航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究

李文剛　謝凝

摘? 要：基于對航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術(shù)應(yīng)用的研究，首先，闡述3D打印技術(shù)基本內(nèi)容。然后，分析航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，其中包括制作復(fù)雜零部件產(chǎn)品較為迅速、實現(xiàn)原材料的高效利用等。最后，給出航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術(shù)的應(yīng)用，給出在機(jī)械定位誤差中的應(yīng)用、在匹配誤差中的應(yīng)用等。

關(guān)鍵詞：航空;鋁合金薄壁零件;3D打印技術(shù)

中圖分類號：TG54? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）31-0159-02

Abstract： Based on the research on the application of 3D printing technology on aviation aluminum alloy thin-walled parts， firstly， the basic content of 3D printing technology is described. Then， the application characteristics of 3D printing technology on aviation aluminum alloy thin-walled parts are analyzed， including the rapid manufacture of complex parts and the efficient utilization of raw materials. Finally， the application of 3D printing technology on aviation aluminum alloy thin-walled parts is given， and the application in mechanical positioning error and matching error are given.

Keywords： aviation; aluminum alloy thin-walled parts; 3D printing technology

航空事業(yè)在促進(jìn)我國更好發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用，因此，想要實現(xiàn)我國航空事業(yè)的穩(wěn)步提升，在鋁合金薄壁零件的制造過程中，要加強(qiáng)對3D打印技術(shù)的利用。通過對3D打印技術(shù)的合理利用，可以使得零件的質(zhì)量與可靠性得到保障，從而為后續(xù)工作的展開打下良好基礎(chǔ)。所以，本文將針對航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術(shù)的應(yīng)用相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行闡述。

1 3D打印技術(shù)基本概述

3D打印技術(shù)屬于一種快速成型技術(shù)，并且在快速成形技術(shù)中占據(jù)重要組成部分。3D打印技術(shù)又被人們稱為增材制造，能夠?qū)⒉煌冗M(jìn)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，比如，計算機(jī)輔助制造技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)以及計算機(jī)數(shù)控制造技術(shù)等，集不同技術(shù)于一體的加工方式。3D打印技術(shù)的主流成形技術(shù)包含許多內(nèi)容方式，比如，熔融沉積法、直接金屬粉末激光燒結(jié)法、光固化法以及選擇性激光熔化法等[1]。3D打印技術(shù)的思想最早起源于層疊成型理論當(dāng)中，隨著社會的不斷進(jìn)步與發(fā)展，使得計算機(jī)科學(xué)技術(shù)與計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)得到優(yōu)化與廣泛應(yīng)用。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的制造工藝，有著自身的優(yōu)勢與特點(diǎn)。3D打印技術(shù)可以在短時間內(nèi)，形成并制造出較為復(fù)雜的形態(tài)產(chǎn)品。在實際加工過程中，不需要進(jìn)行費(fèi)力的切削。這對企業(yè)而言不僅可以節(jié)省更多成本，同時在最大程度上避免浪費(fèi)問題的出現(xiàn)。除此之外，3D打印技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行實物化，對設(shè)計工作、選型工作做出檢查與分析，降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，為企業(yè)的更好發(fā)展打下基礎(chǔ)。

2 航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

將3D打印技術(shù)應(yīng)用在航空鋁合金薄壁零件具備一定的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)中：

2.1 制作復(fù)雜零部件產(chǎn)品較為迅速

3D打印技術(shù)能夠?qū)^為復(fù)雜的零部件進(jìn)行迅速的加工制造，并且在這一過程中，可以不使用模具。直接可以將計算機(jī)當(dāng)中的設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為實體的零件，為相關(guān)工作人員減輕工作量，同時可以在很大程度上避免純手工操作方式帶來的影響與誤差。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的制造工藝而言，縮短復(fù)雜零部件的制造時間，減少產(chǎn)品的開發(fā)周期，為相關(guān)企業(yè)節(jié)省更多成本的同時，使得研發(fā)的產(chǎn)品能夠更快投放到市場中，為企業(yè)創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

2.2 實現(xiàn)原材料的高效利用

將3D打印技術(shù)應(yīng)用在航空鋁合金薄壁零件上，可以使原材料的利用率得到提升，并且保證在實際的打印成型過程中，實現(xiàn)對材料的充分利用。在打印完產(chǎn)品后，只需要進(jìn)行簡單的后續(xù)處理，就可以投入到使用中[2]。實際原材料的利用率可以達(dá)到60%，最高可以達(dá)到90%的利用率。傳統(tǒng)的制造方式，會造成材料浪費(fèi)問題，特別是在航空復(fù)雜零部件的加工過程中，材料的使用率很低。這不僅會造成材料浪費(fèi)問題，同時使得加工成本增加。

2.3 促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3D打印技術(shù)科學(xué)合理的利用，能夠在保證性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與完善，在最大程度上避免零部件質(zhì)量問題的產(chǎn)生。相較于傳統(tǒng)拼接構(gòu)件，可以強(qiáng)化對部件的整體制造，并且不需要使用焊接工藝或者是鉚接工藝。將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，使得產(chǎn)品重量得到減少。通過對零部件的優(yōu)化，使得零部件應(yīng)力分布的合理性得到保障，防止因為疲勞裂紋而造成危險事故，進(jìn)而保證零部件結(jié)構(gòu)的完整性與強(qiáng)度。

3 航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在機(jī)械定位誤差中的應(yīng)用

在將3D打印技術(shù)應(yīng)用在航空鋁合金薄壁零件時，要加強(qiáng)對3D打印機(jī)的充分利用。實際3D打印機(jī)在運(yùn)行過程中，會受到電機(jī)的控制。電機(jī)各個零部件，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行會產(chǎn)生一定影響。在層面打印期間，X軸與Y軸方向會存在一定慣性，從而使得掃描尺寸以及成型件設(shè)計尺寸存在一定偏差。與此同時，因為掃描系統(tǒng)在工作過程中，會存在相應(yīng)的加速過程中，所以，會產(chǎn)生一定的固化不均勻現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)誤差。對于Z軸方向的控制，通常情況下是由絲杠展開相應(yīng)控制工作[3]。利用上下移動，完成成型加工操作。總而言之，在機(jī)械定位誤差當(dāng)中，要加強(qiáng)對3D打印技術(shù)的利用，從而將誤差問題控制在合理范圍內(nèi)。

3.2 在匹配誤差中的應(yīng)用

在實際3D打印過程中，擠出頭會噴出熔融材料，熔融材料有著一定的寬度與一定體量。如果與噴頭的運(yùn)行速度以及運(yùn)行路徑不匹配，那么實際打印輪廓與理想中的打印輪廓將會存在一定誤差，填充物的實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計存在偏差問題，從而產(chǎn)生打印誤差問題的出現(xiàn)。但是，在3D打印過程中，結(jié)合擠出熔融材料的量，以及擠出速度等影響因素，對補(bǔ)償量以及速度進(jìn)行計算，從而將誤差控制在有效范圍內(nèi)，盡管無法避免誤差的出現(xiàn)，但是也可以對誤差進(jìn)行控制。最為理想的狀態(tài)是，一定時間內(nèi)擠出頭擠出的熔融材料體量，與實際填充體量相同，并且填充材料的橫截面能夠在最大程度上保持為矩形[4]。但是因為擠出頭的運(yùn)行與實際基礎(chǔ)材料量在理論上無法實現(xiàn)匹配，所以，使得填充材料的橫截面形狀出現(xiàn)變化。

3.3 FDM成型技術(shù)的應(yīng)用

FDM成型技術(shù)也就是人們所說的熔融沉積成型技術(shù)，熔融沉積成型技術(shù)的實際工作原理是，電機(jī)等不同裝置，將熱塑性材料輸送到加熱器當(dāng)中，并且在加熱器內(nèi)對其進(jìn)行加熱融化。接著利用噴頭底部的微細(xì)噴嘴，將已經(jīng)融化的材料，經(jīng)過一定的壓力，將材料噴出。被噴出的材料在經(jīng)過已經(jīng)被設(shè)計好的噴頭軌跡，將會形成熔結(jié)層面。當(dāng)一個層打印完成后，工作臺將會移動到另一個層當(dāng)中進(jìn)行打印，直至打印出完整實體。

通常情況下該種原理的打印機(jī)，實際結(jié)構(gòu)較為簡單，并且所花費(fèi)的成本相對較低，成形尺寸較大。同時也存在一定缺點(diǎn)，比如，產(chǎn)品質(zhì)量有待提升，并且需要相應(yīng)的設(shè)計提供輔助。所以，此種類型打印機(jī)更加適用于桌面級工業(yè)產(chǎn)品使用或者低精度工業(yè)產(chǎn)品使用。在FDM成型技術(shù)下的3D打印機(jī)設(shè)備包含不同系統(tǒng)，比如，加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)主要是通過對電阻絲的合理利用，對材料進(jìn)行加熱使其呈彈性流體狀態(tài)，這樣更容易被擠出。控制系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容是，對噴頭的運(yùn)動方向、運(yùn)動速度以及運(yùn)動軌跡進(jìn)行控制，同時將出料寬度參數(shù)以及加熱溫度參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)[5]。機(jī)械系統(tǒng)包含不同系統(tǒng)，比如，成型室系統(tǒng)、裝置系統(tǒng)等。能夠應(yīng)用FDM成型技術(shù)的材料，通常情況下，屬于ABS聚合物材料、尼龍材料等。材料性能對加熱系統(tǒng)噴嘴溫度會產(chǎn)生直接影響，加強(qiáng)對噴嘴溫度的控制，可以在一定程度上使得材料的堆積性能以及出料流量得到保障。通俗來講就是噴嘴溫度，會直接影響打印產(chǎn)品質(zhì)量。因此，為使得打印產(chǎn)品質(zhì)量得到保障，需要將噴嘴溫度控制在合理范圍內(nèi)，一般情況下，在出料具有合適粘性系數(shù)的流體狀態(tài)范圍內(nèi)選擇。因為，如果噴嘴溫度較低，那么粘度將會變差，流動性較強(qiáng)，那么材料被擠出的速度較快，從而導(dǎo)致出絲直徑無法被有效控制，導(dǎo)致最終產(chǎn)品質(zhì)量無法保障。如果噴嘴溫度較高，那么材料需要較長的冷卻時間。材料在沒有被冷卻到一定狀態(tài)的情況下，后一層被擠出直接壓到前一層上，使得材料無法定型。

3.4 激光燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用

激光燒結(jié)技術(shù)也可以將其分為不同的技術(shù)類型，比如，直接激光燒結(jié)技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)等。不同技術(shù)之前的原理大致相同，在本文主要是對選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行分析與闡述。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)原理與選擇性激光融化技術(shù)大致相同，在零件加工過程中，都需要里層堆積[6]。同時要保證具備較高的能量密度，這樣才能確保粉末能夠被全部融化。在功率較高的激光束影響與作用下，金屬粉末可以保證全部融化，在對其進(jìn)行散熱與冷卻操作后，可以與固體金屬之間進(jìn)行致密的冶金結(jié)合，不斷累計，形成三維實體。SLS設(shè)備由不同的系統(tǒng)構(gòu)成，比如，加熱系統(tǒng)、光學(xué)掃描系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。在實際的3D打印成型過程中，需要注意以下幾點(diǎn)問題：第一，對將要被加工的三維實體零件切片文件進(jìn)行讀取，并且將適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)加入到其中，從而形成相應(yīng)的激光掃描路徑控制代碼。第二，鋪粉裝置在實際的工作過程中，需要在其工作臺面上鋪上一層層材料粉末。材料粉末的鋪設(shè)厚度需要與切片厚度保持一致，通常情況下控制在十幾微米左右即可，然后將粉末用滾筒滾平并壓實。

4 結(jié)束語

綜上所述，3D打印技術(shù)對航空鋁合金薄壁零件制作而言具有重要作用。因此，需要相關(guān)工作人員能熟練掌握3D打印技術(shù)。這樣才能將3D打印技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮，為我國航空事業(yè)的更好發(fā)展打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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