金属增材制造工艺制订与实施 课件 项目四 打印航空叶轮 任务一

项目四打印航空叶轮THREEDIMENSIONALPRINTINGSLM:Selectivelasermelting（选择性激光熔化）是利用金属粉末在激光束的热作用下快速熔化、快速凝固的一种技术。《金属增材制造工艺制订与实施》教材课件任务一项目获取与分析项目学习目标YOURLOGOLearningObjectives1.了解金属3D打印当前在航空航天领域的应用现状；2.理解航空叶轮轻量化的概念与意义；3.掌握SLM金属增材制造航空叶轮的工艺特点及注意要点；4.能应用切片软件，合理选择加工参数，完成打印程序；5.能够操作金属打印机完成本项目制件的打印工作；6.能够完成本项目制件相关后序处理。35※项目情境：某航空企业研发新产品，计划采用金属增材打印工艺完成轻量化叶轮的制作。叶轮模型设计好以后，交由校企合作的增材制造技术应用工作站进行样品模型打印。工作站研发团队需要对该模型进行轻量化内部晶格设计，然后完成切片打印，并清理出制件内部粉末。该产品数量为两件，材料为高温合金。

工作站研发团队接到任务以后，通过任务单了解并分析客户需求，根据客户提供的3D模型进行轻量化设计，然后选择加工方法、材料、设备等，制定打印工艺，完成打印及后处理，交付质检部验收确认，并填写设备使用情况和维护记录。任务学习目标STATUSOFINDUSTRYDEVELOPMENTYOURLOGO任务一

项目获取与分析✭任务学习目标：

1.了解金属3D打印当前在航空航天领域的应用现状；

2.理解轻量化设计的概念与其在航空航天制造领域的意义；

3.掌握SLM增材制造航空叶轮的工艺与应用。任务一项目获取与分析【任务工单】产品名称航空压缩机编号

时间5天序号零件名称规格材料数量/套生产要求1航空叶轮D200*100GH416921.增材加工成型部分及基体；2.减材加工配合固定部分；3.成型表面部分随模具型腔一体处理。2

备注

接单日期生产部经理意见（同意生产）完成日期：表4-1-1任务工单任务一项目获取与分析请参见图4-1-1，了解“航空叶轮”零件的最终效果：图4-1-1零件效果图任务一项目获取与分析【项目分析】一、图样分析下图为“航空叶轮”的零件图（图4-1-2），现做如下分析：图4-1-2航空叶轮零件图纸任务一项目获取与分析1.整体分析

本产品为航空用压缩机上的叶轮，该叶轮形体尺寸中等，呈放射状叶片分布，内部晶格结构可以减少质量和转动惯量，相较于传统减材加工工艺更适合采用增材制造方法。晶格结构须运用切片软件3DXpert来设计生成，保持壁厚4mm左右即可。晶格结构内部会封闭大量金属打印粉末，可通过后序底面钻孔形成出粉孔来进行清理。其它轴孔等精加工部位及表面处理交由客户企业机械制造部完成。2.尺寸分析

该零件最大成型尺寸为160mm，最薄壁厚为2mm。轴孔等精加工部位由减材加工工艺完成，因此打印时相应部分要留有0.2mm的精加工加工余量。高度方向要在大端面部位留有0.5mm以上的精加工余量。直径方向，即零件外围尺寸保留增材制造自然成型精度即可。3.表面质量

本制品外表面要进行强化热处理及相关的抛光处理，相关工艺内容由企业客户自主完成。任务一项目获取与分析二、相关知识1.增材制造技术在航空航天领域的应用现状

当前，欧美发达国家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，增材制造技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注。早在2012年3月，美国白宫宣布了振兴美国制造的新举措，将投资10亿美元帮助美国制造体系的改革。

其他一些发达国家也在积极推动增材制造技术在航空航天领域的应用。德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用。澳大利亚政府启动了“微型发动机增材制造技术”项目，旨在使用增材制造技术制造航空航天领域微型发动机零部件。日本政府也很重视增材制造技术的发展，通过优惠政策和大量资金鼓励产学研用紧密结合，有力促进该技术在航空航天等领域的应用。

之所以会产生这一热潮，是因为金属3D打印增材制造技术对航空航天领域带来的效益是广泛的。任务一项目获取与分析第一，加速新型航空航天器的研发。金属3D打印高性能增材制造技术摆脱了模具制造这一显著延长研发时间的关键技术环节，兼顾高精度、高性能、高柔性，可以快速制造结构十分复杂的金属零件，为先进航空航天器的快速研发提供了有力的技术手段。第二，显著减轻结构重量。减轻结构重量是航空航天器最重要的技术需求，传统制造技术已经被发挥到接近极限，难以再有更大的作为。而金属3D打印高性能增材制造技术则可以在获得同样性能或更高性能的前提下，通过最优化的结构设计来显著减轻金属结构件的重量。任务一项目获取与分析第三，显著节约昂贵的战略金属材料。航空航天器由于对高性能的需求，需要大量使用钛合金和镍基超合金等昂贵的高性能、难加工的金属材料。但很多零件的材料利用率非常低，一般低10%，有时甚至于仅为2%-5%。大量昂贵的金属材料变成了难以再利用的废屑，同时伴随着极大的机械加工量。作为一种高性能近净成型技术，金属3D打印技术可以把高性能金属零件制造的材料利用率提高到60%-95%，同时也就显著减少了机械加工量。第四，制造一些过去无法实现的功能结构，包括：拓扑优化最合理的应力分布结构；通过最合理的复杂内流道结构实现最理想的温度控制手段；通过合理的结构设计和材料分布实现振动频率特征的调控，避免危险的共振效应；通过多材料任意复合实现一个零件的不同部位分别满足不同的技术需求等。任务一项目获取与分析第五，通过激光组合制造技术改造提升传统制造技术，使铸造、锻造和机械加工等传统制造技术手段更好地发挥作用。激光立体成型技术可以实现异质材料的高性能结合，从而可以在通过铸造、锻造和机械加工等传统技术制造出来的零件上任意添加精细结构，并且使其具有与整体制造相当的力学性能。这就可以把增材制造技术成型复杂精细结构的优势与传统制造技术高效率、低成本的优势结合起来，形成最佳的制造策略。任务一项目获取与分析我国在“中国制造2025”规划背景下，3D打印成为推动智能制造的主线，航空航天是增材制造重要应用领域之一。多品种、小批量、结构复杂等是航天独有的产品特点，轻量化、低成本、快速研制的迫切需求与3D打印成型自由度高且快等特点高度契合。2021年5月15日，中国首枚火星探测器“天问”一号成功着陆。在天问一号探测器的着陆巡视器和环绕器的推进分系统内，作为着陆巡视器主发动机的7500N变推力发动机在制造过程中因3D打印技术的使用取得了重要效益：重量和体积只有以前发动机的三分之一，结构也更加优化、紧凑。任务一项目获取与分析2.增材制造技术在航空航天制造领域应用的意义

大型现代飞机发动机通常由数以万计的部件组成，虽然并非所有部件都可以通过3D打印技术制造，但除了核心涡轮和压气机叶片之外的许多部件都可以合理地使用该技术，以下是在航空航天应用中使用增材制造的典型意义：

（1）可构建具有复杂几何形状的零件。

从直升机零件到涡轮发动机，航空航天部件有时需要在非常狭窄的空间中使用高度复杂的几何结构。设计工程师可以使用“自上而下的整体装配式设计”来创建整个结构的3D模型，而不是单独创建小而复杂的零件。

（2）可实现更高效的原型设计。

无需设计模具和外包生产，航空航天工程师只需使用传统制造方法所需的一小部分时间即可设计和打印原型。凭借更快地创建和测试原型的能力，航空航天公司可以加快上市时间并在竞争中保持领先地位。任务一项目获取与分析

（3）可开展经济高效的生产。

对于传统制造，许多航空航天应用的材料浪费可高达98%。而增材制造是增加材料而不是减少材料，因此可以大大减少材料浪费，帮助制造商节省生产成本。

（4）可增加零件的刚度强度。

每次将较小的部件组装成更大部件时，都会降低整体的结构刚性。通过增材制造，设计工程师可以创建整个零件，包括空心中心和内部组件，而没有脆弱易损的接头。

（5）可创建轻量级组件。

燃料是航空航天工业中成本最高的一项。减少燃料消耗的最好方法是制造更轻的零件。无需连接螺栓和螺钉等部件，增材制造工艺可以将车架重量减少25%，同时提高结构刚性。

（6）减少存储需求

由于增材制造过程快速高效，与必须通过标准供应链订购相比，航空航天制造商可以在内部自行生产组件，这减少了手头备件或维护大量存储设施的需要。任务一项目获取与分析3.轻量化设计主要概念

航天产品是“克克黄金”，每减重一公斤，就能节约几十万元的费用。如果结构材料能轻一些，不仅可以降低成本，还能搭载更多的载荷，进行更多的空间试验。比如带摄像机上去，就能使其具有更好的视觉、通信能力等等。在这种背景下，3D打印拓扑结构、晶格结构等轻量化结构，就特别有利于卫星的轻量化设计，使它的功能密度更高。

中国空间技术研究院、南京航空航天大学以及北京理工大学方岱宁院士团队合作开展了考虑增材制造几何约束的自支撑晶格单元创新设计策略研究，相关成果成功用于我国多个新型超轻航天器结构设计与制造。2019年，研制了国际首个增材制造全三维点阵整星结构，并随千乘一号卫星成功发射；2019年，将拓扑优化方法与细观点阵填充相结合，完成了中巴地球资源04A卫星、资源三号03卫星等航天器的关键设备支撑结构的优化设计与研制，实现了在多个型号航天器中的在轨应用；2020年，研制了基于增材制造三维点阵的相变储能装置结构，随天问一号火星探测器成功发射。同年，我国新一代载人飞船实验船成功验证，试验船搭载了星驰恒动公司研制的60余件金属3D打印产品，涉及三维点阵类轻质材料结构产品。除此之外，月球及火星深空探测器的相变热控制器以及集热器框架也由薄壁和晶格填充结构组成。任务一项目获取与分析封闭蒙皮包裹三维点阵的结构形式可以有效提高支架类结构的设计效率，在航天器结构轻量化方面具有推广应用前景（参见图4-1-3）。图4-1-3封闭蒙皮包裹三维点阵结构类型任务一项目获取与分析超轻型金属晶格结构解决了深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现了极其复杂结构的功能集成。这种外部蒙皮+内部三维点阵、变密度、内部含有流道等特殊复杂的构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生了较大的综合效益。晶格结构属于典型的轻量化设计手段之一，因此也引起了涡轮机械领域的兴趣。研究表明，在压缩机叶轮上应用内部晶格结构可以减少质量和转动惯量。使用3D打印技术制造的内部包含晶格结构的叶轮（参见图4-1-4），可以通过减少打印过程中积累的残余应力来提高叶轮的性能。图4-1-4内部包含晶格结构的叶轮任务一项目获取与分析4.实现轻量化的四种典型途径。（1）中空夹层、薄壁加筋结构。

铜合金尾喷管的内外壁之间设计了50条随形冷却流道，增大冷却接触表面积，降低温度达到快速冷却的效果，有效提高了零件的工作温度。

中空夹层、薄壁加筋结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子组合而成。在弯曲荷载下，面层材料主要承担拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力，也承担部分压应力。夹层结构具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音与隔热等优点。

在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等领域，大量使用夹层结构，减轻重量。（2）镂空点阵结构。

镂空点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学性能以及制造费用的完美平衡。

三维镂空结构具有高度的空间对称性，可将外部载荷均匀分解，在实现减重的同时保证承载能力。除了工程学方面的需求，镂空点阵结构间具有空间孔隙（孔隙大小可调），在植入物的应用方面，可以便于人体肌体（组织）与植入体的组织融合。

镂空点阵单元设计有很高的的灵活性，根据使用的环境，可以设计具有不同形状、尺寸、孔隙率的点阵单元。在构件强度要求高的区域，将点阵单元密度调整的大一些，并选择结构强度高的镂空点阵单元；在构件减重需求高的区域，添加轻量化幅度大的镂空点阵结构，镂空结构不仅可以规则排列，也可以随机分布以便形成不规则的孔隙。另外，镂空结构还可以呈现变密度、厚度的梯度过渡排列，以适应构件整体的梯度强度要求。任务一项目获取与分析（3）一体化结构。一体化结构的实现除了带来轻量化的优势，减少组装的需求也为企业提升生产效益打开了可行性空间。这方面典型的案例是GE通过长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化、测试、再优化，将喷油嘴的零件数量从20多个减少到一个。通过3D打印将结构实现一体化，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍,并且将提高LEAP发动机的性能（参见图4-1-5）。图4-1-5GE金属打印喷油嘴任务一项目获取与分析（4）拓扑优化结构拓扑优化展示件（如图4-1-6）根据引用要求边界条件，进行拓扑优化处理及打印光顺处理，实现了可打印性，最终减重了75%。拓扑优化是缩短设计过程的重要手段，通过拓扑优化来确定和去除那些不影响零件刚性的部位的材料。这实际是对原始零件进行了材料的再分配，往往能实现基于减重要求的功能最优化。拓扑优化后的异形结构经仿真分析完成最终的建模，这些设计往往无法通过传统加工方式加工，而通过金属3D打印则可以实现。图4-1-6拓扑优化结构件任务一项目获取与分析5.高温合金材料介绍

高温合金是在600-1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金，最常用的是钴基高温合金。

高温合金按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。按强化方式有固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。

变形高温合金牌号，采用．“GH”字母组合作前缀(“G”、“H”分别为“高”、“合”汉语拼音的首位字母)，后接四位阿拉伯数字。“GH”符号后第一位数字表示分类号，即：1——表示固溶强化型铁基合金；2——表示时效硬化型铁基合金；3——表示固溶强化型镍基合金；4——表示时效硬化型镍基合金；5——表示固溶强化型钴基合金；6——表示时效硬化型钴基合金。

本项目采用的高温合金是GH4169是一种国产最常用的沉淀强化镍基高温合金，在-253～650℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能够制造各种形状复杂的零部件.任务一项目获取与分析三、现场条件分析打印工艺类型SLM激光融化工艺打印材料类型高温合金GH5188打印机品牌型号YLM-328材料规格粉末粒度15~53μm设备最大打印尺寸D200*85后序处理去应力退火、线割切片软件3DXpert表面处理类型表面喷砂处理表4-1-2现场条件分析表任务一项目获取与分析【工艺方案制定】一、工艺路线分析

客户提供的叶轮模型数据只是最终产品标准，缺乏增材或减材工艺余量方面的考量。此外模型在传输或转换过程中可能也会产生数据缺损、失真等情况，因此首先必须对模型数据进行检查分析，对于模型数据破损失真的部位进行修复，对于需要后期减材加工的部位要适当留取余量。模型数据修正后，就可以导入切片工艺软件内进行打印工艺设计及参数设置，最终后置完成切片编程。

将后置出来的程序传输到打印设备，然后执行金属增材打印。完成后一体取下工件和打印基板，清粉后整体进行去应力退火。

航空叶轮打印完成后，根据客户需求，后序处理包括线切割取件，以及表面清粉和内部清粉。因此只需要在其大端面加工出粉孔，清理出内部晶格粉末即可。最后再适当喷砂处理，获取最终合格产品。工艺路线可参见图4-1-7所示。图4-1-7工艺路线图任务一项目获取与分析二、制定工艺方案（见表4-1-3）表4-1-3工艺过程卡班级：工艺过程卡片产品型号

零件图号

产品名称航空压缩机零件名称航空叶轮加工数2材料牌号GH5188材料形态粉末制件体积

预估用时

预估耗材（克）

工序号工序名称工序内容车间工段设备工艺装备工时准终单件01模型分析检查模型尺寸，检查模型数据是否有破损微机室

计算机NX软件

分析图纸，对需要减材加工部位进行余量设置微机室

计算机NX软件

数据转换微机室

计算机NX软件

02切片编程模型调入切片软件微机室

计算机3D-Xpert软件

调整模型摆放微机室

计算机3D-Xpert软件

对模型进行支撑设置微机室

计算机3D-Xpert软件

任务一项目获取与分析

设置激光扫描策略和