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3D打印技术未来将引领航空制造领域发展
发表日期:2020/5/7 10:40:25 - 浏览次数:


航空发动机作为工业制造成果的集大成者,是国家制造业水平的重要标志。随着国家“十三五”战略的切实推进,我国航空发动机制造产业飞跃发展,但对低成本、短周期、质量轻、强度大等制造技术的追求越来越迫切。3D打印技术作为第三次产业革命的重要标志,为材料和结构提供了新的制造方法,为航空发动机关键技术的突破和性能指标的提高提供了更大的可能性。

 


航空3d打印
1技术简介
3D打印技术(3Dprinting)是一种快速成型技术(RP),基于数字模型的文件,采用粉末状金属或塑料等粘合材料,通过逐步打印来构建物体,大幅度缩短了产品的开发周期和加工周期,其实现的主要方法如下

 


1.1分层实体制造
分层实体制造技术(LaminatedObjectManufacturing,LOM)其工作原理如图1所示,首先供料机构将底面涂有热熔胶的箔材逐层地送至工作台的上方,然后采用CO2激光束按照计算机所设计的横截面轮廓对工作台上的箔材进行逐层切割,并剔除轮廓区外的材料,从而完成所需产品的制造。

 


1.2光固化立体成形
沿线固化立体成形技术(stereolithograpphyappartus、SLA)的工作原理如图2所示,首先在液体槽中充满液体光敏树脂,其次通过电脑命令控制激光束的扫描路径,在紫外激光束的照射作用下,液体光敏感树脂可以迅速固化成型,然后用升降台的高度调整实现层叠加成三维生物。

 


1.3熔积成形
熔融成形(FusedDepositionModeling,FDM)的工作原理如图3所示,是在高温下加热熔融各种材料,沿着计算机设计的横截面层叠,最终得到成形部件的技术。

 


1.4选择性激光烧结
选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)的工作原理如图4所示,该技术主要是控制激光束以预先设定的路径对粉末材料进行层烧结成形的技术,是从离散点层堆积到三维实体的工艺方法。

 


在航空发动机制造领域,高性能金属零件的选择性激光烧结技术是最先进的三维印刷技术。该技术从零件的数模中实现了高性能、大型、复杂的零件成形,成形零件形状复杂,节约材料的程度高,是传统的铸造和机械加工方法所不能实现的。

 


2发展现状
自3D打印技术问世以来,在大尺寸零件一体化制造、异形复杂结构零件制造、量产定制结构零件制造方面具有很大优势,在航空发动机制造领域大放异彩,目前,3D打印技术已成为欧美发达国家优先的航空发动机零件制造技术。

 


2.1国外发展现状
2013年美国霍尼韦尔公司印刷了换热器和金属托架。2014年德国西门子公司印刷燃气轮机的金属部件,将世界工业制造业首次用3D印刷制造的金属部件应用于实际的生产公司。GE公司通过长达10年的探索,不断优化喷油机的设计,将喷油机的零件数量从20个减少到1个,用3D打印实现了结构一体化,不仅改善了喷油机过热易积碳的问题,还改善了喷油机的寿命5最近,通用电气公司使用3D打印技术制造小型喷气发动机,其发动机转速达到33000r/min,并将其应用于无人机。

 


2.2国内发展现状
进入21世纪以来,以中航工业为代表的工业部门开始研究和应用3D打印技术,特别是在航空发动机复杂零件加工中开展了广泛的3D打印技术研究和产品加工。中国航空公司完成增材制造微喷气发动机。中国航空发展材料院领先的国家重点基础材料技术的提高和产业化项目“超细3D印刷有色/高熔点金属球状粉末制造技术”已经启动。迄今为止,中国航空发电和其他国内科研机构对涡轮机空冷叶片、燃料模块、壳体、块、喷嘴、整体叶盘、整体导轨、壳体、叶栅等部件开展了探索研究,取得了积极进展。

 


3前景分析
3D打印技术可以将计算机中的三维设计自动、快速、直接、准确地转换为实物模型,从开发阶段到外场服务,甚至战时打印备件,其技术优点都广泛应用于航空引擎的全寿命过程中。

 


3.1设计研制阶段
沿航空发动机本身是试制制品,在设计阶段,制品的技术状态还没有固化,技术状态大,各种零部件的样品频繁生产,传统每次改良都需要修改模具,不仅增加制造成本,生产周期长,延长设计进程,而且中国航空发动机的设计和生产分离,信息传递落后,设计和生产分离3D打印技术集设计、制造、维护过程于一体,实现了“设计是生产”的美好愿景,大大缩小了“开发”到“定型”的时间差,3D打印是从点到线、从线到面、从面到体的加工过程,因此没有空间和时间的边界,设计变量多,组合复杂由于这些参数及其结果可以反复跟踪,有效利用大数据和云的积累和深入学习,通过云管理在线监测、决定和控制全球所有增材制造设备,最终使航空发动机的开发科学化,加快了装备的更新周期。

 


3.2生产制造阶段
一是提升强度、减轻重量,提高发动机整体性能。
重量比是航空发动机的重要参数指标,减重是航空发动机制造的重要目标。目前,航空发动机单元通过螺栓和其他接口连接部件和单元,采用3D打印一体成型,材料强度减少,部件数量减少,发动机重量减少,以PW1500G发动机为例,3D打印技术生产的试验部件比现有技术生产的部件轻50%发动机整体重量减少,能产生更高的加速度,有效增加里程,扩大作业半径,降低飞行成本。

 


二是降低成本、缩短周期,提升发动机生产效率。
航空发动机使用的钛合金和镍基高温合金等金属材料价格昂贵些材料甚至是稀缺的战略材料。采用传统的加工制造方法,材料使用率较低,一般不大于10%。以某发动机整个叶片为例,传统的制造工艺与雕刻工艺相似,材料利用率仅为7%,这意味着93%的原费,制造成本高,加工时间长。并且,利用3D打印技术直接打印的叶盘在材料利用率提高到80%以上的同时,制造时间也只不过是以往制造的1/20,能够大幅度缩短发动机的生产周期,提高发动机的交货效率。详见表1所示:

 


表1航空盘形零件采用3D打印技术与传统制造方式的对比
三是减少环节、降低要求,提升发动机产品质量
航空发动机各部件千上万,组装需要百道工序,生产和安装对工人的生产技能要求很高。如果组装不合理,零件会产生应力,或者间隙过大,会因发动机漏气而导致性能不良,或者连接不稳定,发动机会发生振动故障。某型发动机故障统计显示,组装原因引起的故障约占10%,组装工人水平的高低直接影响发动机整体质量的好坏。采用3D印花的零件一体成型,降低工人技能要求,减少部分组装环节,避免人工错误的影响,结构间的稳定性和连接强度高于焊接

 


 

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