造了從舊金山飛往丹佛的記錄，”泛美世界航空公司職業(yè)飛行員科勒回憶說。“平均時速為362英里/小時，我認(rèn)為這很壯觀。”

相比之下，科勒引用了一臺四座生產(chǎn)型飛機(jī)的最新記錄。從代托納海灘飛往亞特蘭大，飛行員平均每小時173英里。“這就像你買的那樣好，工廠建造，”他說。“但在相同的低海拔地區(qū)，Lancair IV-P以250英里/小時的速度巡航。”

然而，要享受這樣的表現(xiàn)，必須建造飛機(jī)，這需要時間，毅力和金錢?？评沼?991年春季訂購了他的工具包，并于同年12月開始建造。三年后，該項目完成;第一次飛行發(fā)生在1994年12月9日。即使減去中斷 - 例如安德魯颶風(fēng)和新房子 - 建造時間需要超過7,000個工時?？偝杀?$ 185,000。

從最后開始?？评赵陲w機(jī)尾部開始施工，組裝了一個更簡單的部件：水平穩(wěn)定器。該程序是直截了當(dāng)?shù)?，并在相?yīng)的使用說明書中借助于簡單的圖紙，零件庫存和檢查清單進(jìn)行了解釋。

使用Lancair提供的模板，科勒首先建造了一個木制搖籃。穩(wěn)定器的下殼在Lancair上鋪設(shè)和固化，當(dāng)建筑工人在其上工作時，它位于搖籃中。由環(huán)氧樹脂基質(zhì)中的碳纖維制成，外殼比類似的玻璃纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)硬兩倍半。它還具有10%至30%的強(qiáng)度。為了獲得相同的強(qiáng)度，濕的疊層外殼需要更多的材料，增加了更多的重量。

鋪設(shè)本身包括五層碳纖維布在3/8英寸DuPont Nomex蜂窩芯上。Nomex核心輕巧且熱穩(wěn)定，不會產(chǎn)生火焰。此外，它還可以減少濕法鋪設(shè)系統(tǒng)(如聚酯或乙烯基酯)的泡沫芯中常見的有毒煙氣釋放。

將穩(wěn)定器的下殼放入支架并稱重后，制造商安裝翼梁和肋骨。這些部件在工廠預(yù)先成型，也由蜂窩芯周圍的預(yù)浸片制成。只需用紙模板和拼圖將它們切割成一定尺寸，并將它們粘合在一起。膠合帶粘在每個翼梁和肋骨的頂部，形成一個工字梁結(jié)構(gòu)，增加強(qiáng)度和剛度。

科勒報告說，“建造水平穩(wěn)定器最復(fù)雜的一步是安裝電梯鉸鏈，安裝在后梁上。”為確保支架完全水平和筆直，必須用環(huán)氧樹脂和微氣球構(gòu)建安裝表面。字符串行保證正確對齊以防止在操作期間稍后進(jìn)行綁定。

在鉸鏈就位的情況下，建造者通過粘合在頂殼上來完成穩(wěn)定器組件。由此產(chǎn)生的翼型是高層流設(shè)計，具有非關(guān)鍵特性。這意味著翼型能夠保持超過其弦長的50%至60%的層流，從而產(chǎn)生大大減小的阻力。

“復(fù)合結(jié)構(gòu)，”科勒解釋說，“讓我重現(xiàn)Lancair IV-P的計算機(jī)生成的翼型，而不會產(chǎn)生阻力產(chǎn)生的鉚釘，搭接接頭或角落。”他補(bǔ)充說，材料的剛度在大多數(shù)飛行條件下保持最佳輪廓。

建設(shè)者的責(zé)任。聯(lián)邦航空法規(guī)將業(yè)余制造的飛機(jī)定義為“飛機(jī)，其主要部分由人員制造和組裝，他們僅為自己的教育或娛樂進(jìn)行建設(shè)項目。”他們還將“主要部分”定義為制造和組裝的51%。

但是，雖然美國聯(lián)邦航空局要求每天記錄所有已完成工作的日志和照片以及銷售票據(jù)，但美國聯(lián)邦航空局的檢查僅限于確保使用可接受的工藝和施工方法。

“美國聯(lián)邦航空局進(jìn)行了粗略的檢查，看到某些原則已被擱置，”科勒說，“但是他們不會四處尋找每一個堅果。一旦皮膚被涂上，責(zé)任就在你身上。”

因此，科勒和許多其他套件飛機(jī)制造商屬于威斯康星州奧什科什的實驗飛機(jī)協(xié)會。EAA的技術(shù)顧問通常與全國和世界各地的850多個地方分會有關(guān)，可以幫助工具包制造商檢查工藝和結(jié)構(gòu)完整性。

此外，科勒聲稱EAA成員可用的技術(shù)手冊證明是有幫助的。他說，在普通套件制造商可能沒有太多經(jīng)驗的那些領(lǐng)域尤其如此，例如計算電壓損失或確定儀器安裝的電線尺寸。無論什么時候有疑問，科勒建議直接聯(lián)系工廠。“如果出現(xiàn)問題，我會打電話給他們。”

在水平穩(wěn)定器上切齒后，科勒移動到機(jī)身和機(jī)翼上。像穩(wěn)定器一樣，機(jī)翼和機(jī)身的外殼在模具中形成，在精確控制下在高壓滅菌器中固化，并通過FAA認(rèn)證。施工方法反映了用于建造水平穩(wěn)定器的方法。

例如，Lancair IV-P需要完整的開槽福勒襟翼。這是因為飛機(jī)的機(jī)翼相對較小，設(shè)計的方式可以提高最高速度。這種更高的機(jī)翼載荷可以提供更平穩(wěn)，更穩(wěn)定的行駛速度，同時也可以提高失速速度。結(jié)合福勒襟翼可提高最大升力系數(shù)并降低失速速度。

安裝Fowler襟翼需要在配件中進(jìn)行大量試驗和錯誤，以使襟翼正確移動。兩個不同的襟翼軌道有兩個不同的行程描述了襟翼的運動?？评栈貞浾f，找到直支架以達(dá)到理想的弧度，需要相當(dāng)?shù)哪托摹?/p>

雙向街道。由于科勒的Lancair IV-P是只有39個包出售，12日建成后，他有時能夠在硬件設(shè)計來改善。例如，科勒發(fā)現(xiàn)用于固定門閂的電纜傾向于從其滾筒上滑落。“我看到這個系統(tǒng)可能存在問題，”他說，“所以我得到了一些朋友，我們設(shè)計了一個0.25節(jié)距鏈系統(tǒng)。”

科勒還重新配置了起落架門。他報告說，在每扇門的后緣，沒有足夠的空間容納兩個輪子同時縮回井中。因此，他在后面放了一個小擋板門，上面有一個捕鼠器彈簧，讓門可以相互接觸并打開一英寸左右。

雖然硬件和其他組件不需要在家用飛機(jī)上進(jìn)行認(rèn)證 - 例如，建筑商可以從汽車零件商店安裝電氣開關(guān) - 科勒認(rèn)為最好保持最高級別的認(rèn)證。這意味著使用制造商提供的認(rèn)證組件。

“我的飛機(jī)上的發(fā)動機(jī)，”他解釋說，“只要我保持在接收狀態(tài)下就可以進(jìn)行認(rèn)證。但如果我想通過用電子汽車類型的觸發(fā)點火替換磁電機(jī)來修改點火系統(tǒng)，我會失去該發(fā)動機(jī)的認(rèn)證。“

簡而言之，發(fā)動機(jī)制造商Teledyne Continental將聲稱發(fā)動機(jī)在FAA認(rèn)證參數(shù)之外進(jìn)行了修改，并要求移除數(shù)據(jù)板。雖然科勒注意到這會損害轉(zhuǎn)售狀態(tài)，但它也會損害“安心”認(rèn)證所提供的功能。

記錄運行?安心是好事，但另一位名叫Jim Rahm的工具包生成器會告訴你他的速度。具體來說，一個四座單曲的世界紀(jì)錄：檀香山到紐約市，12小時不間斷。

位于佛羅里達(dá)州代托納比奇的Engineair公司總裁兼Charlie Kohler的飛行社區(qū)成員Rahm正在建造一個生產(chǎn)V8，他打算在目前正在建設(shè)中的Lancair IV-P上安裝。該發(fā)動機(jī)將作為Lancair IV-P制造商的選項提供。

這款全鋁發(fā)動機(jī)采用雪佛蘭小型V8發(fā)動機(jī)，起飛時功率為420馬力，爬升時功率為350馬力，連續(xù)巡航時間為315馬力。排量為375立方米。由NSI，華盛頓州阿靈頓設(shè)計和制造的減速齒輪組，在巡航時將螺旋槳轉(zhuǎn)速降至1,950。同樣來自NSI的專利線性凸輪裝置消除了認(rèn)為它是飛輪的螺旋槳和用動力脈沖發(fā)射的發(fā)動機(jī)之間的混戰(zhàn)。

“基本上，我們采用了成功的發(fā)動機(jī)，對其進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用于飛機(jī)，”Hurst Shifters的創(chuàng)始人之一Rahm說道。“我們擁有整個航空發(fā)動機(jī)庫存中任何發(fā)動機(jī)的最低燃油消耗率;我們擁有飛機(jī)發(fā)動機(jī)庫存中任何發(fā)動機(jī)的最高功率重量比。通過緩慢轉(zhuǎn)動螺旋槳，并使用一個或兩個額外的葉片“Rahm預(yù)測，”當(dāng)我們起床時，我們會變得很臭。“

相反，科勒直接從作為OEM的Lancair購買了他的庫存引擎。由于發(fā)動機(jī)通過箱子到達(dá)，完全組裝，因此建造者最艱巨的任務(wù)是實現(xiàn)對防火墻的正確傾斜。這是因為發(fā)動機(jī)安裝螺栓直接固定在防火墻上，膠水粘在機(jī)身上。防火墻的正確方向確保了直線。

“船尾傾斜和十二點鐘的安排必須完全正確，”科勒說。他指出，這取決于機(jī)身在其底座中的水平。“所有這些角度都必須降低到不到十分之一度。”與防火墻一樣，建造者不會粘合剪切腹板 - 它可以固定并對齊機(jī)翼 - 直到所有測量完全正確。

值得努力。在完成飛機(jī)完成之前，建造者必須遵守美國聯(lián)邦航空局的規(guī)定：登記飛機(jī);申請適航證;通過FAA檢查;并獲得無線電許可證。

當(dāng)然，飛行的人必須擁有有效的當(dāng)前飛行員執(zhí)照。此外，當(dāng)安裝了經(jīng)過型式認(rèn)證(FAA認(rèn)可)的發(fā)動機(jī)/螺旋槳組合時，業(yè)余制造的飛機(jī)最初僅限于在指定的飛行測試區(qū)域內(nèi)操作至少25小時，或者對于未經(jīng)認(rèn)證的發(fā)動機(jī)/螺旋槳，則為40小時。

隨著這些程序的實現(xiàn)，科勒表示，25個月的勞動，偶爾的挫折和費用是值得的。“我很喜歡制造飛機(jī)。圖紙和說明寫得很清楚，建筑程序相對簡單?？赡芪沂褂眠^的最復(fù)雜的設(shè)備是Smart Level(TM)”Bodywork，他記得，是最糟糕的建設(shè)的一部分。

如果在科勒開始建造時可以使用，該公司快速建造的預(yù)組裝機(jī)翼和尾翼組件“可以節(jié)省一年的工作量。”但科勒在弗拉格勒縣機(jī)場的跑道餐廳完成了他的冰茶，并沒有后悔。

“讓我給你幾個數(shù)字，”他笑著說。“Lancair IV-P的平板面積為2.1平方英尺。那邊的塞斯納也有四個人，在空中推著6平方英尺的平板。這就是我家建的120的一個原因。 mph更快!“這也是他的午餐伙伴們可能希望他們有Charlie Kohler的耐心，堅持 - 最終 - 他的飛機(jī)的一個原因。

這個故事并未涉及構(gòu)建套件平面的許多步驟，并不打算用于教學(xué)目的。

鋁的替代品

“你打開了全開，全油門......你覺得你的骨頭發(fā)動機(jī)......最大的力量，升力和機(jī)動性主要是通過本能的飛行來實現(xiàn)的：你知道你的馬......那些空戰(zhàn)的激動從未減弱。 “ - 一般查克耶格爾

他們說大多數(shù)飛行員都是潛在的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員。如果是這樣的話，吉姆斯圖爾特的套裝飛機(jī)就有一個巨大的市場：一架規(guī)模龐大的P-51野馬，這是第二次世界大戰(zhàn)飛行王牌查克耶格爾首次出名的單螺旋飛機(jī)。

全鋁“S-51”于1994年國際實驗飛機(jī)協(xié)會年度飛行大會(威斯康辛州奧什科什)推出，旨在復(fù)制全尺寸原件的美學(xué)，性能和飛行特性。例如，它的翼型與大型野馬相同。斯圖爾特說，實現(xiàn)這些數(shù)字要求重新計算控制表面尺寸，以便在縮小尺寸后將良好的空氣動力學(xué)特性帶回飛機(jī)。

由于沒有與飛機(jī)規(guī)格相匹配的現(xiàn)成硬件，斯圖爾特自己制造了大部分組件。“即使使用起落架，除了制動器之外我們什么都買不到，”他指出。“我們必須制造自己的車輪，支柱和沖擊。”

然而，對細(xì)節(jié)的這種關(guān)注得到了與大平面幾乎相同的載荷路徑的回報。因此，S-51的結(jié)構(gòu)配置與P-51的結(jié)構(gòu)非常相似，肋骨位于肋骨的位置，而重型碎片位于重型碎片的位置。與原件唯一不同的是發(fā)動機(jī)。

全尺寸P-51采用60度V12 Rolls Royce Merlin發(fā)動機(jī)。它幾乎不適合大飛機(jī)的狹窄整流罩，更不用說70%版本的那些。因此，縮放的P-51使用了根據(jù)飛機(jī)要求改裝的大型雪佛蘭V8。斯圖爾特沒有為發(fā)動機(jī)提供他的套件，但他確實向建筑商提供了所需的附加零件和修改建議。

重量為740磅，發(fā)動機(jī)在4,700轉(zhuǎn)/分鐘時產(chǎn)生400馬力。斯圖爾特聲稱這些數(shù)字使得S-51成為世界上最強(qiáng)大的雙座運動飛機(jī)。

與原來的P-51一樣，螺旋槳以大約一半的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。斯圖爾特解釋說：“我們的尖端速度高達(dá)馬赫數(shù)約0.8，螺旋槳非常高效。但如果發(fā)動機(jī)以這個速度轉(zhuǎn)速 - 大約2,200轉(zhuǎn) - 沒有足夠的動力。”

定制變速箱解決了這個問題。設(shè)計用于管理600馬力以上，它使用6檔齒輪，減速比為2.13：1，幾乎與P-51相同。原始正齒輪和S-51之間只有一個尺寸差異。此外，兩個齒輪組幾乎都顯示相同的面。為了突出其規(guī)模版本中的過度殺傷力，Stewart很快指出Merlin發(fā)動機(jī)的額定功率高達(dá)1,400馬力。

為了更加安全，S-51帶有兩個電氣系統(tǒng)。第一種是為整架飛機(jī)和一個點火系統(tǒng)提供服務(wù)的主要公交車。一直在線的電池為第二點火系統(tǒng)供電。由于電池受到二極管保護(hù)，因此第一個系統(tǒng)不能短路。“我們主要擔(dān)心的是，”斯圖爾特說，“是可靠性。”

他的另一個問題是建立時間。與復(fù)合材料套件不同，鋁制S-51的上半部分與下半部分粘合，左側(cè)與右側(cè)粘合，鋁合金套件超過3,500個;單獨鉚接需要1,000個小時。

因此，大部分套件都是預(yù)制的。流行鉚釘將大部分主要部件固定在適當(dāng)位置以便交付。當(dāng)打開包裝箱時，建造者會看到一些看起來像飛機(jī)的東西。然而，最后的組裝需要用堅固的飛機(jī)鉚釘替換臨時的鉚釘 - 其中30,000個。

“我們?yōu)橘I家提供了大約50件工程裝配圖，”Stewart報道。“具有良好機(jī)械能力的建筑工程師可以完成該項目，最多可在兩到三年內(nèi)完成。”

這要花多少錢?目前，基本套裝的售價為53,000美元;這款快速打造套件配有機(jī)翼和大部分已經(jīng)鉚接的機(jī)身，售價78,000美元?？紤]到發(fā)動機(jī)，螺旋槳和儀表的價格分別為100,000美元和120,000美元。最后，建筑商必須了解隱藏的費用。人工費，特殊儀器，室內(nèi)裝潢和繪畫可以輕松增加到50,000美元。

斯圖爾特說一些顧客購買兩個套件以避免建筑費用;賣一個支付另一個。盡管如此，套裝價格遠(yuǎn)低于擁有原版，而腎上腺素的價格幾乎相同。那些飛過S-51的人證明控制部隊比大多數(shù)業(yè)余建造的飛機(jī)重 - 他們實際上符合訓(xùn)練和戰(zhàn)斗機(jī)的軍事規(guī)格。他們說，結(jié)果是一架飛行的飛機(jī)，感覺就像一架“重型”飛機(jī) - 就像一架經(jīng)典的二戰(zhàn)P-51戰(zhàn)斗機(jī)。

作家的印象

欣賞地面上的“自建房屋”是一回事 - 通過接受乘車將生活放在建筑師的能力上是另一回事。當(dāng)我爬進(jìn)駕駛艙時，我面對的第一件事是以下強(qiáng)制性牌匾：

“乘客警告 - 這架飛機(jī)是業(yè)余制造的，不符合聯(lián)邦安全規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)飛機(jī)。”

舒適的真皮座椅，Bose耳機(jī)以及飛行員的高信心水平使我的心跳減慢了一些，但起飛卻將它推回原位。“這件事情很有力，”我想。

我以前乘坐的是4架客機(jī)，但是不記得在簡易機(jī)場爆炸的同樣興奮。我記得的是很多噪音 - 沒有什么能接近我現(xiàn)在飛行的復(fù)合結(jié)構(gòu)的安靜，平滑的表現(xiàn)。

在云層上巡航后，交易轉(zhuǎn)向拐杖，登陸“百元漢堡”，我們再次回到家 - 一名自信的飛行員和乘客。

Kit飛機(jī)正在蓬勃發(fā)展!套件銷售額在1993年增長了58%，在1994年增長了30%。相反，美國生產(chǎn)型飛機(jī)的銷量處于歷史最低水平。單引擎飛機(jī)的平均機(jī)隊年齡現(xiàn)已超過25年。

因此，毫不奇怪，新注冊的美國聯(lián)邦航空局的業(yè)余制造和工廠制造的活塞式飛機(jī)的比例超過3：1。但正如本文只能強(qiáng)調(diào)的那樣，構(gòu)建套件平面仍然是一個耗時的項目。即將到來的設(shè)計新聞CD-ROM供應(yīng)商目錄提供了完整的故事。

在那里，你會發(fā)現(xiàn)比我們在雜志上發(fā)表的更多背景和圖形，以及套件平面來源的詞匯表。在這里的幾個部分，我們已經(jīng)包含一個符號，表示CD-ROM版本中包含的其他信息。當(dāng)您看到符號轉(zhuǎn)到CD-ROM版本。它將與建筑商本人一起將您帶到車間。