激光增材制造技术的研究现状及发展趋势

增材制造技术能够快速将复杂结构的三维数据模型直接转化为实体零部件,是一种快速发展的数字化制造技术.激光增材制造技术是增材制造技术中最具代表性的一类,在增材制造技术领域扮演着重要的角色.主要介绍了两种典型的激光增材制造技术:激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术和激光金属直接成形(Laser Metal Direct Forming,LMDF)技术的原理与特点,归纳了其发展和研究现状,指出了激光增材制造技术的发展趋势.     

增材制造数字化模型平面与非平面切片及路径规划研究进展

增材制造技术基于“离散–堆积”原理,通过对三维数字化模型进行数据预处理、切片与路径规划,并生成增材系统可识别的执行代码,驱动增材设备实现零件的快速制造,近年来,该技术在航空航天、汽车、船舶、医疗、建筑等行业得到了广泛应用。切片与路径规划是增材制造三维数字化模型数据处理的核心步骤,决定着制造过程的工艺变量、零件形状精度和性能。首先综述了目前增材制造中基于CAD模型、点云模型、STL模型、体素模型等多种数字化模型切片方法研究进展,并从各模型生成精度、切片算法原理、算法效率等方面展开了评述;其次,对平面与非平面的等厚度、变厚度、变方向及分区组合等多种切片算法,以及平面单区域、多区域、局部特征及非平面等多种路径规划算法进行了综述,初步分析和梳理了切片及路径规划算法的设计要点;最后,总结了目前增材制造数字化模型平面与非平面切片及路径规划的研究现状,并对其发展趋势进行了展望。     

浅谈大数据在精密惯性仪表中的应用

精密惯性仪表被广泛应用于地面武器、飞机、舰船、航天器中,其作用是敏感、测量载体加速度和姿态等信息,确定载体的运动轨迹参数,实现对载体的精密导航、定向定位,在武器装备中具有非常重要的地位。首先从构成精密惯性仪表的精密微细结构出发,对大数据在制造过程中存在的问题进行了分析。通过对典型惯性产品装配过程的分析,总结了惯性仪表在装配过程中对产品精度和性能产生影响的几类微观效应;其次,通过分析“熵”在我国制造领域中的应用,提出了“熵”理论在惯性仪表装配过程中的应用思路;最后,结合上述分析结果,以三维点云数字化虚拟装配技术在惯性仪表中的应用和“熵”在惯性仪表故障识别与误差建模方向上的应用为例,给出了具体的研究内容、技术流程和研究结果。     

浅谈高精度惯性仪表制造技术特征中 不可忽视的制造工艺固有特性问题

重点研究了我国高精度惯性仪表产品制造技术如何突破传统机械产品制造工艺理念和认知框架,解决高精度惯性技术(原理)产品制造合格率、 参数稳定性和精度提高问题.首次在产品制造技术特征中从理论上提出了"制造工艺的固有(基因)特征性"概念,当研究提高惯性仪表精度的解决方案时,从制造角度应注意到这一"固有的遗传(基因)特征"抽象概念对产品精度影响作用.提出了在高精度惯性仪表的制造工艺设计中,应关注减小或消除这些制造工艺固有特征作为关键工艺控制因素.     

航空装备激光增材制造技术发展及路线图

激光增材制造支持结构设计创新、快速研制和验证，是当前航空装备领域最具代表性的增材制造方法，其中激光选区熔化主要应用于复杂精密功能结构的精确近净成形制造，激光直接沉积主要用于大尺寸复杂承载结构的制造。为支撑航空领域增材制造技术发展的战略布局，本文对激光增材制造现状和发展趋势进行梳理，指出增材制造发展重点必然会转向产品的冶金质量、力学性能及其稳定性控制方面，增材制造设备的在线监测、参数自整定控制等智能化功能的研究开发正成为设备的研发热点，基于损伤失效分析、寿命预测研究的增材制件力学行为研究以及基于元件、特征结构的性能考核验证技术，开始引起工程应用部门的关注。在对技术发展趋势分析的基础上，提出2035年航空领域激光增材制造技术发展目标和相应的政策和环境支撑、保障需求，并给出2035年技术发展路线图建议。     

增材制造技术的适航审查方法探究

在梳理增材制造技术的研究进展、适航规章及程序对民用航空产品制造工艺要求的基础上,结合增材制造技术的材料、工艺、设备、产品等方面特点,研究了增材制造技术在民用航空产品上应用的适航审查方法。本文为增材制造技术在民用航空产品上的应用梳理了审查重点关注事项,也为民用航空产品型号合格审查阶段的增材制造技术的适航审查技术提供了一定的参考。     

增材制造技术在航空装备深化应用中的研究

增材制造技术对飞机结构研制起到了重要作用,但其应用潜力尚未完全发挥.通过梳理增材制造技术在航空装备中的应用现状与特点,分析了增材制造技术在航空领域的应用发展趋势,并从结构设计、专用材料、制造工艺、性能验证4个方面对制约增材制造技术全面深化应用的关键因素进行了分析探讨.     

航空典型金属材料增材制造组织、缺陷、表面、构型研究进展

增材制造是一种集激光、数字化、材料等学科为一体的新型制造技术,具有降维制造、复杂成型、材料利用率高等优点,是材料加工领域中最具应用前景的技术之一,金属增材制造技术已在航空领域得到广泛研究和应用,国内外学者在航空金属材料增材制造方面的研究不断深入。中国航发增材制造技术创新中心在金属增材制造结构四要素——组织、缺陷、表面、构型方面开展了大量研究并获得一些数据,发现了一些现象和规律,包括组织接续生长特征及其对力学性能的影响;典型材料增材制造常见缺陷（气孔、裂纹、未熔合）特征、形成原因及其对力学性能特别是疲劳性能的影响机制;零件表面粗糙度与成形角度的关系及对疲劳性能的影响;金属增材制造构型的影响因素。在此基础上,总结了金属增材制造发展中存在的问题,对下一步重点提出了建议,并对未来研究工作提出了展望。     

增材制造钛铝合金研究进展

钛铝合金具有轻质、高强、耐高温等优异特性,在航空领域,特别是在航空发动机涡轮叶片上具有重要应用价值。然而,钛铝合金的室温脆性大、热变形能力低,使得采用传统的锻造、精密铸造、粉末冶金等技术均难以制造具有复杂形状,特别是具有内部空腔结构的钛铝合金叶片,限制了其性能的进一步提升。增材制造技术能够突破形状的制约,有望发展成为制造钛铝合金复杂结构零部件的新技术。目前,应用于钛铝合金的增材制造技术主要有电子束选区熔化、选区激光熔化和激光金属沉积。本文调研了增材制造钛铝合金领域2010~2020年的文献,对上述3类增材制造技术的原理和特性、所使用合金粉末的特性、打印构件的相组成、组织形貌和热处理工艺、宏观和微观力学性能及其在航空领域的应用等研究进行了对比分析和评述,并对增材制造钛铝合金发展中所存在的问题及下一步研发重点进行了总结和探讨。     

增材制造金属点阵结构性能研究进展

点阵结构是一种三维规则排列的多孔结构,具有高比强度、高比刚度及优异的散热性能,是结构功能一体化设计的主要载体。由于点阵结构零件的结构复杂,传统加工方法无法直接制备。增材制造技术是一种通过分层制造方式构建三维实体零件的新型制造技术,在复杂结构制造方面具有独特优势。通过增材制造点阵结构零件可以极大地降低制件重量,提高综合力学性能,在航空航天、能源、车辆工程等领域展现出巨大的技术优势。本文对增材制造金属点阵结构、极小曲面结构、拓扑优化结构等复杂零件结构相关研究进行了总结与归纳,从力学性能、轻量化、能量吸收、散热吸声等应用方向进行了综述,最后总结并展望了金属增材制造点阵结构的优势与发展方向。     

3D打印技术与传统加工技术对比的优缺点

随着计算机技术的飞速发展，3D打印（增材制造/快速成形）技术基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件，在多个领域具有广泛的应用前景。3D打印技术与传统加工各有千秋，3D打印与数控加工、铸锻造及模具制造等传统加工手段相结合，正在成为新产品快速成形与制造的方法之一。在民机制造领域，3D打印生产的零件，尤其是金属成形件，需要进一步的后处理（如热处理）才能投入生产使用。对于特定金属材料的3D打印成形零件，形状可以优化控制，并且结构静力性能可与铸锻件媲美。但是，由于无损检测能力的限制，3D打印零件内部孔隙度和微裂纹不可预测。对3D成形件的认识程度相比于传统加工还有较大差距，在民机应用中还有较长的路需要走。     

TC18钛合金增材制造材料超声检测特征的试验研究

针对TC18激光、电子束增材制造钛合金及变形钛合金3种不同制造工艺的材料开展超声检测特征试验研究。结果表明,TC18钛合金增材制造材料不同成形方向的超声波声速、材料衰减及检测灵敏度均存在较大差异,与变形钛合金相比具有明显的方向性。本研究结果对于增材制造制件的超声检测方法研究具有重要参考价值。     

面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。     

激光增材制造技术常用金属材料激光吸收率测量

应用反射率测量装置对几种激光金属增材制造技术常用金属粉末和金属板材的激光吸收率进行间接测量。对比不同粒度、球形度金属粉末激光吸收率的大小;测量金属粉末和金属板材分别对1064nm红外激光和532nm绿光激光的吸收率大小。测量结果表明,粉末的球形度越好、粒径越大,粉末对激光吸收率越高;金属粉末和金属板材对1064nm激光的吸收率小于532nm激光的吸收率。测量结果可为这些金属材料的激光增材制造提供试验数据基础。     

基于光敏树脂分析的3D打印加速度传感器设计

MEMS加速度传感器所采用的硅微机械加工技术存在个性化定制、小批量生产成本方面的不足，而3D打印技术的优势就在于无需模具的自由化定制、一机多用实现低成本产品生产，3D打印的发展趋势就是实现微纳尺度结构的制造。在此背景下，采用光固化立体成型技术设计了一种3D打印压阻式加速度传感器结构。传感器基底使用耐高温光敏树脂制作，并采用丝网印刷工艺在基底表面印制导电碳浆形成应变计结构。为此，首先对耐高温光敏树脂的相关热学与机械性能进行分析。通过测试，得到该光敏树脂固化后的起始分解温度等热力学参数。其次，通过控制光敏树脂紫外光固化时间，取得了较好杨氏模量和弯曲强度的树脂，且为该加速度传感器的结构仿真优化与制作工艺提供了必需数据与重要依据。除此之外，还对所设计的碳浆应变计结构进行了测试，得到了有效灵敏系数。通过以上工作，为最终实现3D打印加速度传感器的制作做好铺垫，助力3D打印技术与MEMS传感器技术相融合。     

电子束熔丝增材制造过程随动测温阵列系统

实时监测电子束熔丝增材制造过程的温度场分布对于抑制变形、提高电子束熔丝增材制造质量具有重要意义。研制了一套电子束熔丝增材制造过程的随行动态测温阵列系统,对整个装置进行了系统设计、硬件集成、软件编写和试验验证。结果表明,该随动测温阵列系统在电子束熔丝增材制造过程的高真空、高温、高辐射、高金属蒸气等恶劣环境中能稳定工作,不仅能在正常状态下进行测温,而且在增材基板受热变形时也能连续测温,能够实现随行动态测温以及温度场实时显示、存储和重构分析等功能,显示形象直观,系统稳定性较强,操作简单。     

增材制造阵风锁支座的装机应用研究

根据3D 打印技术的装机推进要求，在完成材料及工艺的验证后，即开始进行试片级增材制造材料许用值试验以及增材制造零件级试验。增材制造的零件由于其工艺特点，通常X-Y 方向与Z 方向力学性能有差异，与传统金属零件设计时各向同性的特点有差异，因此有必要在接近真实飞行状态下测试其力学性能。以增材制造阵风锁支座为例，计算飞机运营过程中最大载荷状态，选取最典型的载荷方向进行工装试验方案设计；在试验开始前，进行工程计算和软件仿真，预测失效模式和失效载荷。结果表明：软件仿真和工程计算的结果准确有效，增材制造钛合金阵风锁支座的力学性能稳定，能够承受极端工况的考验，满足装机要求。     

增材制造技术在航空航天金属构件领域的发展及应用

受传统制造工艺的限制,航空航天产品一直存在生产周期长、制造成本高、减重困难等问题,迫切需要开发出航空航天产品高效快速研制方法。与传统制造工艺相比,增材制造技术以其完全不同的制造理念迅速成为制造技术领域的新方向。阐述了金属增材制造(激光/电子束/电弧)技术种类、优势、深入研究和成果应用。     

高分子增材制造技术对我国航空制造业的发展影响研究

全球范围内,经权威机构正式认证的飞机金属增材制造零件数量目前仅两例;而高分子材料增材制造零部件,在波音飞机上正式使用已近20年之久,累计总量在10万件以上。将增材制造技术与航空产业进行深度融合,做好统筹规划与顶层设计,同等程度地重视用金属和高分子材料增材技术直接进行航空器零部件的制造,是促进产业健康可持续发展的关键环节。     

基于MCM&SOC方案的微惯性器件系统集成技术综述

近年来,在航空航天、武器装备、高端工业等领域的制导、控制等应用需求的牵引下,微惯性器件的尺寸、质量与功耗(SWaP)指标不断提升,配套电路由PCB逐步升级为ASIC。综合工艺复杂度、成本、性能潜力等因素,基于MCM和SoC的MEMS结构与ASIC系统集成方案逐步成为目前的主流选择。介绍了主流微惯性器件MEMS结构与ASIC的MCMSoC系统集成技术现状,并对各集成方案特点进行了分析对比。此外,对微惯性器件MEMS与ASIC系统集成的关键技术进行了总结。最后,简要分析了国内外差距并展望了下一步发展趋势。