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最新消息| 航空部件的穩健金屬增材制造工藝選擇和開發 | 2022-10-17 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://new.qq.com/rain/a/20220828A01CO400" 盡管增材制造有許多優點，但在某些應用中它可能并不比傳統制造好，應該針對每個零件和生產效率進行評估。某些增材制造合金的新穎性導致缺乏認證，這可能會阻礙選擇3D打印技術，不過無論3D打印技術其潛在好處如何，更加系統化的工藝選擇方法是必要的。在過去的十年中，航空航天工業中的金屬3D打印-增材制造(AM)用于開發和飛行應用變得越來越普遍。可用于鑄造或鍛造替換、維修或復雜組件構建的金屬增材制造工藝非常廣泛。將AM-增材制造用于航空航天業的技術優勢包括減少質量、復雜的幾何形狀（傳統制造不可行）、增強的熱傳遞、一體化結構件和新型高性能合金的使用。優勢包括減少零件交貨時間和成本、快速的設計故障修復周期、更快的上市時間、減少廢料浪費、獲得更低的買飛比。本期谷.專欄結合將結合《RobustMetalAdditiveManufacturingProcessSelectionandDevelopmentforAerospaceComponents》這篇論文，解讀航空航天零件金屬3D打印工藝選擇的整體方法。▲原文鏈接：https:link.springer.comarticle10.1007s11665-022-06850-0▲航空航天增材制造發展方向?3D科學谷白皮書....3D打印-增材制造生命周期金屬增材制造的好處可以從兩個方向來理解-一個是生產效益，另一個是綜合效益。生產效益專注于制造過程，包括減少材料消耗，縮短交貨時間，最小的模具成本，降低裝配成本和自動化的影響。而綜合效益是指在使用通過增材制造出來的產品的過程中，來自如減輕重量帶來的燃油效益，更高的性能和可靠性，更長的壽命收益，更快的新產品推出，市場相應速度，減少庫存以及更好的適應性和更具吸引力的產品附加值等等。▲3D打印的價值臺階?3D科學谷白皮書而通常在談到增材制造的時候，不論是制造業還是增材制造行業本身都容易過于關注生產效益，而忽略了綜合效益。而增材制造的價值臺階：原型與模具，備品備件，復雜零件，創新產品，在不同的臺階中生產效益的價值或許相似，然而綜合效益的價值卻是隨著臺階的升高而越來越大。需要進行研究才能為零件選擇最佳的增材制造工藝，并且首先要全面了解組件的整個生命周期。增材制造航空航天部件的迭代且高度集成的生命周期步驟是（1）設計和預處理，（2）構建過程（包括工藝參數和原料）（3）后處理以及（4）在役零件和資格。每個產品生命周期步驟都會影響流程選擇、所需步驟，并影響最終零件的性能。▲3D打印的產品生命周期效益?3D科學谷白皮書設計和預處理設計步驟不僅包括典型的設計過程，還包括用于AM-增材制造和模型驗證的設計（即模型檢查和零件詢問），以確保導出的模型與原始設計意圖相匹配。?3D科學谷白皮書僅在制造步驟之前，設計和預處理步驟就可能在增材制造生命周期中進行大量迭代。在設計中必須考慮3D打印-增材制造整個過程全生命周期中的所有后續步驟，并且可能包括用于夾具、加工基準、用于粉末去除的端口或用于精加工操作（如拋光）的尺寸。整個AM-增材制造過程應該被概念化并包含在設計階段，以最大限度地減少成本和迭代。在這方面，此前，根據3D科學谷《3D打印用基板與機加工用夾具二合一，Fraunhofer推出突破性的數控加工后處理方案》一文，提到過通過3D打印-增材制造工藝，可以特別靈活地制造復雜且個性化的零件。基于粉末床的激光熔化技術，或簡稱為L-PBF越來越多地被用于制造發動機部件或醫療植入物。但是，目前生產效率很低，尤其是涉及到機加工后處理的時候。工件的幾何形狀越復雜，在CNC數控加工設備上進行精確的定位和夾緊就越困難。CNC數控加工過程中，工件裝夾方式通過確定工件原點來確定了工件坐標系，加工程序中的各運動軸代碼控制刀具作相對位移。為了簡化L-PBF金屬3D打印與CNC數控加工的銜接并提高加工精度，Fraunhofer弗勞恩霍夫IPT生產技術研究所的研究團隊開發了一種用于3D打印過程中的基板和CNC數控加工過程中帶定位基準的夾具，目前已申請專利。3D打印結束后，可以在常規CNC數控設備上進一步加工工件，而無需通過諸如電火花線切割等機械工藝將其從基板上拆卸下來，然后再將其固定在夾緊系統上。構建過程AM-增材制造工藝通常具有不同的能源、輸入參數和原料要求，這進一步打開了設計空間。這些工藝類別包括粉末床熔融(PBF)、定向能量沉積(DED)和固態工藝，例如冷噴涂(CS)、摩擦攪拌沉積(AFS)-D)和超聲波增材制造(UAM)等。在《增材制造設計（DfAM)指南》這本書中，援引了AM零件質量影響因素的石川圖，在石川圖中詳細的舉出了影響加工質量的160多種因素，僅僅是激光掃描過程，就包括了掃描線長度，掃描線種類，外輪廓，內輪廓，掃描方式，掃描速度，光束矯正，收縮補償，掃描線順序，填充間距，填充方向，激光功率，（離）聚焦，表面填充參數，偏移等等。可見要通過人的經驗來駕馭和平衡160多種影響加工質量的變量是非常難的。根據3D科學谷，目前通過人工智能用于3D打印過程控制主要是聚焦于控制孔隙（密度）、局部缺陷、過程中產生的內應力、設計和尺寸精度、微觀結構變化等。控制這些參數中的任何一個都是一項具有挑戰性的任務，因為影響它們的變量數量是巨大的。不僅可控的工藝參數會影響結果，幾何形狀、材料類型、設計類型、零件形式和環境因素等其他因素也會影響結果。當涉及到復雜航空零部件的3D打印-增材制造時，例如。包括復雜的（合金）成分，由超級合金制成的渦輪機的耐高溫部件需要提供出色的機械強度、抗熱蠕變變形、良好的表面穩定性以及抗腐蝕或抗氧化性。因此，高溫合金部件的開發在很大程度上依賴于物理、化學，尤其是工藝創新。在這方面，通過數據集的方法和相應的質量控制方法則可以更好的做到這一點。在這方面，根據3D科學谷的市場研究，西門子為3D打印-增材制造提供數據集的方法和相應的質量控制方法申請了專利，探索了如何解決隨時間可視化多重因素之間的復雜相關性的挑戰，并且更重要的是，直接將相應的信息寫入到3D打印部件的三維表示中。在應用中，增材制造工藝已用于維修、涂層和自由成型零件制造，不過每種工藝都有獨特的優勢和局限性。盡管整個行業存在許多示例，但使用的主要工藝是激光粉末床熔融(L-PBF)，其次是DED（包括激光線材沉積DED(LW-DED)和激光粉末沉積DED(LP-DED)）。每種增材制造工藝的使用量都在迅速增加。增材制造工藝通常是相互補充的，可以相互結合使用，以最大限度地降低整體零件成本和性能。▲各種金屬增材制造工藝的特寫以及沉積構建方向?Springer后期處理后處理對于確保每個零件都符合最終設計意圖至關重要。通常涉及多個后處理步驟，包括粉末去除、構建板去除、熱處理、機加工、檢查、清潔、連接和表面拋光。適當的熱處理可消除殘余應力并改善其最終應用所需的材料性能。后處理步驟必須針對每個零件、材料和制造方法單獨考慮。根據增材制造創新設計發表的《金屬增材制造技術在民用航空領域的應用與挑戰》一文，增材制造零件性能高度依賴于后處理，包括熱處理、去支撐、表面光整等。由于成形過程快速熔化和凝固以及熱循環等特點使得組織結構復雜，存在各向異性，傳統的熱處理工藝制度不再完全適用；對于粉末床熔融成形復雜結構零件，工藝支撐去除手段有限，多采用鉗工去除，存在零件變形及損壞風險，質量一致性難以保證；毛坯零件需要經過表面處理才能達到或接近零件最終使用要求，淺表層存在的微細裂紋限制了其在轉動件或承力件上的使用。內表面光整處理是粉末床熔融增材制造后處理技術的關鍵難點。現階段主要的技術方法為電化學加工、磨粒流、磁力拋光等，對于簡單流道可基本滿足要求，但在復雜流道、盲孔、薄壁、變截面、復雜曲面等方面尚存在較大不足，容易出現去除量不均勻、流道破損等現象。新型內腔光整技術和支撐去除技術是未來增材制造后處理技術發展的方向，進一步提高零件尺寸精度和表面粗糙度對提升零件綜合性能可以起到關鍵作用。認證根據3D科學谷的市場觀察，用于制造3D打印零部件必須全面、科學地回答材料完整性和質量一致性的問題。特別是對于飛行關鍵零部件，目前用于完成此任務的技術是計算機斷層掃描，也就是眾所周知的CT掃描。3D科學谷《洞見l航空航天3D打印-增材制造零件的認證》一文分享過，在進行小批量制造之前，航空部件制造商必須通過在構建室內的不同位置和方向打印小型測試立方體來確定生產操作參數。然后對這些材料進行CT掃描，了解材料密度和一致性、尺寸精度等屬性。發現缺陷的操作員可以調整激光功率和其他變量，打印多個測試樣本以優化生產力和零件質量。然后對較大的零件以及具有代表目標零件的復雜幾何形狀的零件重復此過程，并反復評估冷卻通道、懸垂和各種壁厚等設計元素，直到金屬制造過程具有可預測性。測試是一項重大投資，往往超出設備本身的投資。任何金屬AM-增材制造零件供應商都應在生產時間、原材料、操作員培訓以及CT掃描設備和軟件的使用方面為測試提供足夠的預算。當前任何新的3D打印技術都需要長達一年的工藝開發，然后對每臺后續機器進行幾個月的微調。鋁、鈦、哈氏合金和Inconel高溫合金被飛機制造商廣泛接受，但當零件是通過3D打印制成時，預計會受到更嚴格的審查，尤其是還有可能使用新的合金，所有這些都需要在飛行使用前進行廣泛嚴格的測試。CT掃描已被證明是鑒定這些材料和未來材料的重要工具。對于3D打印支架、燃料噴嘴和渦輪部件而言，情況確實如此。并且制造商可以使用CT分析單個晶粒的高分辨率模型，該模型只有一兩個微米。將零件投入使用包括最終組裝、測試、零件鑒定工作和生產計劃。零件在役步驟需要知識淵博的工程師在增材制造生命周期的各個方面（設計、預處理、構建過程和后處理）進行詳細集成，以滿足零件要求。這可能涉及鎖定流程之前的設計迭代，需要考慮優化流程選擇和實現性能目標的機會。?3D科學谷白皮書工藝選擇的因素增材制造工藝選擇的因素分為四個主要領域：(1)設計特征，(2)工藝輸入，(3)工藝限制和考慮因素，以及(4)冶金和幾何考慮因素。設計特征包括合金選擇、整體零件尺寸和特征分辨率。過程輸入包括原材料的類型和屬性（化學、粒度分布、線徑等）和詳細參數。?3D科學谷白皮書工藝限制和考慮因素包括單合金或多合金的使用、工藝經濟性、工藝可用性和工業成熟度。零件的幾何設計和冶金方面的考慮包括后處理（包括配合法蘭的機加工、拋光等）和導致最終性能的冶金特性，工藝選擇的最常見依據是組件的復雜性和規模。設計特點在過去6年中，增材制造工藝的構建量大幅增加，一些工藝現在能夠構建高達9米高和5米直徑的體積。不過僅為構建體積選擇的工藝不能保證滿足最終零件的性能、特征分辨率或材料特性的要求。材料的考慮是關鍵的，通過材料來考慮選擇什麼樣的增材制造工藝，航空航天增材制造金屬包括鋁合金、不銹鋼、鈦合金、鎳基和鐵基高溫合金、銅合金和難熔合金等等。合金選擇通常被認為是工藝選擇的初始輸入考慮因素，縮小潛在原料范圍并開始分析工藝可用性。并非所有合金都可用于該工藝，并且合金性能會有所不同。?3D科學谷白皮書每種增材制造工藝的特征分辨率都有范圍，并且高度依賴于原料、機器硬件配置和工藝參數。值得注意的是并非所有AM-增材制造工藝都是為最高特征分辨率而設計的，許多工藝旨在提供高沉積速率作為鍛造或鑄造替代品，并減少總體建造成本。工藝輸入設計師還必須考慮金屬3D打印-增材制造的供應鏈，特別是起始原料和增材制造加工機器。無論成分、形式或新穎性如何，原料的交付周期都可能很長，在評估整個供應鏈時必須加以考慮。粉末原料要求取決于增材制造工藝，并且必須根據化學成分和粒度分布(PSD)進行控制，以確保流動性和鋪展性。其他原料，如線材、棒材或箔材，對于普通合金來說可能很容易獲得，但對于定制合金，可能需要更長的交貨時間或更高的成本。?3D科學谷白皮書大多數AM-增材制造過程允許多合金加工，盡管迄今為止，多合金AM增材制造組件的冶金特性用于航空航天飛行應用中的實施還是很有限的。可以針對質量、熱、結構或其他設計特征對使用多種合金的構建進行優化。過程限制和注意事項由于增加的構建時間、構建功能或必要的后處理操作，復雜性會帶來許多隱性成本。此外，可檢查性通常會隨著復雜性的增加而降低。復雜性給后處理操作帶來了挑戰，例如除粉、加工、拋光和檢查，應在整個生命周期內進行評估。隨著沉積速率的增加，成本會降低，但特征分辨率也會降低。AM-增材制造流程之間的成本交易必須包括竣工復雜性和所需的后處理步驟。例如，接近最終形狀的零件可能會以高沉積率快速構建，但由于庫存過多，需要額外的加工時間。最常用的金屬增材制造工藝是L-PBF，相比之下冷噴涂的生產工藝有限，但隨著新機器制造商的出現，市場正在增長。與少數機器供應商的許多其他工藝相比，AFS-D和UAM的開發較少，但所有工藝的研究和工業化正在迅速成熟。由于早期的行業采用、飛行應用的標準開發以及新材料的開發和表征，一些增材制造工藝比其他工藝更成熟，從而提高了技術準備水平(TRL)。?3D科學谷白皮書對于硬件認證，必須控制工藝參數并證明其是一致的和可重復的，這與工業成熟度有關。冶金和幾何考慮材料特性高度依賴于原料、工藝本身以及熱處理等后處理方法。金屬加工的變化將對微觀結構和材料性能產生重大影響。根據材料的狀態、加熱和冷卻速率或構建操作期間的冷加工，每個過程都會產生不同的微觀結構。隨著金屬增材制造工藝成熟并被用于航空航天部件，必須進一步了解微觀結構對工藝參數、原料和機器硬件的響應。必須充分了解和鎖定構建參數和原料，并在整個熱處理和后處理的演變過程中評估微觀結構。對增材制造工藝對材料微結構和性能的影響因素的深入了解，有利于支持材料性能優化和增材制造零件航空航天認證方法的改進。▲不同金屬增材制造工藝的Inconel625的完工微觀結構?Springer總結工藝輸入、工藝控制和工藝的可重復性以及材料的冶金特性是一個永遠在路上的研究話題，即使增材制造在航空航天應用中迅速成熟和工業化，每個零部件的加工仍然具有獨特的經驗教訓，以及通往認證和生產的正確途徑。最終，控制零部件的性能需要仔細關注產品制造過程生命周期的每個步驟，以生產滿足冶金特性和性能、幾何公差和設計意圖的零件，并以負擔得起的方式獲得零件的認證。而最終，航空零件逐步邁過從原型設計到小批量再到量產規模的門檻，在這方面，還需要將工藝流程鏈、生產線的銜接等等更多因素考慮進來。l谷專欄l歡迎高校及科研機構、企業科學家加入谷專欄，與業界分享對推動增材制造發展起關鍵作用的共性基礎科研與應用成果，歡迎掃描下方圖片二維碼提交您的信息。--相約TCT亞洲展--知之既深行之則遠三維世界｜全球視角▲ 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