金屬增材制造工藝制訂與實施 課件 項目四 打印航空葉輪 任務(wù)一

項目四打印航空葉輪THREEDIMENSIONALPRINTINGSLM:Selectivelasermelting（選擇性激光熔化）是利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化、快速凝固的一種技術(shù)。《金屬增材制造工藝制訂與實施》教材課件任務(wù)一項目獲取與分析項目學(xué)習(xí)目標(biāo)YOURLOGOLearningObjectives1.了解金屬3D打印當(dāng)前在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀；2.理解航空葉輪輕量化的概念與意義；3.掌握SLM金屬增材制造航空葉輪的工藝特點及注意要點；4.能應(yīng)用切片軟件，合理選擇加工參數(shù)，完成打印程序；5.能夠操作金屬打印機完成本項目制件的打印工作；6.能夠完成本項目制件相關(guān)后序處理。35※項目情境：某航空企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品，計劃采用金屬增材打印工藝完成輕量化葉輪的制作。葉輪模型設(shè)計好以后，交由校企合作的增材制造技術(shù)應(yīng)用工作站進行樣品模型打印。工作站研發(fā)團隊需要對該模型進行輕量化內(nèi)部晶格設(shè)計，然后完成切片打印，并清理出制件內(nèi)部粉末。該產(chǎn)品數(shù)量為兩件，材料為高溫合金。

工作站研發(fā)團隊接到任務(wù)以后，通過任務(wù)單了解并分析客戶需求，根據(jù)客戶提供的3D模型進行輕量化設(shè)計，然后選擇加工方法、材料、設(shè)備等，制定打印工藝，完成打印及后處理，交付質(zhì)檢部驗收確認，并填寫設(shè)備使用情況和維護記錄。任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)STATUSOFINDUSTRYDEVELOPMENTYOURLOGO任務(wù)一

項目獲取與分析?任務(wù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1.了解金屬3D打印當(dāng)前在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀；

2.理解輕量化設(shè)計的概念與其在航空航天制造領(lǐng)域的意義；

3.掌握SLM增材制造航空葉輪的工藝與應(yīng)用。任務(wù)一項目獲取與分析【任務(wù)工單】產(chǎn)品名稱航空壓縮機編號

時間5天序號零件名稱規(guī)格材料數(shù)量/套生產(chǎn)要求1航空葉輪D200*100GH416921.增材加工成型部分及基體；2.減材加工配合固定部分；3.成型表面部分隨模具型腔一體處理。2

備注

接單日期生產(chǎn)部經(jīng)理意見（同意生產(chǎn)）完成日期：表4-1-1任務(wù)工單任務(wù)一項目獲取與分析請參見圖4-1-1，了解“航空葉輪”零件的最終效果：圖4-1-1零件效果圖任務(wù)一項目獲取與分析【項目分析】一、圖樣分析下圖為“航空葉輪”的零件圖（圖4-1-2），現(xiàn)做如下分析：圖4-1-2航空葉輪零件圖紙任務(wù)一項目獲取與分析1.整體分析

本產(chǎn)品為航空用壓縮機上的葉輪，該葉輪形體尺寸中等，呈放射狀葉片分布，內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)可以減少質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，相較于傳統(tǒng)減材加工工藝更適合采用增材制造方法。晶格結(jié)構(gòu)須運用切片軟件3DXpert來設(shè)計生成，保持壁厚4mm左右即可。晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)部會封閉大量金屬打印粉末，可通過后序底面鉆孔形成出粉孔來進行清理。其它軸孔等精加工部位及表面處理交由客戶企業(yè)機械制造部完成。2.尺寸分析

該零件最大成型尺寸為160mm，最薄壁厚為2mm。軸孔等精加工部位由減材加工工藝完成，因此打印時相應(yīng)部分要留有0.2mm的精加工加工余量。高度方向要在大端面部位留有0.5mm以上的精加工余量。直徑方向，即零件外圍尺寸保留增材制造自然成型精度即可。3.表面質(zhì)量

本制品外表面要進行強化熱處理及相關(guān)的拋光處理，相關(guān)工藝內(nèi)容由企業(yè)客戶自主完成。任務(wù)一項目獲取與分析二、相關(guān)知識1.增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，歐美發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展和推動增材制造技術(shù)的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，增材制造技術(shù)已受到政府、研究機構(gòu)、企業(yè)和媒體的廣泛關(guān)注。早在2012年3月，美國白宮宣布了振興美國制造的新舉措，將投資10億美元幫助美國制造體系的改革。

其他一些發(fā)達國家也在積極推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應(yīng)用。澳大利亞政府啟動了“微型發(fā)動機增材制造技術(shù)”項目，旨在使用增材制造技術(shù)制造航空航天領(lǐng)域微型發(fā)動機零部件。日本政府也很重視增材制造技術(shù)的發(fā)展，通過優(yōu)惠政策和大量資金鼓勵產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，有力促進該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

之所以會產(chǎn)生這一熱潮，是因為金屬3D打印增材制造技術(shù)對航空航天領(lǐng)域帶來的效益是廣泛的。任務(wù)一項目獲取與分析第一，加速新型航空航天器的研發(fā)。金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)擺脫了模具制造這一顯著延長研發(fā)時間的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，兼顧高精度、高性能、高柔性，可以快速制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零件，為先進航空航天器的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。第二，顯著減輕結(jié)構(gòu)重量。減輕結(jié)構(gòu)重量是航空航天器最重要的技術(shù)需求，傳統(tǒng)制造技術(shù)已經(jīng)被發(fā)揮到接近極限，難以再有更大的作為。而金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計來顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量。任務(wù)一項目獲取與分析第三，顯著節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略金屬材料。航空航天器由于對高性能的需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但很多零件的材料利用率非常低，一般低10%，有時甚至于僅為2%-5%。大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑，同時伴隨著極大的機械加工量。作為一種高性能近凈成型技術(shù)，金屬3D打印技術(shù)可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60%-95%，同時也就顯著減少了機械加工量。第四，制造一些過去無法實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)，包括：拓撲優(yōu)化最合理的應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)；通過最合理的復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最理想的溫度控制手段；通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料分布實現(xiàn)振動頻率特征的調(diào)控，避免危險的共振效應(yīng)；通過多材料任意復(fù)合實現(xiàn)一個零件的不同部位分別滿足不同的技術(shù)需求等。任務(wù)一項目獲取與分析第五，通過激光組合制造技術(shù)改造提升傳統(tǒng)制造技術(shù)，使鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)手段更好地發(fā)揮作用。激光立體成型技術(shù)可以實現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結(jié)合，從而可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的零件上任意添加精細結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。這就可以把增材制造技術(shù)成型復(fù)雜精細結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術(shù)高效率、低成本的優(yōu)勢結(jié)合起來，形成最佳的制造策略。任務(wù)一項目獲取與分析我國在“中國制造2025”規(guī)劃背景下，3D打印成為推動智能制造的主線，航空航天是增材制造重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等是航天獨有的產(chǎn)品特點，輕量化、低成本、快速研制的迫切需求與3D打印成型自由度高且快等特點高度契合。2021年5月15日，中國首枚火星探測器“天問”一號成功著陸。在天問一號探測器的著陸巡視器和環(huán)繞器的推進分系統(tǒng)內(nèi)，作為著陸巡視器主發(fā)動機的7500N變推力發(fā)動機在制造過程中因3D打印技術(shù)的使用取得了重要效益：重量和體積只有以前發(fā)動機的三分之一，結(jié)構(gòu)也更加優(yōu)化、緊湊。任務(wù)一項目獲取與分析2.增材制造技術(shù)在航空航天制造領(lǐng)域應(yīng)用的意義

大型現(xiàn)代飛機發(fā)動機通常由數(shù)以萬計的部件組成，雖然并非所有部件都可以通過3D打印技術(shù)制造，但除了核心渦輪和壓氣機葉片之外的許多部件都可以合理地使用該技術(shù)，以下是在航空航天應(yīng)用中使用增材制造的典型意義：

（1）可構(gòu)建具有復(fù)雜幾何形狀的零件。

從直升機零件到渦輪發(fā)動機，航空航天部件有時需要在非常狹窄的空間中使用高度復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。設(shè)計工程師可以使用“自上而下的整體裝配式設(shè)計”來創(chuàng)建整個結(jié)構(gòu)的3D模型，而不是單獨創(chuàng)建小而復(fù)雜的零件。

（2）可實現(xiàn)更高效的原型設(shè)計。

無需設(shè)計模具和外包生產(chǎn)，航空航天工程師只需使用傳統(tǒng)制造方法所需的一小部分時間即可設(shè)計和打印原型。憑借更快地創(chuàng)建和測試原型的能力，航空航天公司可以加快上市時間并在競爭中保持領(lǐng)先地位。任務(wù)一項目獲取與分析

（3）可開展經(jīng)濟高效的生產(chǎn)。

對于傳統(tǒng)制造，許多航空航天應(yīng)用的材料浪費可高達98%。而增材制造是增加材料而不是減少材料，因此可以大大減少材料浪費，幫助制造商節(jié)省生產(chǎn)成本。

（4）可增加零件的剛度強度。

每次將較小的部件組裝成更大部件時，都會降低整體的結(jié)構(gòu)剛性。通過增材制造，設(shè)計工程師可以創(chuàng)建整個零件，包括空心中心和內(nèi)部組件，而沒有脆弱易損的接頭。

（5）可創(chuàng)建輕量級組件。

燃料是航空航天工業(yè)中成本最高的一項。減少燃料消耗的最好方法是制造更輕的零件。無需連接螺栓和螺釘?shù)炔考?，增材制造工藝可以將車架重量減少25%，同時提高結(jié)構(gòu)剛性。

（6）減少存儲需求

由于增材制造過程快速高效，與必須通過標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)鏈訂購相比，航空航天制造商可以在內(nèi)部自行生產(chǎn)組件，這減少了手頭備件或維護大量存儲設(shè)施的需要。任務(wù)一項目獲取與分析3.輕量化設(shè)計主要概念

航天產(chǎn)品是“克克黃金”，每減重一公斤，就能節(jié)約幾十萬元的費用。如果結(jié)構(gòu)材料能輕一些，不僅可以降低成本，還能搭載更多的載荷，進行更多的空間試驗。比如帶攝像機上去，就能使其具有更好的視覺、通信能力等等。在這種背景下，3D打印拓撲結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)等輕量化結(jié)構(gòu)，就特別有利于衛(wèi)星的輕量化設(shè)計，使它的功能密度更高。

中國空間技術(shù)研究院、南京航空航天大學(xué)以及北京理工大學(xué)方岱寧院士團隊合作開展了考慮增材制造幾何約束的自支撐晶格單元創(chuàng)新設(shè)計策略研究，相關(guān)成果成功用于我國多個新型超輕航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造。2019年，研制了國際首個增材制造全三維點陣整星結(jié)構(gòu)，并隨千乘一號衛(wèi)星成功發(fā)射；2019年，將拓撲優(yōu)化方法與細觀點陣填充相結(jié)合，完成了中巴地球資源04A衛(wèi)星、資源三號03衛(wèi)星等航天器的關(guān)鍵設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與研制，實現(xiàn)了在多個型號航天器中的在軌應(yīng)用；2020年，研制了基于增材制造三維點陣的相變儲能裝置結(jié)構(gòu)，隨天問一號火星探測器成功發(fā)射。同年，我國新一代載人飛船實驗船成功驗證，試驗船搭載了星馳恒動公司研制的60余件金屬3D打印產(chǎn)品，涉及三維點陣類輕質(zhì)材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。除此之外，月球及火星深空探測器的相變熱控制器以及集熱器框架也由薄壁和晶格填充結(jié)構(gòu)組成。任務(wù)一項目獲取與分析封閉蒙皮包裹三維點陣的結(jié)構(gòu)形式可以有效提高支架類結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率，在航天器結(jié)構(gòu)輕量化方面具有推廣應(yīng)用前景（參見圖4-1-3）。圖4-1-3封閉蒙皮包裹三維點陣結(jié)構(gòu)類型任務(wù)一項目獲取與分析超輕型金屬晶格結(jié)構(gòu)解決了深空探測器復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，實現(xiàn)了極其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能集成。這種外部蒙皮+內(nèi)部三維點陣、變密度、內(nèi)部含有流道等特殊復(fù)雜的構(gòu)型，在突破瓶頸、減重/提升性能、縮短周期、降低成本等方面產(chǎn)生了較大的綜合效益。晶格結(jié)構(gòu)屬于典型的輕量化設(shè)計手段之一，因此也引起了渦輪機械領(lǐng)域的興趣。研究表明，在壓縮機葉輪上應(yīng)用內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)可以減少質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。使用3D打印技術(shù)制造的內(nèi)部包含晶格結(jié)構(gòu)的葉輪（參見圖4-1-4），可以通過減少打印過程中積累的殘余應(yīng)力來提高葉輪的性能。圖4-1-4內(nèi)部包含晶格結(jié)構(gòu)的葉輪任務(wù)一項目獲取與分析4.實現(xiàn)輕量化的四種典型途徑。（1）中空夾層、薄壁加筋結(jié)構(gòu)。

銅合金尾噴管的內(nèi)外壁之間設(shè)計了50條隨形冷卻流道，增大冷卻接觸表面積，降低溫度達到快速冷卻的效果，有效提高了零件的工作溫度。

中空夾層、薄壁加筋結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子組合而成。在彎曲荷載下，面層材料主要承擔(dān)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯材主要承擔(dān)剪切應(yīng)力，也承擔(dān)部分壓應(yīng)力。夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩(wěn)能力強、耐疲勞、吸音與隔熱等優(yōu)點。

在航空、風(fēng)力發(fā)電機葉片、體育運動器材、船舶制造、列車機車等領(lǐng)域，大量使用夾層結(jié)構(gòu)，減輕重量。（2）鏤空點陣結(jié)構(gòu)。

鏤空點陣結(jié)構(gòu)可以達到工程強度、韌性、耐久性、靜力學(xué)、動力學(xué)性能以及制造費用的完美平衡。

三維鏤空結(jié)構(gòu)具有高度的空間對稱性，可將外部載荷均勻分解，在實現(xiàn)減重的同時保證承載能力。除了工程學(xué)方面的需求，鏤空點陣結(jié)構(gòu)間具有空間孔隙（孔隙大小可調(diào)），在植入物的應(yīng)用方面，可以便于人體肌體（組織）與植入體的組織融合。

鏤空點陣單元設(shè)計有很高的的靈活性，根據(jù)使用的環(huán)境，可以設(shè)計具有不同形狀、尺寸、孔隙率的點陣單元。在構(gòu)件強度要求高的區(qū)域，將點陣單元密度調(diào)整的大一些，并選擇結(jié)構(gòu)強度高的鏤空點陣單元；在構(gòu)件減重需求高的區(qū)域，添加輕量化幅度大的鏤空點陣結(jié)構(gòu)，鏤空結(jié)構(gòu)不僅可以規(guī)則排列，也可以隨機分布以便形成不規(guī)則的孔隙。另外，鏤空結(jié)構(gòu)還可以呈現(xiàn)變密度、厚度的梯度過渡排列，以適應(yīng)構(gòu)件整體的梯度強度要求。任務(wù)一項目獲取與分析（3）一體化結(jié)構(gòu)。一體化結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也為企業(yè)提升生產(chǎn)效益打開了可行性空間。這方面典型的案例是GE通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個減少到一個。通過3D打印將結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍,并且將提高LEAP發(fā)動機的性能（參見圖4-1-5）。圖4-1-5GE金屬打印噴油嘴任務(wù)一項目獲取與分析（4）拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化展示件（如圖4-1-6）根據(jù)引用要求邊界條件，進行拓撲優(yōu)化處理及打印光順處理，實現(xiàn)了可打印性，最終減重了75%。拓撲優(yōu)化是縮短設(shè)計過程的重要手段，通過拓撲優(yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。這實際是對原始零件進行了材料的再分配，往往能實現(xiàn)基于減重要求的功能最優(yōu)化。拓撲優(yōu)化后的異形結(jié)構(gòu)經(jīng)仿真分析完成最終的建模，這些設(shè)計往往無法通過傳統(tǒng)加工方式加工，而通過金屬3D打印則可以實現(xiàn)。圖4-1-6拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)件任務(wù)一項目獲取與分析5.高溫合金材料介紹

高溫合金是在600-1200℃高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金，最常用的是鈷基高溫合金。

高溫合金按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。按強化方式有固溶強化型、沉淀強化型、氧化物彌散強化型和纖維強化型等。高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業(yè)用燃氣輪機的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆、石油化工設(shè)備以及煤的轉(zhuǎn)化等能源轉(zhuǎn)換裝置。

變形高溫合金牌號，采用．“GH”字母組合作前綴(“G”、“H”分別為“高”、“合”漢語拼音的首位字母)，后接四位阿拉伯?dāng)?shù)字?！癎H”符號后第一位數(shù)字表示分類號，即：1——表示固溶強化型鐵基合金；2——表示時效硬化型鐵基合金；3——表示固溶強化型鎳基合金；4——表示時效硬化型鎳基合金；5——表示固溶強化型鈷基合金；6——表示時效硬化型鈷基合金。

本項目采用的高溫合金是GH4169是一種國產(chǎn)最常用的沉淀強化鎳基高溫合金，在-253～650℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件.任務(wù)一項目獲取與分析三、現(xiàn)場條件分析打印工藝類型SLM激光融化工藝打印材料類型高溫合金GH5188打印機品牌型號YLM-328材料規(guī)格粉末粒度15~53μm設(shè)備最大打印尺寸D200*85后序處理去應(yīng)力退火、線割切片軟件3DXpert表面處理類型表面噴砂處理表4-1-2現(xiàn)場條件分析表任務(wù)一項目獲取與分析【工藝方案制定】一、工藝路線分析

客戶提供的葉輪模型數(shù)據(jù)只是最終產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，缺乏增材或減材工藝余量方面的考量。此外模型在傳輸或轉(zhuǎn)換過程中可能也會產(chǎn)生數(shù)據(jù)缺損、失真等情況，因此首先必須對模型數(shù)據(jù)進行檢查分析，對于模型數(shù)據(jù)破損失真的部位進行修復(fù)，對于需要后期減材加工的部位要適當(dāng)留取余量。模型數(shù)據(jù)修正后，就可以導(dǎo)入切片工藝軟件內(nèi)進行打印工藝設(shè)計及參數(shù)設(shè)置，最終后置完成切片編程。

將后置出來的程序傳輸?shù)酱蛴≡O(shè)備，然后執(zhí)行金屬增材打印。完成后一體取下工件和打印基板，清粉后整體進行去應(yīng)力退火。

航空葉輪打印完成后，根據(jù)客戶需求，后序處理包括線切割取件，以及表面清粉和內(nèi)部清粉。因此只需要在其大端面加工出粉孔，清理出內(nèi)部晶格粉末即可。最后再適當(dāng)噴砂處理，獲取最終合格產(chǎn)品。工藝路線可參見圖4-1-7所示。圖4-1-7工藝路線圖任務(wù)一項目獲取與分析二、制定工藝方案（見表4-1-3）表4-1-3工藝過程卡班級：工藝過程卡片產(chǎn)品型號

零件圖號

產(chǎn)品名稱航空壓縮機零件名稱航空葉輪加工數(shù)2材料牌號GH5188材料形態(tài)粉末制件體積

預(yù)估用時

預(yù)估耗材（克）

工序號工序名稱工序內(nèi)容車間工段設(shè)備工藝裝備工時準(zhǔn)終單件01模型分析檢查模型尺寸，檢查模型數(shù)據(jù)是否有破損微機室

計算機NX軟件

分析圖紙，對需要減材加工部位進行余量設(shè)置微機室

計算機NX軟件

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換微機室

計算機NX軟件

02切片編程模型調(diào)入切片軟件微機室

計算機3D-Xpert軟件

調(diào)整模型擺放微機室

計算機3D-Xpert軟件

對模型進行支撐設(shè)置微機室

計算機3D-Xpert軟件

任務(wù)一項目獲取與分析

設(shè)置激光掃描策略和