納米基防火阻燃陶瓷樹脂的制備及其在飛機客艙維修中的應用研究

袁忠大，原印璞，吳沂錚，李世杰，馬皓彬，劉潤發

（1.廣州民航職業技術學院 飛機維修工程學院,廣州510403；2.廈門航空有限公司 福州分公司，福州 350011）

1 前言

2014年，中國某航空公司第一批全新波音737客機印錯了座位標識，雖然是個小錯誤但卻會嚴重影響旅客的乘機體驗。只能臨時購買替代的部件但花費不菲，且需要耗費大量時間，會給公司造成很大經濟損失。

因此工程師們開始嘗試使用3D打印技術，新標識在三天之內就打印完畢，但所用材料是市面上普通的3D打印用塑料，無法滿足狹小密閉機艙對材料防火阻燃性能的要求[1,2]。

所以在材料滿足防火阻燃要求的基礎上，采用3D打印進行飛機維修，它能幫助我們高效而有創意地解決我們遇到的難題。

2 國內外研究現狀

2.1 國內外3D打印技術在航空維修中的應用優勢

在航空維修中，其零部件的制造加工要求非常多，如減輕重量、縮短研制周期、結構復雜、延長使用壽命、提高經濟性等。3D打印技術在很短時間內就能打印出所需零部件，既不需存儲大量零部件，也不需大規模的生產線，制造出來的零部件適合用于多品種、小批量、結構復雜、原材料價值量高的結構制造。因此，3D打印技術用于航空維修，主要有以下應用優勢[3,4]。

（1）解決航材庫存問題

隨著3D打印技術的發展，從產品全過程分析，3D打印技術使零部件只需保存電子文檔，不再需要制造出來存在倉庫，不需要大量生產，大幅度降低航材庫存過量、不足的問題。

（2）減輕重量、縮短研制周期

據統計，很多情況下3D打印技術只需要傳統制造法十分之一的材料。而且3D打印技術生產出的零件更加精細輕盈，作為增材制造技術，可實現無縫焊接、鉚接等組裝工藝，減少螺栓連接件，較傳統的切削加工技術，重量得到減輕。3D打印技術將復雜形狀的設計方案通過計算機圖形數據快速加工生成實體產品，從而研制周期得到縮短。

（3）縮短供應鏈

隨著3D打印技術的不斷發展，該技術在航空維修領域將得到廣泛應用。在實施維修過程時，需要更換什么零部件，只需把它打印出來。按照需要制造出結構復雜的零件、確保交貨時間的同時，3D打印技術通過摒棄生產線，將縮短生產周期、縮短產品供應鏈，從而大幅降低維修成本。

2.2 國內外3D打印塑料在防火阻燃性能方面的不足

上述為3D打印技術在航空維修中的應用優勢，但目前國內外在飛機客艙塑料部件維修中，尚不能用3D打印技術實現[5-7]，原因在于市面上的3D打印材料無防火阻燃能力或效果較差，用此類材料打印的零部件（如客艙逃生指示牌、旅客小桌板等），無法滿足民航法規FAR25.853和CCAR25.853部的相關要求。

2.3 研究發展趨勢分析

隨著“中國制造2025”的持續推進，在可預見的未來五至十年內，各大航空公司將會成立增材制造實驗室，增材制造實驗室將轉變為一個日益壯大的先進的制造部門，促進我國由民航大國向民航強國轉變。作為一個與傳統制造的互補工藝，未來3D打印將被更多航空公司所接受。

航空公司想要成立增材制造實驗室，關鍵一環在于能否研發出滿足FAR25.853和CCAR25.853部相關要求的3D打印防火阻燃材料。增材制造實驗室可促成航空公司的業務轉型，從僅僅提交需求到部件設計再到生產。實驗室可開發很多客艙部件，例如座椅扶手、門把手蓋板、行李架鎖扣等。

此外，許多飛行員更愿意使用電子飛行包而不是到處找厚重的飛行手冊，故可設計并使用防火阻燃材料3D打印出電子飛行包支撐裝置。

可見，在材料滿足防火阻燃要求的基礎上，采用3D打印進行飛機維修，它能幫助我們高效而有創意地解決飛機維修中的關鍵問題，從而為航空公司創造不可估量的安全效益和經濟效益。

3 實施方案

3.1 制備陶瓷樹脂

（1）以陶瓷納米顆粒作為樹脂填料，將光固化樹脂聚氨酯丙烯酸酯與單體乙氧基乙基丙烯酸酯按照一定比例混合，并加入適宜種類及數量防火劑。混合后加入百分之五的光引發劑，混合均勻的樹脂體系，在真空烘箱靜置24小時得到防火阻燃陶瓷樹脂。

（2）采用不同配比并加入其他輔料，制作出六組防火阻燃陶瓷樹脂，用3D打印機分別加工出不同飛機客艙零部件。

（3）對上述六組試樣分別進行垂直燃燒和氧指數實驗，測試每組防火阻燃陶瓷樹脂的阻燃性能，測試其防火等級，并對其進行強度分析，最后得出結論。

3.2 實驗驗證

將上述制備完畢的樣品提交至有消防檢測資質的機構進行有效的實驗驗證，分析實驗報告，并得出實驗結論。

3.3 拓展應用

在上述實驗驗證的基礎上，進一步將實驗樣品擴展至飛機客艙內部部件，例如小桌板及逃生指示牌等，團隊成員用3D軟件繪制的飛機客艙零部件如圖1-3所示。2022年04月，項目團隊參加第十三屆“挑戰杯”廣東大學生創業計劃競賽，在全省兩千多個項目中榮獲銅獎。

圖1 飛機客艙旅客座位標識牌

圖2 飛機客艙逃生指示牌

圖3 飛機客艙小桌板

4 結論

本研究的特色與創新之處：

（1）研究視角創新

3D打印技術在國內外已有多年的發展，屢見不鮮，但所用的打印材料均不具備防火阻燃功能。在此情況下，研發具有防火阻燃功能的新材料，并將其運用到飛機客艙維修中，體現了團隊人員獨特的研究視角。

（2）研究針對性強

本項目通過針對性地調研航空公司客艙一線維修，發現其中存在的維修需求，然后研究具有防火阻燃功能的3D打印用陶瓷樹脂，并將其應用于飛機客艙維修中，可針對性解決航空公司在飛機維修中遇到的困難，有效提高航空公司的安全效益和經濟效益。