航空航天領(lǐng)域已廣泛接納增材制造技術(shù)，這一革新不僅簡化了設(shè)計流程，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)，包括民航客機和火箭發(fā)動機、冷卻結(jié)構(gòu)、燃燒室、支架以及無數(shù)其他關(guān)鍵部件。
尤為值得一提的是，隨著設(shè)計導(dǎo)向的增材制造（DfAM）在晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計上的最新進展，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)憑借其高強度重量比、高剛度及設(shè)計上的無限靈活性，為航空航天工業(yè)帶來了前所未有的性能優(yōu)勢與應(yīng)用潛力。例如，研究人員通過SLM技術(shù)，成功制造出內(nèi)部集成晶格結(jié)構(gòu)的316L不銹鋼直升機部件，相比傳統(tǒng)部件實現(xiàn)了高達50%的重量減輕，這一突破標志著輕量化設(shè)計的新里程碑。
國際合作項目同樣彰顯了增材制造技術(shù)的巨大價值，如賽峰與此前的SLM Solutions（咨詢：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。韓國航空宇宙研究院通過對起落架的晶格化改造，實現(xiàn)了減重增效的雙重目標。
此前的洛克達因工程師更是巧妙運用殼體和填充網(wǎng)格技術(shù)，設(shè)計出一種革命性的反作用控制系統(tǒng)（RCS）四推力器，其重量較市場競品輕67%，成本降低66%，彰顯了增材制造技術(shù)在提升產(chǎn)品競爭力方面的非凡能力。nTop工程師則依托TPMS晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(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針對無人機發(fā)動機風(fēng)冷氣缸的增材制造優(yōu)化，通過共形晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅減少了50%的材料浪費，還展示了增材制造技術(shù)在部件整合與性能提升上的獨特優(yōu)勢。在Mert等人的研究中，晶格優(yōu)化策略被成功應(yīng)用于客機支架，通過一系列晶格結(jié)構(gòu)的測試與比較，八角晶格結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出高達53.8%的減重效果，立方晶格與八面體晶格結(jié)構(gòu)也分別實現(xiàn)了49.5%和34.4%的重量減輕，充分驗證了晶格結(jié)構(gòu)在輕量化設(shè)計中的巨大潛力。
Doodi等人的開創(chuàng)性研究引入了一種受自然界竹節(jié)與魚鱗重疊模式啟發(fā)的創(chuàng)新混合晶格結(jié)構(gòu)。他們通過精細調(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，作者團隊進一步開發(fā)了一種前沿的逆向優(yōu)化框架，專為設(shè)計高端航空航天夾層板而生。該框架巧妙利用蜂窩單元進行核心拓撲優(yōu)化，兼顧了結(jié)構(gòu)的柔順性與熱管理需求。
同時，基于支柱的格構(gòu)芯夾層板設(shè)計被提出，專為航空航天應(yīng)用量身打造。該設(shè)計運用線性彈性框架模型，精準預(yù)測結(jié)構(gòu)中的位移與應(yīng)力分布，通過綜合考量剪切力與法向力，實現(xiàn)了晶格芯設(shè)計的深度優(yōu)化與性能飛躍。為適應(yīng)大規(guī)模面板需求，設(shè)計中特別引入了彎曲夾層板，以靈活連接晶格芯與蒙皮，同時，創(chuàng)新的銷釘方法有效釋放了相鄰節(jié)點間的旋轉(zhuǎn)自由度，使得調(diào)整晶格芯單元尺寸或數(shù)量變得更為簡便，從而顯著提升了彎曲晶格結(jié)構(gòu)的機械性能。
在航空工業(yè)中，夾層結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)減重目標具有不可估量的價值。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到了理想的平衡。此外，針對飛機發(fā)動機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%，彎曲剛度亦增強了10%。
在探索航空航天夾層板設(shè)計新路徑的過程中， 浙江省機器人與智能制造裝備技術(shù)重點實驗室研究人員獨辟蹊徑，結(jié)合了連續(xù)長纖維與復(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，實現(xiàn)了基體復(fù)合材料中纖維增強聚合物機械性能的顯著提升、重量的有效減輕及材料利用率的優(yōu)化。同時，針對航空航天部件耐撞性的研究也取得了突破性進展，通過對比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)過拓撲優(yōu)化，扭轉(zhuǎn)八角形晶格結(jié)構(gòu)更是脫穎而出，以其相對密度僅為20%的優(yōu)勢，實現(xiàn)了最高的比能吸收能力。
在飛機機翼設(shè)計領(lǐng)域，晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用同樣引人注目。多項研究表明，將晶格結(jié)構(gòu)融入機翼的不同組件中，可顯著減輕重量高達30%。Spadoni等人的研究則進一步揭示了手性晶格結(jié)構(gòu)在飛機機翼中的潛力，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)用價值。Moon等人的工作則聚焦于可展開無人機機翼的晶格設(shè)計，通過三種不同結(jié)構(gòu)的探索，最大化了機翼的靈活性與彈性。
面向未來，可編程材料系統(tǒng)與主動變形技術(shù)為航空航天領(lǐng)域帶來了前所未有的變革。通過晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計的精妙運用，這些系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)與機制的構(gòu)建，還能在外部負載下展現(xiàn)出卓越的彈性與形狀變形能力。全尺寸風(fēng)洞測試的成功，驗證了這些技術(shù)在提升氣動效率與滾轉(zhuǎn)控制確定性方面的巨大潛力。此外，主動變形機翼技術(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，正逐步成為現(xiàn)實，為飛機的氣動性能與生產(chǎn)效率帶來了雙重飛躍。
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特別值得注意的是，主動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現(xiàn)形狀變化，為航空器設(shè)計提供了前所未有的自由度。通過梯度框架設(shè)計與非均勻密度方法的運用，新型變形機翼結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了顯著的減重（約36%），還大幅提升了扭轉(zhuǎn)性能（超過50%）。這些進展不僅拓寬了設(shè)計邊界，更為超輕可變形部件的發(fā)展開辟了新道路。
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)。綠色航空旨在通過削減溫室氣體排放、優(yōu)化燃料使用及推動飛機運營與技術(shù)的全面環(huán)?；瑏硖嵘袠I(yè)的環(huán)境可持續(xù)性。傳統(tǒng)方法雖有貢獻，但效率提升有限，未來希望寄托于現(xiàn)代飛機設(shè)計，如SAW Revo、Zephyr無人機及空客2050概念飛機等，它們展示了超輕型結(jié)構(gòu)、太陽能利用及仿生設(shè)計等尖端技術(shù)。
