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激光3D打印技术在航空航天制造业展现出无与伦比的优越性

激光增材制造技术是一门融合了激光、计算机软件、材料、机械、控制等多学科知识的系统性、综合性技术。采用离散化手段逐点或逐层“堆积”成型原理,依据产品三维CAD模型,快速“打印”出产品零件,彻底改变了传统金属零件,特别是高性能难加工、构型复杂等金属零件的加工模式。

激光增材制造技术在航空航天领域主要应用是结构和功能性金属部件的快速制造,迄今为止发展比较成熟的工艺有激光熔化沉积技术和激光选区熔化技术。

 

激光3D打印(前)及铸造的(后)空客机翼支架

依靠自身的技术特点,激光增材制造技术在航空航天工业制造中展现去了无与伦比的优越性。美国和欧盟等国家开始大力发展增材制造,以将其应用于航空航天领域。2012年8月,美国增材制造创新研究所成立,联合了宾夕法尼亚州、俄亥俄州和弗吉尼亚州的14所大学、40余家企业、11家非营利机构和专业协会。欧洲航天局则于2013年10月公布了“惊奇”计划,该计划将汇集28家机构来开发新的金属零部件,新部件要比常规部件更轻、更坚固、更廉价,旨在“将增材制造带入金属时代”。此外,美国Boeing公司、LockheedMartin公司、GE航空发动机公司、Sandia国家实验室和LosAlomos国家实验室、欧洲EADS公司、英国Rolls-Royce公司、法国SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大国家研究院、澳大利亚国家科学研究中心等大型公司和国家研究机构都对增材制造在航空航天领域的应用开展了大量研究工作。

我国在金属材料激光增材制造处于世界先进水平,但是仍和欧美等发达国家存在一点的差距。西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等团队针对航空航天等高技术领域对结构件高性能、轻量化、整体化、精密成形技术的迫切需求,开展了钛合金、高温合金、超高强度钢和梯度材料激光增材制造工艺研究,突破结构件的轻质、高刚度、高强度、整体化成形,应力变形与冶金质量控制,成形件组织性能优化等关键技术。

激光增材制造修复叶片

随着激光增材制造技术的发展,其在航空航天制造领域扮演着愈来愈重要的较色,但是要真正的实现大规模产业化应用,还有很长的路要走。航空航天工业制造工艺的特殊性对激光增材制造就是提出了更高的要求。

(1)更加深入的机理研究。激光金属增材制造的物理、化学、力学和材料冶金现象极其复杂,技术难度很大,国内外对金属零件激光增材成形内部组织形成规律和内部缺陷形成机理、零件内应力演化规律及变形开裂行为等关键基础问题缺乏深入的认识和研究。

(2)优化的工艺保证更高的加工质量。航空航天工业高工艺要求对激光增材制造技术提出更大的挑战。需要扩大材料体系、突破零件尺寸来扩大激光增材技术的适用范围,开发实时监测反馈系统、优化设备和工艺参数来提高加工精度及表面质量。

(3)质量检测新手段和新的加工标准的建立。由于激光增材成形零部件往往形状非常复杂,而且在制造的时候是一体式一次制造完成的。因此使用传统的方法进行检测和测试而不对部件造成影响是很困难的,新的检测手段必然会引起加工标准的变革。

(4)更优化的软件、数据库支持。增材制造成形路径的规划、支撑添加以及数据库参数支持对加工质量和成形效率有着决定性的影响。

(5)激光增材制造技术和传统加工技术的有机结合。将增材制造技术成形复杂精细结构、直接近净成形的优点与传统制造技术高效率、低成本、高精度、优良的表面质量的优势结合起来,形成最佳的制造策略。

激光增材制造是一个涉及激光、机械、数控、材料等的多学科交叉新技术,并且发展时间很短,相对于铸、锻、焊、粉末冶金、机械加工等传统的制造技术而言,其技术成熟度还有显著差距,需要开展系统深入的基础研究和工程化研究工作。此外,多团队的精诚合作也是保障增材制造得以进一步发展的基石,以利于增材制造在航空领域发挥更大的作用。

高速、高机动性、长续航能力、安全高效低成本运行等苛刻服役条件对飞行器结构设计、材料和制造提出了更高要求。增材制造让飞行器轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、结构功能一体化以及低成本运行成为可能,而航空航天领域则让增材制造插上了腾飞的翅膀!


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