3D打印技術在航空制造領域的應用

3D打印是先進制造業(yè)的重要組成部分，近年來該技術取得了重大突破，世界各國均將該技術作為振興制造業(yè)的核心技術而大力扶持。美國政府明確把3D打印制造技術作為引領世界制造業(yè)發(fā)展新方向的最先進的新技術之首。英國技術戰(zhàn)略委員會在“未來的高附加值制造技術展望”的報告中則把3D打印制造技術作為提升國家競爭力應對未來挑戰(zhàn)亟需發(fā)展的22項先進技術之一。3D打印本質上是一種制備技術，材料是該技術發(fā)展的基礎和保證，為此世界各國對3D打印材料的研發(fā)十分重視[1]。國外研究的3D打印材料涉及鋁合金、鈦合金、鎳基合金、鋼等，研究主題主要有性能調控機制及性能可靠性評價、束流品質在線測量、熔池溫度模擬仿真、應力與變形規(guī)律、熔凝過程主動控制及工藝參數(shù)智能優(yōu)化、無損檢測方法、結構優(yōu)化設計、多元合金體系元素蒸發(fā)規(guī)律等諸多方面，形成了較為完整的從基礎理論、應用基礎到應用研究的技術體系，并形成了針對金屬直接成形技 術的標準AMS4999。

隨著3D打印技術的推廣和普及，中國制定了一系列有關國家增材制造發(fā)展的促進計劃，其中重點將3D打印技術的相關研究和利用放在突出地位，為我國3D打印的應用指明了前進方向。最近幾年，眾多科研機構和重點企業(yè)紛紛建立3D打印實驗室和研究中心，并獲得了可喜的成就。

1、基于現(xiàn)代3D打印技術的航空鈦合金部件設計

1.1 確定3D打印參數(shù)

激光頻率和掃描速度對粉末熔合性、成形效果等均緊密相關，掃描途徑和掃描速度還和成形器件的尺寸大小、造型精度、成品密度有關系[2]。在激光選擇3D打印設備出廠以前需要具備一定參數(shù)的工藝包，在完成安裝調整后，航空企業(yè)有必要聯(lián)系廠家一同對3D打印設備的參數(shù)進行檢校、審核、調準。在批量生產過程中按照研發(fā)周期、生產效率、毛坯合格率以及最終驗收標準等對設備參數(shù)進行微調整，設備有必要定時安排檢驗、校對3D打印設備的成形尺寸大小、造型精度，設備監(jiān)管成形室氧氣含量的自我檢查結果，氧氣含量超過0.08% 時有必要及時預警并停止相應工作，否則氧氣含量一旦超標就會對航空鈦合金的成形造成致命漏洞、夾空等冶金缺點。通常來說設備在出廠以前就已經按照用戶需求將上述參數(shù)調整結束，英國RENISLAT 公司AM801型3D打印設備的參數(shù)完全開放，用戶能夠按照成形合格率、使用材料、成件復雜度等隨時對設備所需參數(shù)進行調改。

1.2 設計實物3D 數(shù)字模型

實物3D 模型的設計需要按照3D打印的藝術性和零部件的造型復雜性，來考慮成品毛坯的表現(xiàn)形式、工藝支持設置以及樣品的擺放位置。樣品的調試一般會遵循以下原則：

（1）盡可能將部件較大的一面朝下放置。

（2）需要安排傾斜角的零部件，普遍會根據45°傾斜，以確保支撐添加最小。

（3）對于壁厚在1mm~4mm、高度不超過60mm的薄壁零部件則采取垂直擺放，具備單件成形的條件。

一般會采取兩種方法來形成三維數(shù)字的模型。第一種是利用軟件負向數(shù)字化設計完成建模，即通過Auto CAD、UG、Pro/E 等工具構建數(shù)字模型，或者是將已存在的二維圖像轉變?yōu)槿S模型；第二種則是借助逆反技術，利用激光掃描設備對實物進行全方位、多層次的掃描，獲取相關數(shù)據，再通過CAD工具完成三維重建、漏洞檢查、修飾已形成的3D數(shù)字模型。現(xiàn)今企業(yè)生產設計絕大部分會利用工業(yè)性設計軟件。負向建模是過去經常使用的模型設計技術，主要是按照實物的構造、外形、質量、色彩等特征，通過計算機輔助軟件（CAD）模擬出實物的設計過程。負向建模主要包括實物建模、曲面建模以及參數(shù)化建模三種。3D數(shù)字模型的設計絕大部分是借助實物建模法，這種方法對于形狀比較規(guī)則的物體設計而言效果較好，其涵蓋了實心數(shù)據，包括體積、大小、尺寸等精細化數(shù)據，可以滿足基礎性能的計算，還能夠利用數(shù)學公理來定義實際應用材料，以便有效計算出實物的質量、重力、摩擦力等物理屬性以及完成工程需求的數(shù)學分析，可是其對復雜的、具體化、精細化的、不規(guī)則模型設計來說操作比較麻煩。曲面建模主要指的是借助定義曲面來表現(xiàn)出形狀的建模方式。這種方法比較適合用于設計復雜的、精細的、不規(guī)則化的形狀。

3D 掃描主要是利用被測物體外在出現(xiàn)的點樣本，之后借助這些點樣本去推測出被測物體的實際形狀和尺寸。絕大部分狀況下需要從多個角度、不同條件下完成多次掃描，獲取到有關的數(shù)據信息后，就需要將這些信息儲存在同一個參照體系內進行有機結合，最后得到物體完整的模型信息。在這個過程中必須將掃描獲取到原始信息進行數(shù)據預處理，再重新構建它們之間的數(shù)學關系，從而形成3D模型。

1.3 創(chuàng)建鈦合金部件的等溫模鍛

這個環(huán)節(jié)主要是通過材料的可塑性以及蠕變原理生產復雜鈦合金鍛件，這就要求模具事先預熱并確保溫度保持在750℃ ~1000℃以內；液壓機按照預先設定的值逐步施壓，壓力機的工作速度主要是由毛坯的抗變形能力來完成自動調節(jié)的。因為模具主要依靠加熱完成，所以就不需要采取速度較快的活動橫梁來避免急冷。由于鈦合金屬+ 型鈦合金的組成主要是Ti6Al4V，退火組織為+ 相，含有8% 的基礎元素鋁，利用熔合強化使相的強度獲得有效提升，因為鈦的穩(wěn)定相的能力比較低，因而其退火組織中相的存量比較少，大概只占8%~12%。鈦合金在不同的熱處理和熱加工條件下，基本相、的比例、性質和形態(tài)是很不同的。鈦合金的轉換溫度需要控制在1200 度左右，如果將鈦合金加熱至950℃，待其冷卻后所得組織視為初生+ 的轉換組織；若加熱至1100℃、空冷，就會獲得一個粗糙式的完全轉換相組織，稱之為魏氏組織。

1.4 實現(xiàn)3D打印件的無損檢測

航空鈦合金部件制造過程中出現(xiàn)的物理、化學和材料學現(xiàn)象比較復雜，其內部組織和內部承受力及變形、尺寸大小等關鍵均影響到最終成品的質量，這就需要利用3D打印，利用熱處理和靜壓、表面摩擦等后處理確保實物對質量的要求。借助激光選區(qū)熔化3D打印件的理化以及無損檢測，能夠進一步提高3D打印件的質量。

2、仿真實驗論證與分析

為保證本文設計的基于現(xiàn)代3D打印技術的航空鈦合金部件設計的有效性，與傳統(tǒng)技術進行仿真實驗論證分析。

2.1 實驗準備

為保證試驗的準確性，將兩種方法設計置于相同實驗環(huán)境下，采用同一組航空鈦合金部件樣品，分別對其進行實驗處理，對其打印效果進行比較。

2.2 結果分析

試驗過程中，通過兩種不同的設計方法同時在相同環(huán)境下工作，分析其打印效果的變化。具體效果對比圖見圖1。

通過實驗結果可知，本文提出的基于現(xiàn)代3D打印技術的航空鈦合金部件設計，其打印質量遠高于傳統(tǒng)方法，具備較高的實用性和有效性。

3、結語

本文對現(xiàn)代3D打印技術在航空鈦合金部件中的應用進行分析與設計，依托現(xiàn)代3D打印技術的優(yōu)勢，收集并提取航空鈦合金的特征，實現(xiàn)航空鈦合金部件的制造設計。實驗論證結果表明，本文設計的基于現(xiàn)代3D打印技術的航空鈦合金部件制造具備極高的有效性，希望本文的研究能夠為我國航空鈦合金部件的制造以及現(xiàn)代3D打印技術的推廣和應用提供理論依據和參考。

參考文獻：

[1] 李文剛, 謝凝. 航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術的應用研究[J]. 科技創(chuàng)新與應用,2019,34(31):159-160.

[2] 高健, 劉立彬, 賀韡, 等. 航空鈦合金零件激光選區(qū)熔化3D打印技術應用的關鍵基礎研究[J]. 航空制造技術,2018,61(Z2):87-90+95.

[3] 楊博宇, 陳俊宇, 殷鳴, 等.3D打印技術在燃氣輪機葉片快速制造中的應用進展[J]. 機械,2017,44(3):1-6.