航空鋁合金薄壁零件3D打印技術研究

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13D打印技術基本概述

3D打印技術屬于一種快速成型技術，并且在快速成形技術中占據重要組成部分。3D打印技術又被人們稱為增材制造，能夠將不同先進技術進行有機結合，比如，計算機輔助制造技術、計算機輔助設計技術以及計算機數控制造技術等，集不同技術于一體的加工方式。3D打印技術的主流成形技術包含許多內容方式，比如，熔融沉積法、直接金屬粉末激光燒結法、光固化法以及選擇性激光熔化法等[1]。3D打印技術的思想最早起源于層疊成型理論當中，隨著社會的不斷進步與發展，使得計算機科學技術與計算機輔助設計技術得到優化與廣泛應用。3D打印技術相較于傳統的制造工藝，有著自身的優勢與特點。3D打印技術可以在短時間內，形成并制造出較為復雜的形態產品。在實際加工過程中，不需要進行費力的切削。這對企業而言不僅可以節省更多成本，同時在最大程度上避免浪費問題的出現。除此之外，3D打印技術能夠將設計的內容進行實物化，對設計工作、選型工作做出檢查與分析，降低產品開發風險，為企業的更好發展打下基礎。

2航空鋁合金薄壁零件上3d打印技術的應用特點

將3D打印技術應用在航空鋁合金薄壁零件具備一定的特點，主要體現在以下幾點中：2.1制作復雜零部件產品較為迅速。3D打印技術能夠對較為復雜的零部件進行迅速的加工制造，并且在這一過程中，可以不使用模具。直接可以將計算機當中的設計圖紙轉化為實體的零件，為相關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打印技術相較于傳統的制造工藝而言，縮短復雜零部件的制造時間，減少產品的開發周期，為相關企業節省更多成本的同時，使得研發的產品能夠更快投放到市場中，為企業創造更多經濟效益與社會效益。2.2實現原材料的高效利用。將3D打印技術應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，實現對材料的充分利用。在打印完產品后，只需要進行簡單的后續處理，就可以投入到使用中[2]。實際原材料的利用率可以達到60%，最高可以達到90%的利用率。傳統的制造方式，會造成材料浪費問題，特別是在航空復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問題，同時使得加工成本增加。2.3促進產品結構優化。3D打印技術科學合理的利用，能夠在保證性能的基礎上，實現對零部件結構的優化與完善，在最大程度上避免零部件質量問題的產生。相較于傳統拼接構件，可以強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。將復雜的結構進行簡化，使得產品重量得到減少。通過對零部件的優化，使得零部件應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，進而保證零部件結構的完整性與強度。

3航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術的應用

3.1在機械定位誤差中的應用。在將3D打印技術應用在航空鋁合金薄壁零件時，要加強對3D打印機的充分利用。實際3D打印機在運行過程中，會受到電機的控制。電機各個零部件，對系統的安全穩定運行會產生一定影響。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計尺寸存在一定偏差。與此同時，因為掃描系統在工作過程中，會存在相應的加速過程中，所以，會產生一定的固化不均勻現象，進而出現誤差。對于Z軸方向的控制，通常情況下是由絲杠展開相應控制工作[3]。利用上下移動，完成成型加工操作。總而言之，在機械定位誤差當中，要加強對3D打印技術的利用，從而將誤差問題控制在合理范圍內。3.2在匹配誤差中的應用。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。如果與噴頭的運行速度以及運行路徑不匹配，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，填充物的實際結構與設計存在偏差問題，從而產生打印誤差問題的出現。但是，在3D打印過程中，結合擠出熔融材料的量，以及擠出速度等影響因素，對補償量以及速度進行計算，從而將誤差控制在有效范圍內，盡管無法避免誤差的出現，但是也可以對誤差進行控制。最為理想的狀態是，一定時間內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行與實際基礎材料量在理論上無法實現匹配，所以，使得填充材料的橫截面形狀出現變化。3.3FDM成型技術的應用。FDM成型技術也就是人們所說的熔融沉積成型技術，熔融沉積成型技術的實際工作原理是，電機等不同裝置，將熱塑性材料輸送到加熱器當中，并且在加熱器內對其進行加熱融化。接著利用噴頭底部的微細噴嘴，將已經融化的材料，經過一定的壓力，將材料噴出。被噴出的材料在經過已經被設計好的噴頭軌跡，將會形成熔結層面。當一個層打印完成后，工作臺將會移動到另一個層當中進行打印，直至打印出完整實體。通常情況下該種原理的打印機，實際結構較為簡單，并且所花費的成本相對較低，成形尺寸較大。同時也存在一定缺點，比如，產品質量有待提升，并且需要相應的設計提供輔助。所以，此種類型打印機更加適用于桌面級工業產品使用或者低精度工業產品使用。在FDM成型技術下的3D打印機設備包含不同系統，比如，加熱系統、控制系統以及機械系統。加熱系統主要是通過對電阻絲的合理利用，對材料進行加熱使其呈彈性流體狀態，這樣更容易被擠出。控制系統的主要工作內容是，對噴頭的運動方向、運動速度以及運動軌跡進行控制，同時將出料寬度參數以及加熱溫度參數控制在合理范圍內[5]。機械系統包含不同系統，比如，成型室系統、裝置系統等。能夠應用FDM成型技術的材料，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噴嘴溫度會產生直接影響，加強對噴嘴溫度的控制，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，會直接影響打印產品質量。因此，為使得打印產品質量得到保障，需要將噴嘴溫度控制在合理范圍內，一般情況下，在出料具有合適粘性系數的流體狀態范圍內選擇。因為，如果噴嘴溫度較低，那么粘度將會變差，流動性較強，那么材料被擠出的速度較快，從而導致出絲直徑無法被有效控制，導致最終產品質量無法保障。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激光燒結技術的應用。激光燒結技術也可以將其分為不同的技術類型，比如，直接激光燒結技術、選擇性激光燒結技術等。不同技術之前的原理大致相同，在本文主要是對選擇性激光燒結技術進行分析與闡述。選擇性激光燒結技術原理與選擇性激光融化技術大致相同，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，在對其進行散熱與冷卻操作后，可以與固體金屬之間進行致密的冶金結合，不斷累計，形成三維實體。SLS設備由不同的系統構成，比如，加熱系統、光學掃描系統以及控制系統等。在實際的3D打印成型過程中，需要注意以下幾點問題：第一，對將要被加工的三維實體零件切片文件進行讀取，并且將適當的工藝參數加入到其中，從而形成相應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結束語

綜上所述，3D打印技術對航空鋁合金薄壁零件制作而言具有重要作用。因此，需要相關工作人員能熟練掌握3D打印技術。這樣才能將3D打印技術優勢充分發揮，為我國航空事業的更好發展打下基礎。

參考文獻：

[1]譚立忠，方芳.3D打印技術及其在航空航天領域的應用[J].戰術導彈技術，2016（4）：1-7.

[2]史玉升.3D打印技術的工業應用及產業化發展[J].機械設計與制造工程，2016，45（2）：11-16.

[3]張向東，陳亞莉，齊瑞梓.薄壁復雜飛機發動機機匣本體3D打印技術優勢簡介[J].科技創新與應用，2016（31）：77.

[4]宋彬，及曉陽，任瑞.3D打印蠟粉成形工藝研究和應用驗證[J].金屬加工（熱加工），2018（1）：23-26.

[5]董云菊，李忠民.3D打印技術制作風扇部件鑄造模具的應用研究[J].鑄造，2018，67（12）：69-72.

[6]劉飛，王煒，李金岳.3D打印技術在空間飛行器研制中的應用研究[J].航天制造技術，2018，212（06）：62-66.

作者:李文剛 謝凝 單位:中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所