增材与设计融合行业与学科共进——走进金属高性能增材制造与创新设计工信部重点实验室

金属高性能增材制造与创新设计工信部重点实验室定位于金属增材制造与创新设计领域的应用基础研究,以建立涵盖增材制造金属材料、工艺、装备技术、创新设计到重大工程型号应用的全链条增材制造的技术创新体系为核心目标,始终注重学科前沿性与学科交叉的结合,前沿性研究与科学技术攻关、解决现实问题的结合,学校与工业界的深度结合,积极参与培育创新创意设计、个性化定制、专业化服务、绿色制造和社会化“泛在制造”等新兴制造模式。实验室重视人才培养,向社会输出大量增材制造相关专业技术方向的复合型人才。     

航空装备电子束增材制造技术发展及路线图

增材制造技术在航空装备领域具有广泛的发展前景。作为重要的金属增材制造工艺方法，电子束增材制造正处于快速发展阶段。电子束熔丝增材制造技术可满足航空大尺寸结构件的快速低成本制造，并可用于高价值零件的修复。电子束选区熔化增材制造技术在复杂结构以及难熔合金制件的制造方面具有显著优势。本文在对国内外电子束增材制造技术现状和发展趋势分析的基础上，从发展需求、目标、共性关键技术、应用、战略支撑与保障5个方面综合分析，绘制了面向2035年的航空装备电子束增材制造技术路线图，以期为航空装备电子束增材制造技术发展提供参考。     

激光选区熔化增材制造缺陷智能监测与过程控制综述

激光选区熔化（SLM）技术被认为是最有应用前景的增材制造技术之一,已应用于航空航天、医疗器械等领域。然而,如何确保构件质量的可靠性和制造的可重复性是SLM面临的最大挑战,已被认为是限制SLM及其他金属增材制造技术发展和工业应用的最大壁垒。其中,主要原因是SLM过程中会产生难以控制的缺陷。因此,对SLM进行过程监测和实时反馈控制是解决这一挑战的重要研究方向,也已成为学术界和工业界的研究热点之一。通过对近十年该领域的文献调研,综述了金属激光增材制造中常见的冶金缺陷及其产生机理,对金属增材制造过程产生的信号及其监测手段,如声信号、光信号及热信号等进行了详细描述;总结了信号数据的处理方法,包括传统的统计处理方法和新兴的基于机器学习的智能监测方法;随后,综述了金属增材制造过程的质量控制方法,包括非闭环控制和闭环控制,并对全文进行了总结,展望了未来SLM智能监测和控制领域值得深入的研究方向。     

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。     

金属增材制造技术应用于军用飞机维修保障浅析

金属增材制造技术的发展为军用飞机维修保障提供了一条数字化、定制化、高性能、短周期的技术新途径,可提升军用飞机维修保障的技术水平和能力。本文综述了军用飞机维修保障的国内外现状,指出了金属增材制造技术的应用优势,介绍了军用飞机零件的典型损伤形式、不同增材制造工艺的适用性及修复工艺选取方案,分析了所涉及的逆向建模、结构优化、智能机器人等关键技术,详述了目前存在的技术成熟度与可靠性不高、修复原则不明确、标准规范不统一等主要问题及解决措施,指出了增材制造技术在军用飞机维修保障领域未来的发展方向和趋势,并给出了具体的应用建议。     

改善金属增材制造材料组织与力学性能的方法与技术

金属增材制造技术在航空航天、船舶工业、汽车制造、生物医疗等行业得到快速发展。然而增材制造过程中存在的几个问题减缓了该技术的广泛应用。其中,增材制造材料内部的特殊组织使其存在明显的各向异性,增材制造构件内较大的残余应力导致材料的变形和开裂以及材料内部容易产生裂纹和孔洞。主要介绍几种改善金属增材制造材料内部组织和性能的方法和技术,包括工艺参数的优化、后处理技术、颗粒引入、超声干扰技术、超声冲击技术、滚压轧制技术和超声微锻造技术。     

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。     

空间制造技术研究进展

分析了空间制造技术的发展背景与技术特点，介绍了国内外空间增材制造技术、空间焊接技术的发展情况，总结了相关领域的研究热点。包括非金属与金属空间增材制造工艺、装备的发展现状，空间电子束焊接、固相焊接等工艺与装备研究进展等。论述了我国空间制造技术研究的发展方向。研究结果可为我国空间制造技术研发提供参考。     

金属超声波增材制造技术的发展

近年国外发展起一套新的超声波增材制造技术,它采用大功率超声能量,以金属箔材作为原材料,利用金属层与层之间振动摩擦产生的热量,促进界面间金属原子相互扩散并形成界面固态物理冶金结合,从而实现金属带材逐层叠加的增材制造成形,同时将固结增材过程与数控铣削等减材工艺相结合,实现了超声波成形与制造一体化的超声波增材制造技术.与高能束金属快速成形技术相比,超声波增材制造技术具有温度低、无变形、速度快、绿色环保等优点,适合复杂叠层零部件成形、加工一体化智能制造,在航空航天、武器装备、能源、交通等尖端领域有着重要的应用前景.本文介绍了超声波增材制造技术的原理及发展,以及该技术在叠层复合材料的制备和零部件制造等方面的应用,同时介绍了国内超声波增材制造技术的研究进展.     

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。     

飞机设计域向工装域映射机理研究

为提高某飞机制造企业产品设计、工艺规划和工装设计的协同设计效率和响应速度,对三者之间的映射机理进行研究。首先依据企业需求,定义飞机设计域、工艺域和工装域的信息构成;然后,明确飞机设计-工艺-工装之间的有机联系,构建基于多色集合理论的分层映射模型,给出映射模型的建模原理和建模流程,从而实现飞机部件从设计特征到工装概念设计特征的映射;最后,开发了相关设计工具并在该公司某机型舱门骨架的装配工艺规划和工装概念设计中进行应用验证,为实现飞机设计-工艺-工装的一体化设计奠定了理论基础和实践基础。     

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。     

点阵结构部件的增材制造路径连接方法

旨在提高点阵结构部件增材制造的加工效率。点阵结构经分层切片后,每层将产生大量待填充多边形,通过将这些多边形抽象为离散点,并在切片层面内求解旅行商问题,进行连接路径的规划,进而获得高效率的点阵模型填充路径。算法综合考虑到旅行商问题的计算效率以及连接路径的计算总长:采用蚁群算法可获得无交叉连接轨迹,计算2000个点的连接规划耗时小于3.5s,对照国际先进算法仅增加0.2%的路径总长;当部分抽象点距离过远,则采用距离聚类的方式将抽象点集分割为子集,再分别进行路径规划。仿真及试验验证结果表明,该方法可以获得高效的无交叉连接路径,有效降低连接路径总长及加工时间:总打印时间减少17.52%,总连接长度减少17.38%,满足实际增材制造需求。     

飞机线束数字化制造系统研究与开发

针对某线束企业目前线束工艺缺乏有效校验、设计效率低、生产过程管理和技术状态控制薄弱的现状,在分析航空线束工艺设计和制造现状的基础上提出建立数字化制造系统,利用信息技术为工艺设计提供智能辅助支持,实现对生产过程的显性化管理和对技术状态的有效控制。通过建立数字化制造系统,在提高线束工艺设计的效率、加强对工艺文件的技术状态管理、提升对线束生产过程的控制能力等方面取得了明显的进步,并通过实例验证系统的实用性和有效性。     

面向制造的飞机钣金零件多态模型

 针对飞机钣金零件数字化制造过程中零件信息定义问题，对多态模型作进一步研究，建立了基于状态、特征、要素和数据4个层次的模型结构，分析了模型的内容和组元关系，结合实例给出了模型各个状态的定义顺序，说明了模型的实际应用。工艺设计、工艺装备设计等应用系统可以直接引用模型的状态信息，实现飞机钣金制造过程的数字量传递和智能化决策。     

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。     

支持工艺设计的制造知识类型及层次模型

针对工艺设计人员对大量制造知识的需求问题,分析了制造知识与工艺设计的关系,按照对工艺设计的支持作用,将制造知识分为制造资源类、制造对象类和制造过程类三大类别,建立了包括零件层、属性层和数据库层的制造知识结构层次模型,以制造设备为例,采用IDEF1X方法建立了支持工艺设计的制造知识表达模型.