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。佛羅里達州弗拉格勒縣機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，而是談談商店。最近，談話集中在科勒的新飛機上。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，Lancair IV-P采用結(jié)構(gòu)復合材料機身，主要采用碳纖維和NASA設計的機翼。它的六缸，550立方米。由Teledyne Continental制造的發(fā)動機在2,700轉(zhuǎn)/分鐘時產(chǎn)生350馬力。巡航速度超過340英里/小時 - 遠遠超過同類生產(chǎn)飛機的空速。

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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)化您的設計

“我讀到這架飛機創(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，我認為這很壯觀。”

相比之下，科勒引用了一臺四座生產(chǎn)型飛機的最新記錄。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，這需要時間，毅力和金錢。科勒于1991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 - 例如安德魯颶風和新房子 - 建造時間需要超過7,000個工時。總成本?$ 185,000。

從最后開始?？评赵陲w機尾部開始施工，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?shù)?，并在相應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上鋪設和固化，當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合結(jié)構(gòu)硬兩倍半。它還具有10%至30%的強度。為了獲得相同的強度，濕的疊層外殼需要更多的材料，增加了更多的重量。

鋪設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。這些部件在工廠預先成型，也由蜂窩芯周圍的預浸片制成。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)，增加強度和剛度。

科勒報告說，“建造水平穩(wěn)定器最復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計，具有非關鍵特性。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。

“復合結(jié)構(gòu)，”科勒解釋說，“讓我重現(xiàn)Lancair IV-P的計算機生成的翼型，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。

建設者的責任。聯(lián)邦航空法規(guī)將業(yè)余制造的飛機定義為“飛機，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行建設項目。”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，責任就在你身上。”

因此，科勒和許多其他套件飛機制造商屬于威斯康星州奧什科什的實驗飛機協(xié)會。EAA的技術顧問通常與全國和世界各地的850多個地方分會有關，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，科勒移動到機身和機翼上。像穩(wěn)定器一樣，機翼和機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。這是因為飛機的機翼相對較小，設計的方式可以提高最高速度。這種更高的機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，找到直支架以達到理想的弧度，需要相當?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上進行認證 - 例如，建筑商可以從汽車零件商店安裝電氣開關 - 科勒認為最好保持最高級別的認證。這意味著使用制造商提供的認證組件。

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

簡而言之，發(fā)動機制造商Teledyne Continental將聲稱發(fā)動機在FAA認證參數(shù)之外進行了修改，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錄：檀香山到紐約市，12小時不間斷。

位于佛羅里達州代托納比奇的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中的Lancair IV-P上安裝。該發(fā)動機將作為Lancair IV-P制造商的選項提供。

這款全鋁發(fā)動機采用雪佛蘭小型V8發(fā)動機，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為它是飛輪的螺旋槳和用動力脈沖發(fā)射的發(fā)動機之間的混戰(zhàn)。

“基本上，我們采用了成功的發(fā)動機，對其進行了改進，并將其應用于飛機，”Hurst Shifters的創(chuàng)始人之一Rahm說道。“我們擁有整個航空發(fā)動機庫存中任何發(fā)動機的最低燃油消耗率;我們擁有飛機發(fā)動機庫存中任何發(fā)動機的最高功率重量比。通過緩慢轉(zhuǎn)動螺旋槳，并使用一個或兩個額外的葉片“Rahm預測，”當我們起床時，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)動機通過箱子到達，完全組裝，因此建造者最艱巨的任務是實現(xiàn)對防火墻的正確傾斜。這是因為發(fā)動機安裝螺栓直接固定在防火墻上，膠水粘在機身上。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翼 - 直到所有測量完全正確。

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

當然，飛行的人必須擁有有效的當前飛行員執(zhí)照。此外，當安裝了經(jīng)過型式認證(FAA認可)的發(fā)動機/螺旋槳組合時，業(yè)余制造的飛機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)認證的發(fā)動機/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。圖紙和說明寫得很清楚，建筑程序相對簡單?？赡芪沂褂眠^的最復雜的設備是Smart Level(TM)”Bodywork，他記得，是最糟糕的建設的一部分。

如果在科勒開始建造時可以使用，該公司快速建造的預組裝機翼和尾翼組件“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......最大的力量，升力和機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)斗機飛行員。如果是這樣的話，吉姆斯圖爾特的套裝飛機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。

全鋁“S-51”于1994年國際實驗飛機協(xié)會年度飛行大會(威斯康辛州奧什科什)推出，旨在復制全尺寸原件的美學，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特性帶回飛機。

由于沒有與飛機規(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，對細節(jié)的這種關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。

全尺寸P-51采用60度V12 Rolls Royce Merlin發(fā)動機。它幾乎不適合大飛機的狹窄整流罩，更不用說70%版本的那些。因此，縮放的P-51使用了根據(jù)飛機要求改裝的大型雪佛蘭V8。斯圖爾特沒有為發(fā)動機提供他的套件，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成為世界上最強大的雙座運動飛機。

與原來的P-51一樣，螺旋槳以大約一半的發(fā)動機轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。斯圖爾特解釋說：“我們的尖端速度高達馬赫數(shù)約0.8，螺旋槳非常高效。但如果發(fā)動機以這個速度轉(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)動機的額定功率高達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和一個點火系統(tǒng)提供服務的主要公交車。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，因此第一個系統(tǒng)不能短路。“我們主要擔心的是，”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，大部分套件都是預制的。流行鉚釘將大部分主要部件固定在適當位置以便交付。當打開包裝箱時，建造者會看到一些看起來像飛機的東西。然而，最后的組裝需要用堅固的飛機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翼和大部分已經(jīng)鉚接的機身，售價78,000美元?？紤]到發(fā)動機，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)余建造的飛機重 - 他們實際上符合訓練和戰(zhàn)斗機的軍事規(guī)格。他們說，結(jié)果是一架飛行的飛機，感覺就像一架“重型”飛機 - 就像一架經(jīng)典的二戰(zhàn)P-51戰(zhàn)斗機。

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。當我爬進駕駛艙時，我面對的第一件事是以下強制性牌匾：

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

舒適的真皮座椅，Bose耳機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，但是不記得在簡易機場爆炸的同樣興奮。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)型飛機的銷量處于歷史最低水平。單引擎飛機的平均機隊年齡現(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的比例超過3：1。但正如本文只能強調(diào)的那樣，構(gòu)建套件平面仍然是一個耗時的項目。即將到來的設計新聞CD-ROM供應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。