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  • 3D激光快速成形技术将引***进制造技术的发展
    发布:邦隆包装机械 浏览:289次

      【中国机床商务网栏目科技动态】随着数字化设计与制造技术的广泛应用,基于CAD模型的产品研制已经成为航空制造业的主流模式。在该模式下,通常基于零件的CAD模型和材料毛坯,通过去除材料或变形的方式得到与CAD模型几何一直的零件实体。尽管该模式对航空制造业的进步起到了巨大的推动作用,然而若干年的工业实践也表明这是一项十分耗时和技术难度较高的工作,尤其是针对要求高性能、具有复杂结构且在航空制造业中广泛应用的钛合金构件的研制。

      针对这一现状,出现了一种变革性的数字化制造技术——激光快速成形技术。该技术打破传统去除材料或变形的制造模式,采用“离散+堆积”的增材制造思想,由CAD模型一步完成构件的制造,具有无需模具、几何形状复杂度无***、加工周期短、制造成本低、柔性高、综合性能优异等显著优势。该技术自20世纪90年代问世以来,迅速成为航空大国竞相优先发展的一种先进制造技术。

      作为航空强国,美国引领着这一先进制造技术的发展,并实现了飞机钛合金结构件激光快速成形制造的研发和工程化应用。目前,激光快速成形技术已成为美国航空航天国防武器装备大型钛合金结构件的核心制造技术之一。

      在F/A-18E、F22和F35等先进战机上,大量钛合金、不锈钢等材料的薄壁结构件、复杂加筋件和空腔结构件等均采用该技术制造。北京航天航天大学王华明教授的研究团队突破了钛合金、超高强度钢等材料的大型复杂构件激光快速成形技术,并已成功开展工程化应用。

      王教授的团队凭借“3D激光快速成形技术”获国家技术发明一等奖。西北工业大学黄卫东教授的研究团队针对激光快速成形技术的相关理论、技术及应用方面开展了大量的研究工作。目前,激光快速成形技术已经能够制造主承力航空构件,制造的***大零件的投影面积已达12m2,并且材料利用率在70%以上。

      激光快速成形技术原理、关键步骤及优势

      在原理上,激光快速成形技术打破“去除材料或变形”的常规加工思想,采用“增材”原理进行零件的成形。该技术利用激光具有能量集中、易于控制、并且是成本较低的工业能量的优势,精确调节与控制激光光速,实现对材料的精细堆积与加工处理,从而快速制造高致密复杂金属构件。

      激光快速成形的主要过程及关键步骤为:首先对零件的CAD模型进行切片处理,将零件的网格模型按一定厚度分层离散成一系列类似计算机灰度图像的2D轮廓数据;然后基于轮廓数据生成可控制激光运动的数控驱动程序,从而驱动激光自底向上逐层熔覆沉积金属粉末;***终获得组织致密、高性能的“近净形“零件。完整的激光快速成形制造流程如图1所示。

      针对激光快速成形中的CAD模型切片问题,刘厚才等提出了基于轮廓边的快速求交算法,克服了经典算法中的奇点问题。马良等人根据STL模型中三角面片的几何信息,结合切片厚度,建立分组矩阵,通过构建三角面片之间局部的动态拓扑关系来减少三角面片的求交次数和遍历次数。

      该技术基于经典的计算机图形学求交算法,通过优化三角面片的遍历次数来完成各层图像的快速生成。总体而言,CAD模型切片和基于轮廓数据生成驱动程序的算法较为成熟,而后续的激光熔覆过程则涉及复杂的物理、化学、力学和冶金问题,是制约激光快速成形技术发展和应用的难题。

      研究与应用现状

      内部组织及缺陷的形成机理

      激光快速成形过程可描述为:

      ◆连续输送到激光熔覆区的金属粉末熔化,即在激光束的作用下,基体或前一层熔覆层发生局部重熔,并混合成合金熔体;

      ◆金属熔体在熔池内流动直***熔池内的温度趋于一致且熔体合金成分趋于均匀;

      ◆随着轮廓变化,运动熔池中的熔体非平衡快速凝固。

      上述过程发生在体积小、寿命短的液态熔池中,是一个非常复杂的非平衡短时物理冶金过程。激光、金属粉末与熔池的交互过程如图2所示。

      陈静等人利用高速摄影来实时观测激光快速成形过程中液态熔池的形成及演化过程。张凤英等研究了钛合金激光快速成形过程中缺陷的形成机制,气孔缺陷主要取决于粉末的松装密度,熔合不良与激光的能量密度、多道间搭接率以及Z轴单层行程有关。由于激光快速成形过程中的各种变化极其复杂,构件的内部组织和内部缺陷的形成机制等关键问题研究困难。北京航空航天大学和沈阳飞机设计研究所的“产学研”研究团队在这一领域取得了实质性进展,突破了零件变形、开裂的预防和内部质量控制等难题。


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