淺析破損渦輪葉片的增材制造

曾海波 張志坤

摘? 要：某廠家的某臺機械設備內部的發(fā)動機上有一塊渦輪葉片零件損壞后無法繼續(xù)正常運作。本文針對損壞的渦輪葉片進行分析，通過增材制造方式進行重新制造，解決傳統加工方式存在的技術難點。在沒有圖紙的情況下，如何利用掃描儀對損壞的渦輪葉片零件進行掃描、逆向建模并將掃描空間三維點云數據進行優(yōu)化，設計支撐，利用3D金屬打印機將渦輪葉片模型進行打印，最后將打印好的渦輪葉片零件再進行處理之后投入使用。

關鍵詞：破損? 渦輪葉片? 逆向建模? 支撐添加

中圖分類號：TH16 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（a）-0060-03

Analysis on Additive Manufacturing of Damaged Turbine Blade

ZENG Haibo? ZHANG Zhikun

（Guangdong Mechanical Technician College， Guangzhou， Guangdong Province， 510450 China）

Abstract： There is a turbine blade in the engine of a mechanical equipment of a certain manufacturer， which cannot continue to operate normally after the parts are damaged. In this paper， the damaged turbine blade is analyzed and remanufactured by additive manufacturing method to solve the technical difficulties existing in the traditional processing method. In the case of no drawings， how to use the scanner to scan the damaged turbine blade parts， reverse modeling， optimize the 3D point cloud data in the scanning space， design support， use 3D metal printer to print the turbine blade model， and finally put the printed turbine blade parts into use after post-processing.

Key Words： Damage; Turbine blade; Reverse modeling; Support addition

渦輪葉片是發(fā)動機最重要的零件之一，渦輪葉片零件模型如圖1所示。它是典型的自由曲面零件，渦輪葉片的葉片部分比較薄，在傳統減材加工時容易產生變形，減材加工對設計零件的加工工藝的技術人員有特別高的要求，對加工葉片的機床、刀具精度要求也很高，并且在加工時刀具和葉片容易發(fā)生干涉。而增材制造則是先對葉片進行模型掃描、逆向建模并進行結構優(yōu)化，再將模型進行3D金屬打印，最后將打印支撐拆卸并將零件打磨至光滑，完成整個零件的加工。

增材制造不僅提高了生產效率，降低了成本，在數控加工過程中存在的工藝難題也迎刃而解。

1? 渦輪葉片加工方式對比

1.1 傳統機加工

傳統機加工生產效率低、成本高、工藝復雜，加工人員勞動強度高[1];傳統加工制作的零件周轉次數多，需要多設備配合制作，質量不穩(wěn)定，精度低;安全防護不足。

1.2 數控加工

數控加工是用數字信息控制零件和刀具位移的機械加工方法。渦輪葉片的數控加工工藝，包含裝夾方法、數控編程、切削工藝、顫振抑制、在線檢測、輔助工藝等，它是解決零件品種多變、批量小、形狀復雜、精度高等問題和實現高效化和自動化加工的有效途徑[2]。但渦輪葉片的葉片部分較薄，加工難度大，極容易出現廢料、打刀等現象，生產效率低，且數控加工為減材加工對材料的浪費較為嚴重。

1.3 鑄造工藝

渦輪葉片鑄造工藝主要由模具制造（包括外形模具和型芯模具）、制芯、制蠟模、制殼、澆注、脫殼脫芯、檢驗等主要工序組成。由于現今對鑄造質量、鑄造精度、鑄造成本和鑄造自動化等要求的提高，鑄造技術向著精密化、大型化、高質量、自動化和清潔化的方向發(fā)展。例如我國這幾年在精密鑄造技術、連續(xù)鑄造技術、特種鑄造技術、鑄造自動化和鑄造成型模擬技術等方面發(fā)展迅速。但對于渦輪葉片，由于其形狀特殊性，葉片部分較薄，在鑄造時容易開裂，影響渦輪葉片質量和性能。

2? 渦輪葉片的增材制造分析

2.1 成本降低

3D打印的制造優(yōu)勢不僅體現在節(jié)省材料、降低成本，更體現在大幅縮短葉片的生產制造時間。隨著技術的不斷發(fā)展創(chuàng)新，增材制造的成本也在不斷下降。工業(yè)級3D打印機價格逐漸走低，普通打印耗材性價比也比較高。當然，對于有特殊要求和特殊材料成本會較高，但對于大多數需求來說，普通的打印耗材就可以滿足要求[3]。

2.2 避免材料浪費和能源浪費

3D打印是將所需要的材料，按照模型特征分層堆疊，直至所需要的模型創(chuàng)建完成。在開始打印時先在打印機基板上打印一層基本材料，使得所打印的模型與基板有更好的接觸，也便于后處理時有更多的加工余量，然后再打印所需的模型，直至打印完成。

打印完成后，需要將零件去除支撐和毛刺等，雖然會有部分材料浪費，但相比于數控銑削和車削的減材制造，節(jié)省了很多材料，降低了成本[4]。

2.3 原型設計成本更低

增材制造是原材料按照模型特征的不斷堆疊，對機加工的工藝要求降低，所以模型在設計時可以較少的考慮繁瑣的機加工工藝，設計更加方便合理，設計成本大幅降低[5]。

3? 破損渦輪葉片零件的逆向建模與修復

3.1 獲取破損渦輪葉片零件的空間三維點云數據

3.1.1 掃描前的預熱

由于使用環(huán)境的不同，環(huán)境溫度也有較大的差別，同時光源的穩(wěn)定性較差，而當掃描儀光源的色溫沒有達到掃描儀正常工作所需的要求時，此時掃描出來的圖像往往飽和度不足。所以在使用掃描儀掃描之前，應當先開機預熱至指定溫度，使得掃描儀鏡頭溫度與周邊環(huán)境溫度相似，也是為了內部電子器件達到熱穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當掃描儀達到穩(wěn)定狀態(tài)時，掃描誤差最小。

3.1.2 掃描前的校準

掃描儀長期未使用或者運輸后，為保證掃描的準確性，需要對掃描儀進行標定校準。標定時取出與掃描儀鏡頭尺寸相匹配的校定板，按照軟件提示，多次調整掃描儀或者標定板位置，完成校準工作，等待校準報告通過后，方可進行模型掃描。

3.1.3 開始掃描零件

將已噴涂好顯像劑及貼好標記點的渦輪葉片零件放置在標準轉臺上，再使用掃描儀進行全方位掃描，得到精確的零件三維點云數據后，在掃描儀匹配的軟件中對掃描數據進行擬合，再把三維點云數據進行優(yōu)化處理，并生成STL格式文件。

在掃描過程中注意事項：

（1）轉臺和掃描儀應避免震動或發(fā)生位移;

（2）采集環(huán)境的光線需保持穩(wěn)定，不可太強也不可太弱;

（3）掃描過程中不可移動零件;

（4）重疊的部分盡量減少掃描的次數;

（5）被掃描零件和鏡頭的距離要調整合適且曝光合理。

3.2 逆向建模優(yōu)化

如圖2所示，把生成的點云數據導入逆向建模軟件中（如Geomagic Design X、Unigraphics NX等），使用精確曲面、面片擬合等相關功能逆向建模，最后設計出渦輪葉片的實體模型。

4? 渦輪葉片零件的支撐設計與添加

4.1 零件0°正向擺放并加支撐

如圖3所示，零件0°正向擺放所示，設計的擺放角度雖然能保證渦輪葉片的使用性能，但在打印后，拆卸支撐及處理零件毛刺的工作量較大，尤其在拆除葉片上的支撐時會有較大難度，并且會大面積損傷（壞）葉片表面，對技術人員的職業(yè)技能素養(yǎng)有更高的專業(yè)要求;同時還需要處理內部孔壁的支撐，去除支撐時可能會破壞內孔表面。

結論：0°正向擺放的設計擺放角度會使后處理工作量增大，對技術人員的專業(yè)水平要求高，并且有可能大面積損壞零件表面。

4.2 零件45°傾斜擺放并加支撐

如圖4所示，零件45°傾斜擺放雖然支撐面積減少，但是葉片變成豎著的薄片并且內孔仍然需要添加支撐，從圖中可看出在后期處理中葉片的正反面仍需要去除支撐，會造成葉片表面損傷，影響表面質量及葉片性能。

結論：45°擺放，零件支撐減少，但正反面仍需處理支撐，難度較大，影響葉片表面質量和葉片性能。

4.3 零件翻轉180°擺放并添加支撐

如圖5零件翻轉180°擺放所示，將零件翻轉180°擺放，除了葉片上表面有大面積的支撐外，中心僅僅只有一小圈支撐，內孔額外添加支撐。并且這種支撐設計在打印過程中也能保證零件打印質量，不會出現崩坍現象。

結論：圖5 零件翻轉180°擺放角度相對其他方案更合理，零件的后處理也相對便捷，容易將支撐拆卸干凈，對葉片的損害影響較小。

5? 零件打印與后處理

等待零件打印結束并冷卻后，將基材從成型艙中拆卸下，用線切割加工技術將零件與基材分離，再使用鉗子等工具去除零件上的支撐，最后將零件表面進行打磨至光滑[6]，見圖6。

6? 結語

增材制造不僅能快速制造出零件并且節(jié)約加工成本。尤其適合于產品中的零部件單件小批量的制造，具有成本低和效率高的優(yōu)點。而且能改變原本需要繁瑣的加工步驟才能完成的傳統等材、減材加工工藝，使得生產更高效、便捷。

增材制造優(yōu)勢：

（1）設計上的自由度，在復雜零件加工時無需額外考慮繁瑣的加工工藝;并且可以制造出其他工藝不能實現或者無法實現的模型特征。

（2）材料的經濟適用性，大大的減少材料的損耗，增材制造是凈成形水平最高的工藝，其后續(xù)機加工所必須切削的材料數量是很微量的。

參考文獻

[1] 王浩，呂璇，汪鵬程，等.鋁合金輪轂快速熔模鑄造模擬與試制[J].特種鑄造及有色合金，2020， 40（11）：1262-1265.

[2] 陶永亮，邱峰，王青青，等.3D金屬打印與數控機床復合加工的發(fā)展趨勢[J].模具制造，2020，20（10）：64-68.

[3] 陳南宇.金屬零件3D打印技術的應用研究[J].計算機產品與流通，2020（10）：67.

[4] 柳朝陽，趙備備，李蘭杰，等.金屬材料3D打印技術研究進展[J].粉末冶金工業(yè)，2020，30（2）：83-89.

[5] 高金蘭，朱佳麗，李卓.大型金屬構件3D打印自動控制系統設計[J].自動化技術與應用，2019，38（6）：15-19.

[6] 楊鑫，王婉琳，范亞卓，等.3D打印金屬零件后處理研究現狀[J].功能材料，2020，51（5）：5043-5052.