洞见 l 航空航天3D打印-增材制造零件的认证

国际金属加工网 2021年08月27日

根据3D科学谷的市场观察,3D打印在批量生产航空航天零件方面渐入佳境,这种技术在节省材料、简化装配流程并制造更轻、更坚固的组件,同时减少库存和交货时间具备独特的优势。而3D打印技术在取得立足的优势之后,也随着自身技术的发展进入到量产的领域。

不过在获得翱翔天空的资格之前,零件的认证是关键,尤其对于3D打印-增材制造的零件来说。

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从检测到仿真

CT与加工的相辅相成

根据3D科学谷的市场观察,用于制造 3D 打印零部件必须全面、科学地回答材料完整性和质量一致性的问题。特别是对于飞行关键零部件,目前用于完成此任务的技术是计算机断层扫描,也就是众所周知的 CT 扫描。

作为一项已有数十年历史的技术,CT 扫描是一种可行的方式,可以窥视和穿透零件以发现隐藏的内部缺陷。CT 扫描还允许增材制造 (AM) 用户验证他们的设备是否正常运行,以及他们的工艺是否合理且可重复——能够产生相同的冶金和机械特性。

CT 扫描通过 X 射线源从多个角度生成对象的数字切片,然后,软件可以使用适合各种分析的相应数据集将 2D 图像重建为高度准确的 3D 模型。孔隙、分层、裂纹、空隙和其他缺陷清晰可见,内部零件特征也是如此,否则需要横截面和其他破坏性检测方法来检验零件内部是否存在缺陷。

在航空级 AM-增材制造金属零件生产中,最常用的是激光粉末床熔化 (LPBF) 工艺,包括选区激光熔化 (SLM、DMLS)。这些技术还拥有最昂贵的设备,并且由于 LPBF 的构建速度相对较低且材料成本较高,因此制造商3D打印全尺寸零件通常需要进行多次迭代,并逐个进行 CT 扫描以确定工艺的完美。

在进行小批量制造之前,制造商必须通过在构建室内的不同位置和方向打印小型测试立方体来确定生产操作参数。然后对这些材料进行 CT 扫描,了解材料密度和一致性、尺寸精度等属性。发现缺陷的操作员可以调整激光功率和其他变量,打印多个测试样本以优化生产力和零件质量。

然后对较大的零件以及具有代表目标零件的复杂几何形状的零件重复此过程,并反复评估冷却通道、悬垂和各种壁厚等设计元素,直到金属制造过程具有可预测性。

测试是一项重大投资,往往超出设备本身的投资。任何金属 AM -增材制造零件供应商都应在生产时间、原材料、操作员培训以及 CT 扫描设备和软件的使用方面为测试提供足够的预算。当前任何新的 3D 打印技术都需要长达一年的工艺开发,然后对每台后续机器进行几个月的微调。

铝、钛、哈氏合金和 Inconel 高温合金被飞机制造商广泛接受,但当零件是通过 3D 打印制成时,预计会受到更严格的审查,尤其是还有可能使用新的合金,所有这些都需要在飞行使用前进行广泛严格的测试。

CT 扫描已被证明是鉴定这些材料和未来材料的重要工具。对于3D 打印支架、燃料喷嘴和涡轮部件而言,情况确实如此。并且制造商可以使用 CT 分析单个晶粒的高分辨率模型,该模型只有一两个微米。

材料污染也是使用金属 3D 打印的制造商关注的问题,只有通过严格的材料处理和采购程序才能避免污染。有办法在污染确实发生时发现污染,这一点至关重要。这些事件很容易用 CT 扫描发现,故障在零件图像中表现为亮点。

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软件助力产业化

在未来几十年中,金属增材制造在航空航天领域的应用有望增长。更轻、更坚固、更省油的组件的设计自由度和机会很容易抵消发展中遇到的重重障碍。此外,3D 打印零部件将变得更加高效。

AM 增材制造设备制造商继续提供更快、更准确和更易于使用的机器,而 CT 扫描提供商和软件公司则通过开发互补系统来跟上步伐。一个例子是基于软件的网格补偿,这种补偿减少了增材制造零件设计阶段的迭代周期数,可以预测变形并在零件几何形状内自动对其进行补偿。

构建策略也起作用。例如,动态调整光束尺寸、功率和横移速度的方法会对零件质量产生深远的影响。因此,在扫描件和设计件模型之间建立反馈回路、比较两者并优化构建参数以最大程度地减少差异至关重要。

在这方面,国际上的软件公司在深层次地推动增材制造业的产业化发展,用于设计增材制造零件的 CAD 系统、用于检验建模性能的仿真软件以及用于检查和分析最终工件的检测软件。通过这些系统,航空航天制造商能够更快、更高效、更一致地设计和生产更好的零件。

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(D科学谷内容团队)

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