增材制造过程工艺模拟

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1、关键技术：1. 增材制造过程工艺模拟激光增材制造技术（俗称激光 3D 打印）是融合了激光、计算机软件、材料、 机械、控制等多学科知识的系统性、综合性技术。采用离散化手段逐点或逐层“堆 积”成型原理，根据零件的 CAD 模型进行切片分层处理，采用数控系统控制工 作台按照分层软件设定的路径进行扫描，通过激光熔化金属粉末层层叠加获得近 净成形零件，增材制造技术彻底改变了传统金属零件，特别是高性能难加工、构 型复杂等金属零件的加工模式。增材制造是结合计算机辅助设计来生产制造三维物体的过程。在增材制造 过程中，物体的创建是通过连续铺设材料层直至创建出整个物体来实现的。图 1 说明了典型的增材制造工作流程

2、。第 1 步到第 7 步展示的是物体从设计直至生 产的整个工作流程。图 1 ：标准增材制造工作流程从历史上看，传统或常规的制造方法主要是利用消减工艺将各种形式的基 础原材料转变为成品。这些技术采用沿用已久的设计/加工方法、工具、设备（例 如铸造车间、车床、CNC等）、生产活动及步骤。增材制造（AM）是常规制造 方法的伟大变革。增材制造以 3D 打印而广为人知，是一种现代制造技术。图 2-图 4 展示了这两种类型的制造工艺。图 2. 传统制造图 3. 增材制造（激光送粉）图 4.增材制造（激光铺粉）澳大利亚联邦科学与工业研究组织的未来制造技术主管 Swee Mak 博士在 2014 年 6 月

3、4 日的 Hunter 研究基金会会议上展示了图 5。他总结道：“与对 一整块成品材料进行加工以制造出产品的传统消减制造方法相比，增材制造方法 不仅速度快、能耗低，而且减少了废料。”图5增材与消减制造对比全球增材制造市场包括 3D 打印机、材料及服务提供商。到 2020 年，整 个市场(不包括材料)的价值有望达到 114 亿美元；2016 至 2020 年间，预计 年增长率为21.0%。图6 (a)和图6 (b)列出了全球增材制造市场近年的发展 及主要行业的市场占有率。哇球JLM塔材制氓布箱 2旳#M跡LmlllllX ? M H 门!(untiflL730卜曳行业中血锂1造.销费品a高用机議

4、“ 医疔# 学朴军蛮，政直也图 6 ( a )：全球主要增材制造市场图 6 ( b )：采用增材制造技术的行业二十世纪末，制造技术的发展产生了对新类别工艺(即“增材制造”)的需 求。 2016 年 3 月 3 日，在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的 SHIPTECH 2016 会议中，Concurrent Technologies公司的Kenneth Sabo介绍了增材制造工艺的 优势与挑战。表 1 给出了增材制造工艺的优势/挑战概览。优势挑战1.制造复杂部件1.材料研发，数据积累滞后2.产品多样化，不增加成本2.功率源开发滞后；3.生产周期短3.质量的一致性，打印机的稳定性4.零技能制造4.最

5、终形状的变形控制5.不占空间，便携制造5.凝固组织，内部缺陷质量控制6.节省材料6.晶粒尺寸，晶粒形态和取向的控制表 1：增材制造工艺的优势/挑战1）关键技术的难点过去 25 年间，增材制造技术突飞猛进。但是，与材料、设备、机器/工艺 变化及应用等有关的技术难题一直是生产优质部件的主要考虑因素。1Tft尺才.羽状” 学住 功军*逼展.环眞. 质、可帝性、租辰性、标定、谴覽琼定性、帶市二皺不面加工，擞t理. 髙思等林压、Win 工*帕、.楡瓏性能暑尾.赛劳、庖損、 妄舍IL认筑，鉴定、 应用材*1启址理肥|増材制造 丄艺部件娄.型 忧化-邹件荊SL frfc，WS- 1*13 -自由获最庸增材剖

6、造拽术三级电辛車昭密,誉比浄危輕按音.刑、蛊珈未床、迪为樹工芭皱、；?域.则粘蜻剂图 7 增材制造从设计到生产阶段的各种挑战从设计到生产阶段的各种挑战来自材料特性、工艺条件的不确定性以及打 印机/工艺/材料特性的相关性等多个方面：材料特性：当前，3D打印生产厂家还未拥有完整的材料属性数据库。行业无法实现整体迁移来提供完整的制造解决方案，除非可以记录并保存可用材料的材料属性数据，并进一步研究、记录选定部件的“增材制造”材料能力（例如与构建方位、拉伸强度、屈服强度、环境考虑、断裂韧度等有关的材料属性）提供给所有厂家。如果不能得到 3D 打印部件的材料属性，工程师和设计人员就无法将增材制造视为可行

7、的制造方法。 工艺条件的不确定性：现有方法尚不足以解决工艺可重复性和一致性。 有时粉末会出现高达 85% 的废品率。需要开发出创新的方法，以改进 和加强早期的检验。良好的工艺控制可缩短机器停工时间，这也是当 前许多机器和工艺设计人员遇到的主要问题。 打印机/工艺/材料特性的相关性：值得注意的是机器间以及部件间的可重复性。需要对部件布局（部件放置以及构建角度均取决于打印机的能力）进行精调。需要通过进行一系列的“假设”研究和统计分析来估算与构建方向、速度等以及与材料强度的相关性，以便了解深层次 的变化。大多数大中型欧、美国生产厂家都要日复一日地处理上述难题。他们所表达 的一些关注点如下：1. 增材

8、制造能否生产出轻量化、高性价比的优质产品？2. 采用增材制造技术是否是明智之举？3. 我应当对物流/供应商提出哪些建议？4. 什么是关键变量灵敏度矩阵？5. 表面加工为何会过于粗糙或过于精细？6. 粉末废品率为何会如此之高？这些关键性的技术和众多挑战将是未来增材制造企业和相关研究机构需要 重点解决和面临的。2）国内外进展和水平2.1）增材制造技术现状 增材制造在航空航天行业受到了广泛的关注。各大企业对增材制造技术的研 究和推广都做出了重点布局。空客建立了增材创新中心，并与高校、设备制造商 进行密切的联合研究。2012年空客在A380客舱里使用3D打印的行李架，这也 是空客商务机首次使用 3D

9、打印的部件。空客公司生产的军用“台风”战斗机，使 用了 3D打印的空调系统。空客还提出2016年是钛合金3D打印年，并预计到2018 年每月将有30-35 吨的增材制造零件被装在飞机上。波音公司开发出一种悬浮式 3D 打印技术，在没有任何实体打印平台的情况下，实现 360 度无死角操作，并 于近日成功获批专利。波音公司已经利用3D打印技术制造了大约300种不同的 飞机零部件，包括将冷空气导入电子设备的导管等。预计到 2018 年波音的飞机 会采用超出20000个3D打印零件。GE专门成立了增材制造实验室，成功收购了 生产商MORRIS公司，于2014完成传感器外壳设计、制造，2015年2月获得

10、FFA 认证，第二周投入使用。GE进一步推出了 3D打印的燃油喷嘴（图8），并于2015 实现批生产，2015 生产了 1000 件，2020 年预计可达年产 40000 件。俄托木斯 克理工大学2016年3月31日发射世界首颗外壳全由3D打印制造的立方体纳卫 星。该卫星搭乘“进步MC-2”号货运飞船前往国际空间站，之后再由国际空间 站宇航员在例行出舱活动期间发射到预定轨道。该大学科学家认为，采用 3D 打 印技术制造外壳将使这类卫星变得更为廉价和普及，进一步降低卫星开发的门槛。 美国Aeromet公司利用激光3D打印技术制造出多个大型钛合金关键承力件，其 中整体筋板加强钛合金发动机框的尺寸达

11、到2.5m,重达130Kg，机翼拼接接头等 已经在F22及F18E/F上得到批量使用。图 8 GE Leap 发动机燃料喷嘴 图9西北工大制造的飞机主承力梁（长5米）国内近年来增材制造的开发和研究也有了长足的进步。以北航的王华明教授， 西北工大的黄卫东教授，华中科大的史玉升教授等为代表的大学，研究院在增材 制造工艺和产品开发上取得了可喜的成果。北航的王华明教授于 1995 开始金属 激光增材制造的研究，为国产C919, J15等提供航空结构件，其中包括航空发动 机整体叶盘。 2012 年，凭借“大型复杂整体钛合金结构件激光成型制造技术及 装备”获得国家技术发明奖一等奖。华中科大利用增材制造技术

12、生产六缸发动机 盖， 7天内可以整体成型四气门六缸发动机缸盖砂芯。而采用传统的砂型铸造试 制方法需要5个月。华中科大还为空客和欧洲航天局制作飞机，卫星，航空发动 机用大型复杂钛合金部件的铸造蜡模。其设备成型空间为1.2米x1.2米，达到激 光烧结快速制造领域世界领先水平。正如王华明教授所说，3D打印不是泡沫也非“神器”增材制造作为成熟的 工艺方法要走的路还很长。增材制造除了不具备规模经济优势以外，材料 /功能 源的开发滞后，各种金属材料最佳烧结参数的积累，凝固组织，内部缺陷质量控 制，及其无损检验关键技术，晶粒尺寸/晶粒形态趋向的控制，后续热处理工艺， 变形控制等都是影响增材制造发展和完善的瓶

13、颈。2.2）增材制造技术发展趋势增材制造的技术在设备的成本，效率，功能方面发展迅猛，正从塑料快速原 形向金属零件；单一材料向多种材料和嵌入结构；单一增材制造向和切削加工的 集成，应用范围较窄向突破规模/成本/材质限制的方向提升和进化。而在航空航天中的发展趋势体现在非金属部件向金属，复合材料；功能结构 件向次承力，主承力结构；结构件替换向结构的重新优化设计；单一性能材料向 功能梯度材料；零件级制造向部件级制造，机器人智能制造等爆炸式发展，这对 航天航空工业可能产生颠覆性的影响。次承力井j 弹n奉RrirIK1ES A.為装怖忡主承力伸装饰件功能件次承力件主承力件材料塑料鋁/钛钛/钢/新材料钛/钢

14、/新材料设计替换设计替换/优化优化优化制造快速/成本高快速/成本高难度大难度大适航审定无无/简单说明强制强制成熟度9653图 11. 增材制造的产品对比图 10 从塑料装饰件向结构主承力件发展金属增材制造对于少批量产品具有减少模具成本，降低全寿命成本的优势， 性能上与锻件相当或高于锻件，用来替换现有钛合金锻件，已经在航天、军机部 门得到应用，但在民机领域尚无应用。还需在抛光，喷丸，等静压等后处理方法 上突破，以提高增材制造产品的致密度和均匀性进而提高产品的疲劳寿命。企业的增材制造的核心能力建设，将注重优化设计能力，工艺研究能力，质 量控制与适航审定能力（详见表 2）。优化设计工艺研究质量控制/

15、适航审定许用值确定：建立流程，积累数 据，建立生命周期各阶段的数据 库以及建立数据的相关性和可追 溯性。制备技术：制定工艺参数， 制备稳定/可靠的零部件粉末质量保障，设备稳定 性保障拓扑优化：仿生学设计，培养工 程师拓扑优化能力热处理技术：消除产品的残 余应力，改进微观结构零件性能保障，批生产过 程与方式的质量与适航 符合性功能梯度材料结构设计：根据飞 机不同部位的需求，设计功能材 料结构。支撑材料移除：合理设计支 撑部件和打印策略，控制产 品变形高精度尺寸控制一体化设计：减少零件量，降低 装配成本机加工和表面处理：精加工， 喷丸，抛光，提高疲劳性能无损检测表 2. 企业的增材制造能力建设2.3）增材制造的CAE仿真技术的现状与其他行业工艺的研究、设计、开发一样，在提高增材制造产品的质量一致 性，追求“一次成功”来降低废品率，保证性能的可靠性上真正超过常规工艺方 法等问题上，需要建立一整套生产标准，质量检测，安全论证的规范，以及快速 提高企业的核心技术能力。而