航空航天領(lǐng)域已廣泛接納增材制造技術(shù)，這一革新不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，賦予了產(chǎn)品卓越的功能性，還顯著提升了生產(chǎn)效率，并推動(dòng)了輕量化部件的制造。行業(yè)內(nèi)，多樣化的增材制造技術(shù)如選擇性激光熔化（SLM）、電子束熔化、粘結(jié)劑噴射以及直接能量沉積等被廣泛應(yīng)用，這些技術(shù)所采用的鈦合金、不銹鋼、鋁合金、鎳基合金及鈷鉻合金等材料，已通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功應(yīng)用于航空航天工業(yè)，包括民航客機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻結(jié)構(gòu)、燃燒室、支架以及無(wú)數(shù)其他關(guān)鍵部件。
尤為值得一提的是，隨著設(shè)計(jì)導(dǎo)向的增材制造（DfAM）在晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的最新進(jìn)展，其應(yīng)用范圍在航空航天領(lǐng)域內(nèi)得到了空前拓展。晶格結(jié)構(gòu)憑借其高強(qiáng)度重量比、高剛度及設(shè)計(jì)上的無(wú)限靈活性，為航空航天工業(yè)帶來(lái)了前所未有的性能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用潛力。例如，研究人員通過(guò)SLM技術(shù)，成功制造出內(nèi)部集成晶格結(jié)構(gòu)的316L不銹鋼直升機(jī)部件，相比傳統(tǒng)部件實(shí)現(xiàn)了高達(dá)50%的重量減輕，這一突破標(biāo)志著輕量化設(shè)計(jì)的新里程碑。
國(guó)際合作項(xiàng)目同樣彰顯了增材制造技術(shù)的巨大價(jià)值，如賽峰與此前的SLM Solutions（咨詢(xún)：13522079385）攜手，利用SLM技術(shù)生產(chǎn)大型前起落架配件，顯著優(yōu)化了部件性能與可靠性。韓國(guó)航空宇宙研究院通過(guò)對(duì)起落架的晶格化改造，實(shí)現(xiàn)了減重增效的雙重目標(biāo)。
此前的洛克達(dá)因工程師更是巧妙運(yùn)用殼體和填充網(wǎng)格技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種革命性的反作用控制系統(tǒng)（RCS）四推力器，其重量較市場(chǎng)競(jìng)品輕67%，成本降低66%，彰顯了增材制造技術(shù)在提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力方面的非凡能力。nTop工程師則依托TPMS晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出體積縮小85%且零件數(shù)量大幅減少的空氣冷卻熱交換器，為航空航天熱管理提供了創(chuàng)新解決方案。
此外，Cobra Aero針對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)冷氣缸的增材制造優(yōu)化，通過(guò)共形晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅減少了50%的材料浪費(fèi)，還展示了增材制造技術(shù)在部件整合與性能提升上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在Mert等人的研究中，晶格優(yōu)化策略被成功應(yīng)用于客機(jī)支架，通過(guò)一系列晶格結(jié)構(gòu)的測(cè)試與比較，八角晶格結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出高達(dá)53.8%的減重效果，立方晶格與八面體晶格結(jié)構(gòu)也分別實(shí)現(xiàn)了49.5%和34.4%的重量減輕，充分驗(yàn)證了晶格結(jié)構(gòu)在輕量化設(shè)計(jì)中的巨大潛力。
Doodi等人的開(kāi)創(chuàng)性研究引入了一種受自然界竹節(jié)與魚(yú)鱗重疊模式啟發(fā)的創(chuàng)新混合晶格結(jié)構(gòu)。他們通過(guò)精細(xì)調(diào)整單元壁厚度，不僅優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的輕量化特性，還在航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了卓越的壓縮性能。在此基礎(chǔ)上，作者團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一種前沿的逆向優(yōu)化框架，專(zhuān)為設(shè)計(jì)高端航空航天夾層板而生。該框架巧妙利用蜂窩單元進(jìn)行核心拓?fù)鋬?yōu)化，兼顧了結(jié)構(gòu)的柔順性與熱管理需求。
同時(shí)，基于支柱的格構(gòu)芯夾層板設(shè)計(jì)被提出，專(zhuān)為航空航天應(yīng)用量身打造。該設(shè)計(jì)運(yùn)用線(xiàn)性彈性框架模型，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中的位移與應(yīng)力分布，通過(guò)綜合考量剪切力與法向力，實(shí)現(xiàn)了晶格芯設(shè)計(jì)的深度優(yōu)化與性能飛躍。為適應(yīng)大規(guī)模面板需求，設(shè)計(jì)中特別引入了彎曲夾層板，以靈活連接晶格芯與蒙皮，同時(shí)，創(chuàng)新的銷(xiāo)釘方法有效釋放了相鄰節(jié)點(diǎn)間的旋轉(zhuǎn)自由度，使得調(diào)整晶格芯單元尺寸或數(shù)量變得更為簡(jiǎn)便，從而顯著提升了彎曲晶格結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。
在航空工業(yè)中，夾層結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)具有不可估量的價(jià)值。研究深入探討了芯材尺寸、形狀及方向?qū)γ姘褰Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明，零度六邊形芯材在剛度與阻尼性能之間達(dá)到了理想的平衡。此外，針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音控制的迫切需求，研究人員創(chuàng)新性地提出了采用增材制造吸聲器的聲學(xué)夾層結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)穿孔蜂窩芯，該新型結(jié)構(gòu)在相同質(zhì)量與厚度下，吸聲效率提升了90%，彎曲剛度亦增強(qiáng)了10%。
在探索航空航天夾層板設(shè)計(jì)新路徑的過(guò)程中， 浙江省機(jī)器人與智能制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員獨(dú)辟蹊徑，結(jié)合了連續(xù)長(zhǎng)纖維與復(fù)合短纖維的鋪設(shè)策略，分別采用連續(xù)與格子排列方式，實(shí)現(xiàn)了基體復(fù)合材料中纖維增強(qiáng)聚合物機(jī)械性能的顯著提升、重量的有效減輕及材料利用率的優(yōu)化。同時(shí)，針對(duì)航空航天部件耐撞性的研究也取得了突破性進(jìn)展，通過(guò)對(duì)比11種不同晶格結(jié)構(gòu)的薄壁蜂窩或金屬泡沫結(jié)構(gòu)，最終確定了八角形晶格結(jié)構(gòu)在防撞性能上的優(yōu)越性。經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，扭轉(zhuǎn)八角形晶格結(jié)構(gòu)更是脫穎而出，以其相對(duì)密度僅為20%的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了最高的比能吸收能力。
在飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)領(lǐng)域，晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用同樣引人注目。多項(xiàng)研究表明，將晶格結(jié)構(gòu)融入機(jī)翼的不同組件中，可顯著減輕重量高達(dá)30%。Spadoni等人的研究則進(jìn)一步揭示了手性晶格結(jié)構(gòu)在飛機(jī)機(jī)翼中的潛力，展示了其承受顯著變形而不超屈服應(yīng)變的非凡能力。Magna Parva提出的基于桁架的3D晶格結(jié)構(gòu)，則為返回艙著陸緩沖系統(tǒng)提供了新的解決方案，展現(xiàn)了晶格結(jié)構(gòu)在極端條件下的應(yīng)用價(jià)值。Moon等人的工作則聚焦于可展開(kāi)無(wú)人機(jī)機(jī)翼的晶格設(shè)計(jì)，通過(guò)三種不同結(jié)構(gòu)的探索，最大化了機(jī)翼的靈活性與彈性。
面向未來(lái)，可編程材料系統(tǒng)與主動(dòng)變形技術(shù)為航空航天領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的變革。通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精妙運(yùn)用，這些系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)與機(jī)制的構(gòu)建，還能在外部負(fù)載下展現(xiàn)出卓越的彈性與形狀變形能力。全尺寸風(fēng)洞測(cè)試的成功，驗(yàn)證了這些技術(shù)在提升氣動(dòng)效率與滾轉(zhuǎn)控制確定性方面的巨大潛力。此外，主動(dòng)變形機(jī)翼技術(shù)憑借其低密度、空間調(diào)節(jié)剛性及高柔順性結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，正逐步成為現(xiàn)實(shí)，為飛機(jī)的氣動(dòng)性能與生產(chǎn)效率帶來(lái)了雙重飛躍。
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特別值得注意的是，主動(dòng)3D打印晶格結(jié)構(gòu)的概念，其能夠根據(jù)溫度與位移控制條件實(shí)現(xiàn)形狀變化，為航空器設(shè)計(jì)提供了前所未有的自由度。通過(guò)梯度框架設(shè)計(jì)與非均勻密度方法的運(yùn)用，新型變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了顯著的減重（約36%），還大幅提升了扭轉(zhuǎn)性能（超過(guò)50%）。這些進(jìn)展不僅拓寬了設(shè)計(jì)邊界，更為超輕可變形部件的發(fā)展開(kāi)辟了新道路。
盡管晶格結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，航空業(yè)在追求綠色航空與可持續(xù)發(fā)展時(shí)仍面臨燃料成本上升、碳稅壓力及加劇全球變暖等重大挑戰(zhàn)。綠色航空旨在通過(guò)削減溫室氣體排放、優(yōu)化燃料使用及推動(dòng)飛機(jī)運(yùn)營(yíng)與技術(shù)的全面環(huán)?；瑏?lái)提升行業(yè)的環(huán)境可持續(xù)性。傳統(tǒng)方法雖有貢獻(xiàn)，但效率提升有限，未來(lái)希望寄托于現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)，如SAW Revo、Zephyr無(wú)人機(jī)及空客2050概念飛機(jī)等，它們展示了超輕型結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能利用及仿生設(shè)計(jì)等尖端技術(shù)。
