1、減材制造與增材制造,1,2,航空制造業(yè)特點(diǎn),航空增材制造分析,目錄,1,航空制造業(yè)特點(diǎn),1.0,引言,對(duì)于一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)，航空航天工業(yè)是制造業(yè)最為重要的組成部分之一，也是科技含量最高的制造領(lǐng)域之一，體現(xiàn)了國(guó)防科技工業(yè)現(xiàn)代化水平和國(guó)家現(xiàn)代制造業(yè)實(shí)力，在國(guó)防現(xiàn)代化和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著舉足輕重的作用。 為了對(duì)所加工零件有更深入的了解，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行分析。,航空制造業(yè)總體特點(diǎn),帶筋件的分析,自由曲面,構(gòu)件特點(diǎn),1.1,航空制造業(yè)總體特點(diǎn),大量采用自由曲面形式,1,6,從形式的角度，為了到良好的氣動(dòng)性能，結(jié)構(gòu)上大量采用自由曲面形式，其準(zhǔn)確成型難度較大。 我們?cè)阝k金車間參觀了部分軍機(jī)的鈑金復(fù)雜曲面的成型過(guò)程,2

2、.1,航空制造業(yè)總體特點(diǎn),較多形成各種復(fù)雜型腔,2,6,某型戰(zhàn)斗機(jī)構(gòu)件型腔圖,從外觀的角度，為了減輕結(jié)構(gòu)重量并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能，在飛行器構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其直接結(jié)果就是往往需要在結(jié)構(gòu)上形成各種復(fù)雜型腔，其中型腔靠近外形的槽腔常為直紋曲面，而且具有復(fù)雜的槽腔、筋條、凸臺(tái)和減輕孔等特征。 我們?cè)跀?shù)控加工車間參觀了我國(guó)某大型運(yùn)輸機(jī)的翼肋成型及殲擊機(jī)的機(jī)翼構(gòu)件成型過(guò)程。,2.1,航空制造業(yè)總體特點(diǎn),大量采用整體構(gòu)件,3,6,隨著航空制造工業(yè)的快速發(fā)展，由于現(xiàn)代飛機(jī)性能要求和設(shè)計(jì)水平不斷提高，為了進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)效率，大型航空整體結(jié)構(gòu)件逐漸替代了傳統(tǒng)的螺栓連接和鉚接的飛機(jī)組合件，且使用整體制造水平的

3、普遍提升，使得整體結(jié)構(gòu)件成為廣泛采用的主要承力構(gòu)件。 相對(duì)于傳統(tǒng)拼接的結(jié)構(gòu)，它不但可減少零件數(shù)目，降低結(jié)構(gòu)重量，而且接縫少，密封性好，裝配簡(jiǎn)單，使飛機(jī)等的結(jié)構(gòu)效率和可靠性成倍甚至數(shù)十倍地提高。,2.1,航空制造業(yè)總體特點(diǎn),制造過(guò)程中材料去除率大,4,6,為了降低飛機(jī)等飛行器的自身結(jié)構(gòu)重量，增大攜帶負(fù)載的能力和實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的飛行距離，飛行器制造過(guò)程中其航空整體結(jié)構(gòu)件由整塊大型毛坯直接“掏空”加工而成，其通常去除量能達(dá)到70%，加工周期長(zhǎng)。 美國(guó)的F-22飛機(jī)中尺寸最大的Ti6Al4V鈦合金整體加強(qiáng)框，所需毛坯模鍛件重達(dá) 2796千克， 而實(shí)際成形零件重量不足144千克， 材料的利用率不到4. 90%

4、。,2.1,航空制造業(yè)總體特點(diǎn),加工變形問(wèn)題嚴(yán)重,5,6,從加工產(chǎn)品的良品率的角度，飛行器上的結(jié)構(gòu)件往往由于其設(shè)計(jì)水平較高而加工變形問(wèn)題嚴(yán)重，影響加工效率，而當(dāng)面臨如尺寸大、材料去除率高、剛性差等特點(diǎn)時(shí)，這些問(wèn)題更更加凸顯，當(dāng)工件從夾具上取下后，往往產(chǎn)生彎曲、扭曲、彎扭組合等加工變形，使零件難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于不同飛機(jī)結(jié)構(gòu)件采用不同材料毛坯和不同加工方式，它們產(chǎn)生變形的方式與程度也不盡相同。 我國(guó)中航工業(yè)集團(tuán)民用飛機(jī)轉(zhuǎn)包合作生產(chǎn)中，飛機(jī)座艙前、后側(cè)骨架數(shù)控加工后會(huì)發(fā)生彎曲變形整體梁、接頭等加工后出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。,2.1,航空制造業(yè)總體特點(diǎn),性能要求較高,6,6,加工精度 形位精度 重量控

5、制 使用壽命,2.2,鋁合金的在飛行器上的應(yīng)用,近年來(lái)，隨著航空材料的快速發(fā)展，鈦合金、鋁合金和復(fù)合材料成為航空整體結(jié)構(gòu)件的主要結(jié)構(gòu)材料，且在戰(zhàn)斗機(jī)等高機(jī)動(dòng)性飛行器中所占比重越來(lái)越大，但是航空鋁合金仍然是應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，尤其是在民用大飛機(jī)中更是如此。在各種民用大飛機(jī)系列機(jī)型中，鋁合金使用量基本在70%以上，其中，波音747中的鋁合金使用量高達(dá)到81%，有空中巨無(wú)霸之稱的A380飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料中鋁合金占66%。其中，鋁合金主要用來(lái)制作航空航天產(chǎn)品的受力結(jié)構(gòu)件，如隔框、大梁、翼肋、巧條、起落架等零件。 從制造的角度，模鍛件和預(yù)拉伸板材是鋁合金整體結(jié)構(gòu)件毛坯材料的兩種主要形式。隨著金屬板制造

6、水平的提高，平面類整體結(jié)構(gòu)件、板、框、肋、梁的鋁合金零件已普遍采用預(yù)拉伸板，在沈飛車間中也大量使用。 預(yù)拉伸板材通過(guò)在專用板材拉伸機(jī)上預(yù)先給材料少量的塑性變形，改變板材內(nèi)部原有應(yīng)力分布狀態(tài)，減小與均勻化內(nèi)部固有應(yīng)力狀態(tài)。航空鋁合金超厚板（40mm）是一種用量較大，需要采用先進(jìn)加工技術(shù)的新型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。如德國(guó)生產(chǎn)的厚280mm，長(zhǎng)20mm的鋁合金預(yù)拉伸板材，由其制造的整體結(jié)構(gòu)件壁厚為2-3，廣泛應(yīng)用于波音軍事運(yùn)輸機(jī)C-17和波音777、737飛機(jī)上。,2.3,帶筋件的總體特點(diǎn)分析,結(jié)構(gòu)常見(jiàn)：從工藝知識(shí)、編程經(jīng)驗(yàn)、形狀的角度分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的筋這類形狀零件，可得知，筋是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中最常見(jiàn)的形狀之

7、一。 綜合性強(qiáng)： 筋通常起提高結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的作用，也有部分筋有一些特殊的功用。其形狀是由結(jié)構(gòu)件本身的設(shè)計(jì)，以及工藝等諸多因素決定的。 薄壁結(jié)構(gòu)：由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件本身要求零件在保證強(qiáng)度的情況下盡可能輕，因而通常情況下筋的寬度只有3-4mm，屬于薄壁結(jié)構(gòu)。,種數(shù)豐富：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的筋形狀各異，數(shù)量多，常位于槽腔、輪廓之間或槽腔內(nèi)部,01 課題目的,2.3,帶筋件的總體特點(diǎn)分析,拓?fù)溥叄?1，指筋邊 2，由主拓?fù)涿媾c側(cè)拓?fù)涿嫦嘟坏膬蓷l凸邊列組成， 3，筋頂面加工刀軌計(jì)算的原始驅(qū)動(dòng)幾何元素，也是筋特征合并的依據(jù)）,主拓?fù)涿妫?1，指筋頂面， 2，通常由平面、圓柱面或自由曲面組成， 3，筋特征的主要加工區(qū)域

8、,約束面： 1，約束面為筋兩端的端面 2，約束面通常為槽腔的側(cè)壁面，一般為一些平面或直紋面 3，常常需要單獨(dú)進(jìn)行加工,側(cè)拓?fù)涿妫?1，指筋的側(cè)面 2，通常由平面、圓柱面或曲面組成 3，構(gòu)成槽腔側(cè)面、或輪廓側(cè)面，其加工受到所處部位的影響,筋底面： 1，筋的底面 2，通常多為平面 3，筋底面在筋的側(cè)面加工中限定了筋側(cè)面加工的范圍,特征,2.3,帶筋件的分析,加工內(nèi)容,1,5,1)頂面的加工 筋特征都需要加工筋頂部分 1，筋特征加工中最主要的部分， 2，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件筋特征的數(shù)控編程中編程占很大的比例。 3，是筋特征加工中情況最多，工藝最復(fù)雜的部分。 2)約束面的加工 在一部分筋中，存在約束面需要單獨(dú)加

9、工， 1，為了精加工約束面 2，在筋頂面上加工出足夠的空間，為之后筋頂面加工的進(jìn)刀做準(zhǔn)備。 3)筋側(cè)面的加工 往往在銑槽腔內(nèi)壁面或銑輪廓面時(shí)順帶完成 (只有在開(kāi)口筋或獨(dú)立筋中，若筋的強(qiáng)度不夠，筋的側(cè)面才需要單獨(dú)加工)。,2.3,帶筋件的分析,筋加工順序的安排,2,5,2.3,帶筋件的分析,通常情況下，一般先加工約束面，后加工筋側(cè)面。選用這個(gè)加工順序理由是：如圖所示，在筋頂面加工中，若約束面未加工完成，則當(dāng)?shù)毒咦叩娇拷s束面的位置，由于約束面處還存在粗加工余量，將導(dǎo)致銑刀側(cè)面突然出現(xiàn)大的切削量，刀具易損。所以，此類情況，通常都是先加工約束面，再加工筋頂面. 筋側(cè)面的加工，一般都在加工筋頂面之后。

10、由于筋是一類薄壁結(jié)構(gòu)，筋的寬度通常只有34mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于筋的長(zhǎng)度和高度。在筋頂面、約束面和側(cè)面的加工中，筋頂面的加工最易發(fā)生變形。為了防止頂面加工時(shí)發(fā)生大的變形，通常在筋的側(cè)面還未加工，還留有粗加工余量，即筋的寬度方向上還有一定厚度時(shí)，先將筋頂部分加工完成，之后再加工筋的側(cè)面。,2.3,帶筋件的分析,筋頂面對(duì)筋加工的影響,3,5,頂面的加工，主要受筋頂面各面類型的影響，通常需要考慮有如下一些通用的原則： （1）爬坡原則：盡量實(shí)現(xiàn)從筋頂面較低處向筋頂面較高處進(jìn)行加工，方便排屑，減少刀具摩損。平底刀側(cè)刃加工，適合自下往上加工零件，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡自上往下時(shí)，刀具底部將參與切削，而平底刀底部的切削能力較弱

11、，容易損傷刀具和工件。 （2）小坡度下滑原則：當(dāng)筋頂面加工不可避免的要從筋頂面較低處向較高處加工時(shí)，盡量使下滑坡度較小的方向?yàn)榧庸し较颉?（3）刀軌應(yīng)避免位于筋頂中線上：當(dāng)?shù)毒咧行奈挥诒患庸そ铐數(shù)闹芯€上時(shí)，加工時(shí)震動(dòng)大，故刀軌最好偏移一個(gè)距離，保證切削時(shí)的平穩(wěn)性。 （4）開(kāi)敞性原則：從無(wú)干涉部位進(jìn)刀進(jìn)行加工。在不考慮過(guò)渡圓弧面的情況下，根據(jù)筋頂面類型的不同，如圖2-7所示，筋分為如下3種情況：a）平頂筋；b）斜頂筋；c）曲頂筋。,2.3,帶筋件的分析,筋兩端連接支撐情況對(duì)筋加工的影響,4,5,筋是一類薄壁結(jié)構(gòu)，其兩端是否有連接支撐，影響筋強(qiáng)度的大小，也影響筋的加工，尤其對(duì)筋側(cè)面的加工影響較大。

12、為防止筋側(cè)面加工時(shí)發(fā)生大的變形，工藝員必須根據(jù)筋兩端連接支撐情況的不同，采用不同的加工工藝方案。根據(jù)筋兩端是否有連接支撐，可將筋分為下列3種類型： （a）筋兩端都有連接支撐。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，此類筋最多，它一般位于槽腔之間或處于輪廓上，兩端都與其它筋或其它特征相交，強(qiáng)度相對(duì)較大。,（b）筋一端無(wú)連接支撐。該類筋又稱開(kāi)口筋，其一端與其它特征相交，另一端無(wú)連接。 （c）筋兩端都無(wú)連接支撐。該類筋又稱獨(dú)立筋，通常位于槽腔內(nèi)部，不與槽腔壁面相交。在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，此類筋還常分布于輪廓上，成耳片狀，又稱耳片筋。,2.3,帶筋件的分析,筋所處位置情況的不同對(duì)筋加工的影響,5,5,位于外輪廓上的筋的加工和在

13、結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的筋的加工有所不同。輪廓上的筋的加工，除了受筋自身類型、形狀的影響，通常還受裝夾方案、工藝凸臺(tái)位置以及輪廓面精度要求等因素的影響。按筋在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的位置的不同，如圖，可分為下列3種情況： a）筋在槽之間 b）筋在槽之內(nèi) c）筋在輪廓上,2.4,自由曲面設(shè)計(jì),隨著現(xiàn)代科技及工業(yè)的發(fā)展，自由曲面已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，大到汽車外形，飛機(jī)機(jī)身，船舶船體，小到電話機(jī)座等，因此，如何精確、高效地設(shè)計(jì)和制造自由曲面件成為必須解決的問(wèn)題。由于自由曲面一般比較復(fù)雜，計(jì)算比較繁瑣，程序段很多，用手工編程是難以完成的，應(yīng)盡可能采用自動(dòng)編程。自動(dòng)編程時(shí)，程序員根據(jù)零件圖樣和工藝要求，使用相關(guān)CAD/CAM

14、軟件，先用CAD功能模塊進(jìn)行建模，然后利用CAM模塊產(chǎn)生刀具路徑，進(jìn)而用后置處理程序產(chǎn)生數(shù)控程序，可以通過(guò)軟件傳給數(shù)控機(jī)床，完成自由曲面的加工。,如何更好應(yīng)對(duì) 上述制造要求,2,航空增材制造分析,3.1增材技術(shù)概述 3.2我國(guó)的應(yīng)用情況 3.3發(fā)展歷史 3.4技術(shù)特點(diǎn) 3.5增材技術(shù)的種類及介紹 3.6發(fā)展方向,3.1,增材技術(shù)概述,增材制造 ( additive manufacturing，AM ) 技術(shù)是通過(guò) CAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，其基本原理是離散-堆積原理。,自 20 世紀(jì) 80 年代末，增材制造技術(shù)逐步發(fā)展，期間也被稱為 “材料累加制造” ( mat

15、erial increase manufacturing) 、 “快速原型” ( rapid prototyping) 、 “分層制造” ( 1ayeredmanufacturing) 、 “實(shí)體自由制造” ( solid free-form fabrication) 、 “3D 打印技術(shù)” ( 3Dprinting )等，名稱各異的叫法，分別從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)。,該技術(shù)源于20世紀(jì)80年代的美國(guó)，它是將表面工程、材料工程、數(shù)字建模、自動(dòng)化控制等多項(xiàng)前沿技術(shù)相結(jié)合而形成的新興制造技術(shù)，被英國(guó)雜志經(jīng)濟(jì)學(xué)人譽(yù)為“制造業(yè)的革命！”,3.1,增材技術(shù)概述,在航空領(lǐng)域使用較多的高性能大型金

16、屬構(gòu)件的激光增材制造，指的是通過(guò)長(zhǎng)期激光逐點(diǎn)掃描、逐線搭接、逐層熔化凝固堆積（增材制造），實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜零件的“近凈成形”。實(shí)際上是激光超常冶金快速凝固高性能“材料制備”與大型復(fù)雜構(gòu)件逐層增材“直接制造”的一體化過(guò)程（即材料制備零件成形一體化、成形控性一體化）。,3.2,我國(guó)的應(yīng)用情況,我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用道路上較為突出，目前應(yīng)用的型號(hào)有如下所示 1，在民用飛機(jī)上，C919大飛機(jī)駕駛艙玻璃窗框架和緣條零件. 2，在軍用飛機(jī)上，艦載戰(zhàn)斗機(jī)-殲 15，多用途戰(zhàn)斗轟炸機(jī)殲-16，隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲20 ，隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲-31，運(yùn)-20大型運(yùn)輸機(jī)。,3.3,發(fā)展歷史,目前，該技術(shù)正在歐美掀起如火如荼的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展熱

17、潮，并已廣泛應(yīng)用于創(chuàng)意設(shè)計(jì)、醫(yī)療保健、航空航天、汽車制造、模具制作、影視教育等。其發(fā)展過(guò)程中的重大事件發(fā)生時(shí)間如下所示：,1995 中國(guó)提出技術(shù)構(gòu)想,1978 美國(guó)提出技術(shù)構(gòu)想,2000 AMS4999 美國(guó)裝機(jī)工程應(yīng)用 F-22 和 F/A-l8E/F,2012 電子束熔絲成形 J-15,2007 中國(guó)裝機(jī)工程應(yīng)用 c919,2013 電子束熔絲成形 F-35,1978 美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究心提出并被命名為“激光逐層上釉”工藝。 實(shí)際上早在年美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心就 已提出并被命名為“激光逐層上釉”工藝，提出通過(guò)激光熔化快速凝固逐層堆積原理制造致密金屬構(gòu)件的技術(shù)思路，雖然當(dāng)時(shí)已明確指出了現(xiàn)代金屬件

18、激光增材制造技術(shù)的幾乎全部?jī)?yōu)點(diǎn)，但由于受當(dāng)時(shí)工業(yè)激光器功率及數(shù)控技術(shù)水平的限制，該技術(shù)并未立即引起人們的注意。,3.3,發(fā)展歷史,1995 西北工業(yè)大學(xué)提出激光增材制造的技術(shù)構(gòu)思。 我國(guó)開(kāi)展航空制造領(lǐng)域增材制造技術(shù)和應(yīng)用研究最具代表性的單位主要是西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)。西北工業(yè)大學(xué)于 1995 年開(kāi)始在國(guó)內(nèi)率先提出以獲得極高(相當(dāng)于鍛件) 性能構(gòu)件為目標(biāo)的激光增材制造的技術(shù)構(gòu)思，并在迄今近 20 年的時(shí)間里持續(xù)進(jìn)行了 LSF 技術(shù)的系統(tǒng)化研究工作，形成了包括材料、工藝、裝備和應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的完整的技術(shù)體系，并在多個(gè)型號(hào)飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了廣泛的裝應(yīng)用。,3.3,發(fā)展歷史,1998 激

19、光增材制造構(gòu)件逐步進(jìn)入美軍項(xiàng)目中。,MTS公司出資與約翰霍普金斯大學(xué)、賓州州立大學(xué)開(kāi)展了飛機(jī)機(jī)身鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光直接沉積技術(shù)研究，在對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術(shù)進(jìn)行了大量研究并取得重要進(jìn)展的基礎(chǔ)上，于1998年成立了專門(mén)從事航空鈦合金構(gòu)件激光增材制造技術(shù) 工程化應(yīng)用的 AeroMet公司。,3.3,發(fā)展歷史,2000 美國(guó) SAE 協(xié)會(huì)制定了 Ti-6Al-4V 合金 LSF 成形的美國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn) AMS4999。 美國(guó) SAE 協(xié)會(huì)于 2001 年制定了 Ti-6Al-4V 合金 LSF 成形的美國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn) AMS4999 ( 該 標(biāo) 準(zhǔn) 在 2011 年 進(jìn) 行 了 修 訂AMS

20、499A)，這個(gè)事件在全球掀起了金屬零件直接增材制造的第一次熱潮。值得注意的是，在增材制造技術(shù)發(fā)展的早期，美國(guó)軍方就已對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。,3.3,發(fā)展歷史,2006 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)電子束熔絲沉積成形設(shè)備。 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所目前開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)最大的電子束成形設(shè)備真空室，有效加工范圍1.5m x 0.8m x 3m,5軸聯(lián)動(dòng)，雙通道送絲。在此基礎(chǔ)上，研究了TC4 ,TA15, TC11、TC18, TC21等鈦合金以及A 100超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能。,3.3,發(fā)展歷史,2007 我國(guó)突破了飛機(jī)鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)并成功

21、實(shí)現(xiàn)在型號(hào)飛機(jī)上的裝機(jī)工程應(yīng)用。 北京航空航天大學(xué)與沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司、西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司等單位長(zhǎng)期“產(chǎn)學(xué)研”緊密合作，于2005年突破了飛機(jī)鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)在型號(hào)飛機(jī)上的裝機(jī)工程應(yīng)用，使我國(guó)成為當(dāng)時(shí)繼美國(guó)（2002年）之后國(guó)際上第 個(gè)實(shí)現(xiàn)激光增材制造鈦合金小型、次承力構(gòu)件實(shí)際裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。 2008年以來(lái)先后在包括 大型客機(jī)等大飛機(jī)在內(nèi)的多種型號(hào)飛機(jī)的研制和生產(chǎn)中工程應(yīng)用。這一可喜突破也使我國(guó)成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型整體主承力構(gòu)件激光增材制造技術(shù)并裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。,3.3,發(fā)展歷史,201

22、2 在我國(guó)某型戰(zhàn)機(jī)上試飛，電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國(guó)內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上率先實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。 據(jù)報(bào)道稱，為一種艦載戰(zhàn)斗機(jī)。,3.3,發(fā)展歷史,2013 裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35飛機(jī)已于2013年初試飛。,據(jù)報(bào)道，裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35飛機(jī)已于2013年初試飛。Lockheed Martin公司選定了F-35飛機(jī)的襟副翼梁，準(zhǔn)備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預(yù)期零件成本降低60%。近期，美國(guó)Sciaky公司采用EBF3技術(shù)以及與鍛件結(jié)合的組合制造技術(shù)已經(jīng)為 Lockheed Mar-tin 公司制造了 F-35 聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的垂尾、襟翼副梁， Lockhe

23、ed Martin 公司也宣稱，已在 F-35II 型戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用了900 多個(gè)增材制造的零件。不過(guò)，需要指出的是，目前 Boeing 和 Lockheed Martin 公司在飛機(jī)上裝機(jī)應(yīng)用的增材制造零件主要還是非結(jié)構(gòu)件。,3.3,發(fā)展歷史,3.4,技術(shù)特點(diǎn),隨著新軍事變革，航空裝備要滿足空軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和空軍建設(shè)的需求，其制造和維修保障能力必須與時(shí)俱進(jìn)，而先進(jìn)的裝備制造和維修技術(shù)則是加快提升國(guó)家軍事實(shí)力的重要因素。增材制造技術(shù)以其快速制造的優(yōu)勢(shì)，在2014年11月 美國(guó)防部年會(huì)設(shè)備展示會(huì)上，增材制造技術(shù)不但有一個(gè)專題研討，還在其他多個(gè)專題中被提及，由此，其重要地位可見(jiàn)一斑。,所制造材料性能優(yōu)異

24、,1,8,在航空材料領(lǐng)域，目前已經(jīng)取得了技術(shù)突破，使用微米級(jí)別的鈦金屬顆粒，而后均勻打造出產(chǎn)品，其構(gòu)件的承載力等力學(xué)性能就要比其鑄造件強(qiáng)得多。其原因如下：,（1）零件具有晶粒細(xì)小、成分均勻、組織致密的快速凝固非平衡組織，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。 （2）從理論上說(shuō)，零部件越多越不安全，結(jié)合部通常都是隱患。無(wú)縫連接作為增材制造技術(shù)的一大亮點(diǎn)，不僅減少了零部件的數(shù)量，簡(jiǎn)化了裝配工作，提高了裝備的生產(chǎn)質(zhì)量，其安全性和可靠性也隨之提高。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),降低設(shè)備的全壽命期成本。,2,8,采用本技術(shù)可以極大降低成本，王明華團(tuán)隊(duì)利用激光快速成形技術(shù)制造出我國(guó)自主研發(fā)的大型客機(jī)C919的主風(fēng)擋窗框，在此之前只有歐

25、洲一家公司能夠做，僅每件模具費(fèi)就高達(dá)200萬(wàn)美元，而利用激光快速成形技術(shù)制作的零件成本不及模具的1/10。且維修方便，基于金屬增材制造的高性能修復(fù)技術(shù)保證航空構(gòu)件的全壽命期的質(zhì)量與成本。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),生產(chǎn)周期短,3,8,傳統(tǒng)的制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，增材制造顛覆了傳統(tǒng)制造的生產(chǎn)方式，它是一個(gè)材料逐層疊 加 的過(guò)程，這種數(shù)字化制造模式將車、銑、刨、鉗等復(fù)雜工序省去，直接根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)生成任何形狀的產(chǎn)品，可以將許多組合部件集為一體，大大降低了制造工藝的復(fù)雜性。 如在C-919的制造中，現(xiàn)在僅需 55 天，中國(guó)就可以“打印出”C-919 客機(jī)的主風(fēng)擋整體窗框。 歐洲一家飛機(jī)制造公司表示，他們生產(chǎn)同

26、樣的東西至少要兩年。當(dāng)然，他們使用是傳統(tǒng)的生產(chǎn)飛機(jī)部件的方式。近凈成形，只需一步完成；加工設(shè)計(jì)靈活度高，可以實(shí)現(xiàn)特殊功能零部件的“原位”鑄造等等。這樣就大大降低了制造成本，提高了制造效率與加工質(zhì)量。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),制造裝備簡(jiǎn)單。,4,8,傳統(tǒng)方法對(duì)制造技術(shù)及裝備的要求高，通常需要大規(guī)格鍛坯加工及大型鍛造模具制造、萬(wàn)噸級(jí)以上的重型液壓鍛造裝備，制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制造成本高，例如，傳統(tǒng)飛機(jī)鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造方法是鍛造和機(jī)械加工，先要熔鑄大型鈦合金鑄錠、鍛造制坯、加工大型鍛造模具，然后再用萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)等大型鍛造設(shè)備鍛造出零件毛坯，最后再對(duì)毛坯零件進(jìn)行大量機(jī)械加工。整個(gè)工序下來(lái)，

27、耗時(shí)費(fèi)力，有的構(gòu)件，光大型模具的加工就要用一年以上的時(shí)間，要?jiǎng)佑脦兹f(wàn)噸級(jí)的水壓機(jī)來(lái)工作，甚至還需要輔助設(shè)施。 增材制造設(shè)備便于攜帶，甚至可以用于前沿陣地維修保障。增材制造設(shè)備不需要大型的輔助設(shè)備，體積小，占用空間少，設(shè)備移動(dòng)調(diào)整方便，它可以不受場(chǎng)地和環(huán)境限制，甚至實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制造。只要有專用設(shè)備和適用的原材料，可以在任何地方實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),4.4,技術(shù)特點(diǎn),3.4,技術(shù)特點(diǎn),通過(guò)組合制造技術(shù)改造提升傳統(tǒng)航空制造技術(shù),5,8,將傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床立式加工設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，使其能夠采用激光工程化凈成形實(shí)現(xiàn)金屬 3D 打印。該項(xiàng)目獲得美國(guó)制造資助，由 Optomec 公司牽頭，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)包括 Mac

28、h Motion 公司、Tech Solve 公司、洛克希德丁公司和美國(guó)陸軍貝尼特實(shí)驗(yàn)室。 該項(xiàng)目通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，嵌入最新的控制系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，能將任意的數(shù)控機(jī)床升級(jí)使其具備 3D 打印功能， 從而經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)增材和減材制造工藝的結(jié)合。 從而經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)增材和減材制造工藝的結(jié)合。 該項(xiàng)目證明了美國(guó)制造有效加速增材制造技術(shù)向主流制造技術(shù)過(guò)渡的使命，這一成果將有望對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生改變游戲規(guī)則的影響。 一臺(tái)機(jī)床同時(shí)具備增材和減材功能，將極大地影響企業(yè)的加工能力和成本效益。 美國(guó)制造還將進(jìn)一步討論數(shù)控機(jī)床升級(jí) 3D 打印技術(shù)， 并探討在車間集成先進(jìn)增材制造技術(shù)的挑戰(zhàn)機(jī)遇及長(zhǎng)期

29、影響。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),此外，本技術(shù)還可應(yīng)用于機(jī)床的維修等，報(bào)廢的零部件或者整機(jī)基本上作為廢品處理，如此連鎖損失，造成了更大的浪費(fèi)。本平臺(tái)之 LCD技術(shù)是一種激光熔覆仿形修復(fù)技術(shù)，在鋼鐵行業(yè)用處極為廣泛。采用 LCD 激光熔覆沉積技術(shù)，既能使失效或報(bào)廢設(shè)備及零部件重新使用，又可以使新品延長(zhǎng)使用壽命，甚至可以多次修復(fù)。據(jù)調(diào)查，寶鋼、鞍鋼、本鋼、首鋼、武鋼、唐鋼、太鋼、攀鋼、包鋼，都對(duì)沉積技術(shù)非常感興趣，有的已從中受益。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),可設(shè)計(jì)能力強(qiáng),6,8,可以制造一些過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的航空功能結(jié)構(gòu)，顯著提升航空構(gòu)件的效能，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化、緊湊性和多功能設(shè)計(jì)，,Air Bus 公司通過(guò)

30、對(duì)飛機(jī)短艙鉸鏈進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，使最終制造的零件減重 60% ，并解決了原有設(shè)計(jì)所存在的使用過(guò)程中高應(yīng)力集中問(wèn)題。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),材料利用率高,7,8,材料利用率高，美國(guó)的F-22飛機(jī)中尺寸最大的Ti6Al4V鈦合金整體加強(qiáng)框，所需毛坯模鍛件重達(dá) 2796千克， 而實(shí)際成形零件重量不足144千克， 材料的利用率不到4. 90%，2010年，利用激光直接制造C919達(dá)中央翼根肋，傳統(tǒng)鍛件毛坯重達(dá)1607千克，而利用激光成形技術(shù)制造的精坯重量?jī)H為136千克，節(jié)省了91.5%的材料，并且經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，其性能比傳統(tǒng)鍛件還要好。 另外傳統(tǒng)飛機(jī)制造業(yè)不僅耗時(shí)久，而且浪費(fèi)太多材料。一般只有 10%的原材

31、料能被利用，剩下的在鑄模、鍛造、切割和拋光工序中就損失了。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),可制造材料種類多,8,8,除常見(jiàn)的PLA，ABS等塑料材料外，在金屬方面主要包括鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼、合金鋼及等難熔金屬，現(xiàn)在常見(jiàn)的可制造材料為T(mén)C4，M100鋼，TA15、TA12鈦合金及Inconel 718合金材料。此外進(jìn)行相關(guān)改裝后還可以加工多種有機(jī)材料。,3.4,技術(shù)特點(diǎn),3.5,增材技術(shù)的種類及介紹,經(jīng)過(guò)短短42年的發(fā)展，其技術(shù)種類因其多種多樣的出發(fā)點(diǎn)而種類繁多，而且，相似于電子行業(yè)的“摩爾定律”在每個(gè)月都會(huì)新的重大技術(shù)突破，如上個(gè)月22日，華中科技大學(xué)的張海鷗教授主導(dǎo)研發(fā)的金屬3D打印新技術(shù)“智

32、能微鑄鍛”，相似于Sciaky的EBAM技術(shù)相似，但是有望改變國(guó)際上由西方國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)的金屬走絲3D打印格局。,3.5,增材技術(shù)的種類及介紹,激光選區(qū)熔化成形技術(shù)是以原型制造技術(shù)為基本原理發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)。通過(guò)專用軟件對(duì)零件三維數(shù)模進(jìn)行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后，利用高能量激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過(guò)逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實(shí)體零件。,選區(qū)激光熔化技術(shù)SLM ( Selective Laser Melting),3.5,增材技術(shù)的種類及介紹,（1）成型能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能優(yōu)于鑄件的高復(fù)雜性構(gòu)件的直接制造，成形件的復(fù)雜性基本不受限制

33、。加工死角位置可直接成形，避免加工殘留，組件整體成形可減少連接結(jié)構(gòu)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)輕量化?？梢灾圃靷鹘y(tǒng)方法無(wú)法成形的復(fù)雜零件，對(duì)零件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化意義重大。SLM 是三維打印家族中，在成形件的復(fù)雜程度方面，名列第一，可完成嵌套性、蜂窩性和三維曲線腔管性結(jié)構(gòu)的成形。,選區(qū)激光熔化技術(shù)SLM ( Selective Laser Melting),3.5,增材技術(shù)的種類及介紹,（2）精度高，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)通常采用粒徑30m左右的超細(xì)粉末為原材料，圖4為激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造鈦合金零件所使用的TC4超細(xì)球形粉，通常鋪粉厚度100m（最薄鋪粉厚度可達(dá)20m），每個(gè)加工層控制的很薄，可達(dá)到30m。另

34、外該技術(shù)還使用了光斑很小的激光束，可使成形的零件具有很高的尺寸精度（可達(dá)0.1mm）以及優(yōu)異的表面質(zhì)量（粗糙度Ra可達(dá)3050m），圖5為選區(qū)激光熔化成形TC4鈦合金表面形貌。因此該技術(shù)具有精度高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異等特點(diǎn)，制造的零件只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的噴砂或拋光即可直接使用。由于材料及切削加工的節(jié)省，其制造成本可降低20%40%，生產(chǎn)周期也將縮短80%。,選區(qū)激光熔化技術(shù)SLM ( Selective Laser Melting),3.5,增材技術(shù)的種類及介紹,（3）通常成形尺寸較小，只能進(jìn)行單種材料的直接成形，目前成熟的商用化裝備的成形尺寸一般小于 300 mm。 （4）成型效率低，SLM 技術(shù)的沉積效率要比 LSF 技術(shù)低 1 2 個(gè)數(shù)量級(jí)， （5）利用率高，材料利用率很高，一般在 90% 以上，若設(shè)計(jì)和操作得當(dāng)，合格率幾乎為 100% 。 （