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3D激光快速成形技术研究

2017/2/26    来源:互联网    作者:贺强  周长春  白晓亮      
关键字:激光快速成形  3D打印  数字化制造  直升机  
针对激光快速成形这一重要的3D打印技术,分析了技术原理、关键技术步骤和应用优势,综述了激光成形技术研究和应用现状,对其在直升机制造业中的应用前景进行了分析。

    0 前言

    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模型几何一致的零件实体。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模型一步成构件的制造,具有无需模具、几何形状复杂度无限制、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旧。3北京航空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1。目前,激光快速成形技术已经能够制造主承力航空构件,制造的最大零件的投影面积已达12m,并且材料利用率在70%以上。文中结合上述研究,分析了激光快速成形技术的原理、关键技术步骤以及具有的优势,并对研究和应用现状进行综述,最后对激光快速成形技术应用到直升机制造业的前景进行了分析。

    1 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;最终获得组织致密、高性能的“近净形”零件。完整的激光快速成形制造流程如图l所示。

     1 

    图1 激光快速成形过程

    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。良等人根据S11L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,文中将在下一节进行详述。

    作为一种突破性的高新技术,激光快速成形技术融合应用了CAD/CAM技术、激光技术、计算机数字控制、精密伺服驱动以及材料科学等诸多学科的先进技术,具有以下显著优势:

    (1)无需模具和毛坯制备,直接根据CAD模型生成任何形状的构件,尤其适合具有复杂几何形状的构件;

    (2)近净成形,后续加工量小、材料利用率高、周期短、成本低、效率高;

    (3)构件具有细小、均匀的快速凝固组织,综合力学性能优异;

    (4)具有高柔性,能快速响应市场的变化。

责任编辑:郝秋红
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