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中國航發(fā)商發(fā)石磊:航空航天領(lǐng)域增材制造

3D打印盲盒直播
2018
07/29
21:04
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中國航發(fā)商發(fā)石磊博士進行主題演講。

    石磊:各位專家,、各位領(lǐng)導(dǎo),,下午好!
    本次匯報有四方面內(nèi)容,,前面主要介紹一下增材制造分類,、優(yōu)勢以及在航空航天領(lǐng)域的一些應(yīng)用,第三部分介紹一下行發(fā)公司在增材制造領(lǐng)域應(yīng)用實踐,,第四部分是指出增材制造現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢的預(yù)測,。
    第一部分內(nèi)容,增材制造技術(shù)的分類和技術(shù)特點,。增材制造技術(shù)大致分為兩類,,一個是粉末床式,,例如激光或者電子束,,以及非金屬的激光燒結(jié),這種技術(shù)可以成形一些復(fù)雜構(gòu)件,,成形精度比較高,,表面質(zhì)量比較好,特別是對于電子束熔化技術(shù),,它處于真空環(huán)境,,而且可以預(yù)設(shè)很高的溫度,對于一些難熔的材料,,比如對于鈦鋁合化合物成形非常有利,。
    第二類主要是以送粉和送絲式,,可以成形大型構(gòu)件,工藝流程短,,成本低,。
    增材制造的優(yōu)勢體現(xiàn)在四個方面:首先是快速原型認證,縮短研制周期,。第二是提升設(shè)計自由度,,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和可靠性。第三是降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件制造成本,。第四針對一些損傷零件可以進行修復(fù),,降低成本。
    根據(jù)各種工藝特點可以對各種技術(shù)進行梳理,,可以實現(xiàn)制造,、修復(fù)等需求。現(xiàn)在針對航空產(chǎn)品有一個非常重要的理念,,就是全生命周期管理,,從產(chǎn)品的設(shè)計開始就要考慮產(chǎn)品的功能性、裝配性,、制造性,、維修性等等方面。而增材制造技術(shù)可以提高設(shè)計自由度,,同時可以指導(dǎo)修復(fù)等特點,。非常貼切這個產(chǎn)品全生命周期理念,意味著在航空領(lǐng)域有非常大的應(yīng)用前景,。
    第二部分內(nèi)容,,航空航天領(lǐng)域增材制造案例。
    首先在航空發(fā)動機領(lǐng)域,,標(biāo)桿企業(yè)GE公司開始了增材制造技術(shù)研究,,2000年啟動了增材制造燃油噴嘴項目,06年完成了一些原型認證工作,,包括完成了首臺測試發(fā)動機測試等等,。通過增材制造技術(shù)燃油噴嘴由20個零件減少到1個零件,減重25%,,同時相對焊接薄弱環(huán)節(jié)也避免了,,提升了壽命。目前已經(jīng)批量化生產(chǎn),,帶來了非常大的經(jīng)濟效益,,GE公司也做了EBSM渦輪葉片,減重效果非常明顯,。最近在微信公眾號里面有一篇非�,;鸬奈恼拢翰患訙厝绾蝺赡晖瓿墒甑墓ぷ髁�,,就是介紹了GE公司通過增材制造技術(shù)用兩年時間了完成了原本應(yīng)該十年才完成的設(shè)計與研發(fā)工作,通過增材制造技術(shù)重新設(shè)計以后,,把855個零件縮減為12個,,并且發(fā)動機重量降低,油耗也減少,,功率提高,。
    從這個例子可以看出,如果從發(fā)動機全局角度考慮,,采用增材制造技術(shù)設(shè)計和制造,,可以提高產(chǎn)品的綜合性能。
    對于RR公司也非常關(guān)注這種技術(shù),,較早采用這種技術(shù)修復(fù)葉片及葉盤修復(fù),。對MTU公司采用了選區(qū)技術(shù),設(shè)計了成形孔儀附件,�,?諝す驹陲w機上面也進行了大量的增材制造應(yīng)用,值得注意的是,,空殼公司已經(jīng)完成了鈦合金制造工藝的認證,,也表明了這種工藝可靠性非常高。
    在航天領(lǐng)域也有非常多的應(yīng)用,,一些火箭發(fā)動機的噴嘴也進行了增材制造,,傳統(tǒng)的工藝很復(fù)雜,采用增材制造可以實現(xiàn)一體化成形,,并且減少一些裝配關(guān)系,,同時對以前焊接薄弱環(huán)節(jié)也能夠避免,顯著提高這個零件的內(nèi)疚性,。
    在非金屬方面,,增材制造也有一定的優(yōu)勢。比如Bell公司成形了直升機部件,,商發(fā)公司成形了氣動試驗件,,可以快速響應(yīng)設(shè)計的需求。
    第三部分,,介紹一下商發(fā)公司在增材制造方面的應(yīng)用實踐,。(南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。)
    商發(fā)公司在增材制造團隊成立之初,,就形成設(shè)計為牽引、工藝為核心人才隊伍,,包含了設(shè)計,、工藝,、理化檢驗、試驗等部門的人員,。通過這個團隊可以非常有效的從設(shè)計新產(chǎn)品迭代驗證,。最近中國行發(fā)集團準(zhǔn)備建立增材制造工程技術(shù)中心,將會承擔(dān)增材制造工藝和市場認證兩個方向,,屆時人才隊伍將進一步完善和規(guī)模進一步擴大,。
    在應(yīng)用方面,商發(fā)公司增材制造成立之初選擇了燃油噴嘴,,為什么選擇燃油噴嘴,?通過現(xiàn)有的制造工藝非常難加工,而且加工后可靠性也不高,。我們從14年開始進行了一些技術(shù)工藝研究,,現(xiàn)在初步進入了工程化階段,我們完成了五種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,,并且進行了打印和驗證,,目前基本上完成了零件級的考核。
    在2017年下半年商發(fā)公司進行了多輪次核心機實驗,,現(xiàn)在可以達到100%轉(zhuǎn)速,,這也是發(fā)動機噴嘴中里程碑節(jié)點,我們基本摸清了它的性能和相互之間的關(guān)系,,驗證了一些新技術(shù),,特別是商發(fā)公司設(shè)計的驗證機現(xiàn)在也可以達到國際一流水平,也為今后進一步優(yōu)化提供了大量的支撐,。
    如果從發(fā)動機全局角度進行增材制造的設(shè)計和制造,,可以實現(xiàn)性能大幅提升,商發(fā)公司也進行了嘗試,,以目前市面上比較成熟的10公斤的渦噴發(fā)動機為對象,,進行了一些增材制造的設(shè)計和制造工作。經(jīng)過兩輪次迭代,,零件數(shù)量從25個減少至18個,,并且實現(xiàn)全金屬的增材制造。
    在送粉工藝方面,,商發(fā)也做了大量工作,,主要對TC4合金進行了工藝實驗以及性能測試,基本上可以達到鍛件要求,。
    裝配模擬件,,商發(fā)公司有大量的裝配任務(wù),但是為了避免粗錯,我們先打印成裝配模擬件,,一方面可以提高熟練度,,另外也避免裝配過程中的干涉問題。
    經(jīng)過近4年的發(fā)展,,商發(fā)公司在增材制造方面初步實現(xiàn)了一些精度控制,,針對不同的幾何結(jié)構(gòu)特征,開發(fā)適宜的成形策略及支撐設(shè)計方案等方面進行了優(yōu)化特征,。
    原材料以及成形過程控制是保證產(chǎn)品非常重要的兩個必要條件,,通過一些數(shù)據(jù)積累,我們制訂了一些原材料方面的標(biāo)準(zhǔn),,對原材料的粉末特性,,比如空心粉等等進行了詳細的要求,也制訂了相應(yīng)的制件標(biāo)準(zhǔn),,明確了一些工藝窗口,,對整個過程要嚴(yán)格把控,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量,。
    發(fā)表了一些增材方面的論文和專利,,比如《一種粉末清理裝置》、《一種光固化增材制造樹脂制件的表面防護工藝》等等,,進行了模擬工藝實驗,,建立了相關(guān)的專利。
    (PPT圖示)已經(jīng)公認增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域有非常大的應(yīng)用前景,,這張圖是GE公司梳理的發(fā)動機里面可以進行增材制造的構(gòu)件,。商發(fā)公司非常重視這種技術(shù),也把這種技術(shù)視為發(fā)動機研制晚道超車的一個關(guān)鍵技術(shù),。非常希望聯(lián)合一些力量,,來共同完成增材制造工程化的應(yīng)用,今年商發(fā)公司牽頭聯(lián)合了國內(nèi)15家單位,,包含了設(shè)計組,、主機廠、粉末制造廠以及服務(wù)工程商等等,,共同申報了2018年科技部增材制造與激光制造重點專項,,準(zhǔn)備從設(shè)計、原材料,、成形修復(fù),、檢測以及考核全環(huán)節(jié)出發(fā),并且從零件,、組件以及單體,、整機角度進行增材制造支撐大涵道比、小涵道比等全流程應(yīng)用。
    第四部分內(nèi)容是增材制造面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展趨勢,。
    挑戰(zhàn)方面,,當(dāng)然在設(shè)計領(lǐng)域,,缺乏基于增材制造工藝的設(shè)計準(zhǔn)則,,增材制造數(shù)據(jù)不充分,缺少一體化考核方法,。成形方面涉及的物理冶金過程認識不足,,增材制造工藝過程仿真技術(shù)不成熟,復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件尺寸精度控制工藝不成熟,,組織和力學(xué)性能均勻性控制不成熟,,工藝過程監(jiān)控及質(zhì)量保證體系不完善。
    在后處理和檢測方面,,首先增材制造有一個難題就是結(jié)構(gòu)如何光整,,目前相匹配的工藝手段非常有限。再一個是增材制造對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的尺寸測量現(xiàn)在方法不完善,,另外是標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)庫缺乏,。
    發(fā)展趨勢,我們認為有四個方面,。首先單一材料向復(fù)合材料方向發(fā)展,,納米材料、碳纖維材料等與現(xiàn)有材料復(fù)合,,實現(xiàn)材料多功能性,。第二是多工藝增材制造成為重要方向。通過與機器人,、數(shù)控機床,、鍛鑄等多工藝技術(shù)集成實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的增材制造。第三是裝備成形尺寸更大,、精度更高,、更智能。現(xiàn)在裝備成形尺寸已經(jīng)步入米級時代,;成形精度已達到微米級,,未來將向納米級成形精度發(fā)展;傳感器,、微處理器,、數(shù)據(jù)存儲等裝置等智能部件融入增材制造裝備,以實現(xiàn)增材制造實施監(jiān)控以及反復(fù)降解,。第四是融合式創(chuàng)新重塑增材制造新模式,,通過結(jié)合減材制造、智能制造、云制造等等,,實現(xiàn)增材制造智能工廠,。


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