航空鋁合金薄壁零件3D打印技術(shù)研究

時間:2022-11-20 11:25:03

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航空鋁合金薄壁零件3D打印技術(shù)研究

13D打印技術(shù)基本概述

3D打印技術(shù)屬于一種快速成型技術(shù),并且在快速成形技術(shù)中占據(jù)重要組成部分。3D打印技術(shù)又被人們稱為增材制造,能夠?qū)⒉煌冗M(jìn)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,比如,計算機(jī)輔助制造技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)以及計算機(jī)數(shù)控制造技術(shù)等,集不同技術(shù)于一體的加工方式。3D打印技術(shù)的主流成形技術(shù)包含許多內(nèi)容方式,比如,熔融沉積法、直接金屬粉末激光燒結(jié)法、光固化法以及選擇性激光熔化法等[1]。3D打印技術(shù)的思想最早起源于層疊成型理論當(dāng)中,隨著社會的不斷進(jìn)步與發(fā)展,使得計算機(jī)科學(xué)技術(shù)與計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)得到優(yōu)化與廣泛應(yīng)用。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的制造工藝,有著自身的優(yōu)勢與特點。3D打印技術(shù)可以在短時間內(nèi),形成并制造出較為復(fù)雜的形態(tài)產(chǎn)品。在實際加工過程中,不需要進(jìn)行費(fèi)力的切削。這對企業(yè)而言不僅可以節(jié)省更多成本,同時在最大程度上避免浪費(fèi)問題的出現(xiàn)。除此之外,3D打印技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行實物化,對設(shè)計工作、選型工作做出檢查與分析,降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險,為企業(yè)的更好發(fā)展打下基礎(chǔ)。

2航空鋁合金薄壁零件3d打印技術(shù)的應(yīng)用特點

將3D打印技術(shù)應(yīng)用在航空鋁合金薄壁零件具備一定的特點,主要體現(xiàn)在以下幾點中:2.1制作復(fù)雜零部件產(chǎn)品較為迅速。3D打印技術(shù)能夠?qū)^為復(fù)雜的零部件進(jìn)行迅速的加工制造,并且在這一過程中,可以不使用模具。直接可以將計算機(jī)當(dāng)中的設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為實體的零件,為相關(guān)工作人員減輕工作量,同時可以在很大程度上避免純手工操作方式帶來的影響與誤差。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的制造工藝而言,縮短復(fù)雜零部件的制造時間,減少產(chǎn)品的開發(fā)周期,為相關(guān)企業(yè)節(jié)省更多成本的同時,使得研發(fā)的產(chǎn)品能夠更快投放到市場中,為企業(yè)創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。2.2實現(xiàn)原材料的高效利用。將3D打印技術(shù)應(yīng)用在航空鋁合金薄壁零件上,可以使原材料的利用率得到提升,并且保證在實際的打印成型過程中,實現(xiàn)對材料的充分利用。在打印完產(chǎn)品后,只需要進(jìn)行簡單的后續(xù)處理,就可以投入到使用中[2]。實際原材料的利用率可以達(dá)到60%,最高可以達(dá)到90%的利用率。傳統(tǒng)的制造方式,會造成材料浪費(fèi)問題,特別是在航空復(fù)雜零部件的加工過程中,材料的使用率很低。這不僅會造成材料浪費(fèi)問題,同時使得加工成本增加。2.3促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化。3D打印技術(shù)科學(xué)合理的利用,能夠在保證性能的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)對零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與完善,在最大程度上避免零部件質(zhì)量問題的產(chǎn)生。相較于傳統(tǒng)拼接構(gòu)件,可以強(qiáng)化對部件的整體制造,并且不需要使用焊接工藝或者是鉚接工藝。將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,使得產(chǎn)品重量得到減少。通過對零部件的優(yōu)化,使得零部件應(yīng)力分布的合理性得到保障,防止因為疲勞裂紋而造成危險事故,進(jìn)而保證零部件結(jié)構(gòu)的完整性與強(qiáng)度。

3航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術(shù)的應(yīng)用

3.1在機(jī)械定位誤差中的應(yīng)用。在將3D打印技術(shù)應(yīng)用在航空鋁合金薄壁零件時,要加強(qiáng)對3D打印機(jī)的充分利用。實際3D打印機(jī)在運(yùn)行過程中,會受到電機(jī)的控制。電機(jī)各個零部件,對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行會產(chǎn)生一定影響。在層面打印期間,X軸與Y軸方向會存在一定慣性,從而使得掃描尺寸以及成型件設(shè)計尺寸存在一定偏差。與此同時,因為掃描系統(tǒng)在工作過程中,會存在相應(yīng)的加速過程中,所以,會產(chǎn)生一定的固化不均勻現(xiàn)象,進(jìn)而出現(xiàn)誤差。對于Z軸方向的控制,通常情況下是由絲杠展開相應(yīng)控制工作[3]。利用上下移動,完成成型加工操作??偠灾跈C(jī)械定位誤差當(dāng)中,要加強(qiáng)對3D打印技術(shù)的利用,從而將誤差問題控制在合理范圍內(nèi)。3.2在匹配誤差中的應(yīng)用。在實際3D打印過程中,擠出頭會噴出熔融材料,熔融材料有著一定的寬度與一定體量。如果與噴頭的運(yùn)行速度以及運(yùn)行路徑不匹配,那么實際打印輪廓與理想中的打印輪廓將會存在一定誤差,填充物的實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計存在偏差問題,從而產(chǎn)生打印誤差問題的出現(xiàn)。但是,在3D打印過程中,結(jié)合擠出熔融材料的量,以及擠出速度等影響因素,對補(bǔ)償量以及速度進(jìn)行計算,從而將誤差控制在有效范圍內(nèi),盡管無法避免誤差的出現(xiàn),但是也可以對誤差進(jìn)行控制。最為理想的狀態(tài)是,一定時間內(nèi)擠出頭擠出的熔融材料體量,與實際填充體量相同,并且填充材料的橫截面能夠在最大程度上保持為矩形[4]。但是因為擠出頭的運(yùn)行與實際基礎(chǔ)材料量在理論上無法實現(xiàn)匹配,所以,使得填充材料的橫截面形狀出現(xiàn)變化。3.3FDM成型技術(shù)的應(yīng)用。FDM成型技術(shù)也就是人們所說的熔融沉積成型技術(shù),熔融沉積成型技術(shù)的實際工作原理是,電機(jī)等不同裝置,將熱塑性材料輸送到加熱器當(dāng)中,并且在加熱器內(nèi)對其進(jìn)行加熱融化。接著利用噴頭底部的微細(xì)噴嘴,將已經(jīng)融化的材料,經(jīng)過一定的壓力,將材料噴出。被噴出的材料在經(jīng)過已經(jīng)被設(shè)計好的噴頭軌跡,將會形成熔結(jié)層面。當(dāng)一個層打印完成后,工作臺將會移動到另一個層當(dāng)中進(jìn)行打印,直至打印出完整實體。通常情況下該種原理的打印機(jī),實際結(jié)構(gòu)較為簡單,并且所花費(fèi)的成本相對較低,成形尺寸較大。同時也存在一定缺點,比如,產(chǎn)品質(zhì)量有待提升,并且需要相應(yīng)的設(shè)計提供輔助。所以,此種類型打印機(jī)更加適用于桌面級工業(yè)產(chǎn)品使用或者低精度工業(yè)產(chǎn)品使用。在FDM成型技術(shù)下的3D打印機(jī)設(shè)備包含不同系統(tǒng),比如,加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)主要是通過對電阻絲的合理利用,對材料進(jìn)行加熱使其呈彈性流體狀態(tài),這樣更容易被擠出。控制系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容是,對噴頭的運(yùn)動方向、運(yùn)動速度以及運(yùn)動軌跡進(jìn)行控制,同時將出料寬度參數(shù)以及加熱溫度參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)[5]。機(jī)械系統(tǒng)包含不同系統(tǒng),比如,成型室系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)等。能夠應(yīng)用FDM成型技術(shù)的材料,通常情況下,屬于ABS聚合物材料、尼龍材料等。材料性能對加熱系統(tǒng)噴嘴溫度會產(chǎn)生直接影響,加強(qiáng)對噴嘴溫度的控制,可以在一定程度上使得材料的堆積性能以及出料流量得到保障。通俗來講就是噴嘴溫度,會直接影響打印產(chǎn)品質(zhì)量。因此,為使得打印產(chǎn)品質(zhì)量得到保障,需要將噴嘴溫度控制在合理范圍內(nèi),一般情況下,在出料具有合適粘性系數(shù)的流體狀態(tài)范圍內(nèi)選擇。因為,如果噴嘴溫度較低,那么粘度將會變差,流動性較強(qiáng),那么材料被擠出的速度較快,從而導(dǎo)致出絲直徑無法被有效控制,導(dǎo)致最終產(chǎn)品質(zhì)量無法保障。如果噴嘴溫度較高,那么材料需要較長的冷卻時間。材料在沒有被冷卻到一定狀態(tài)的情況下,后一層被擠出直接壓到前一層上,使得材料無法定型。3.4激光燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用。激光燒結(jié)技術(shù)也可以將其分為不同的技術(shù)類型,比如,直接激光燒結(jié)技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)等。不同技術(shù)之前的原理大致相同,在本文主要是對選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行分析與闡述。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)原理與選擇性激光融化技術(shù)大致相同,在零件加工過程中,都需要里層堆積[6]。同時要保證具備較高的能量密度,這樣才能確保粉末能夠被全部融化。在功率較高的激光束影響與作用下,金屬粉末可以保證全部融化,在對其進(jìn)行散熱與冷卻操作后,可以與固體金屬之間進(jìn)行致密的冶金結(jié)合,不斷累計,形成三維實體。SLS設(shè)備由不同的系統(tǒng)構(gòu)成,比如,加熱系統(tǒng)、光學(xué)掃描系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。在實際的3D打印成型過程中,需要注意以下幾點問題:第一,對將要被加工的三維實體零件切片文件進(jìn)行讀取,并且將適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)加入到其中,從而形成相應(yīng)的激光掃描路徑控制代碼。第二,鋪粉裝置在實際的工作過程中,需要在其工作臺面上鋪上一層層材料粉末。材料粉末的鋪設(shè)厚度需要與切片厚度保持一致,通常情況下控制在十幾微米左右即可,然后將粉末用滾筒滾平并壓實。

4結(jié)束語

綜上所述,3D打印技術(shù)對航空鋁合金薄壁零件制作而言具有重要作用。因此,需要相關(guān)工作人員能熟練掌握3D打印技術(shù)。這樣才能將3D打印技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮,為我國航空事業(yè)的更好發(fā)展打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]譚立忠,方芳.3D打印技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2016(4):1-7.

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[3]張向東,陳亞莉,齊瑞梓.薄壁復(fù)雜飛機(jī)發(fā)動機(jī)機(jī)匣本體3D打印技術(shù)優(yōu)勢簡介[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(31):77.

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[6]劉飛,王煒,李金岳.3D打印技術(shù)在空間飛行器研制中的應(yīng)用研究[J].航天制造技術(shù),2018,212(06):62-66.

作者:李文剛 謝凝 單位:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計算技術(shù)研究