國家增材制造創新中心薛飛:送粉式激光增材與減材復合制造裝備及工藝應用

3D打印人物
2019
10/09
13:06
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2019年9月19-21日,IAME中國(西安)國際3D打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技創新的開放合作共享交流平臺,匯聚全球頂尖的增材制造(3D打印)領域成果及人才,促進行業各環節、產業鏈的銜接融合。南極熊作為戰略合作媒體,到西安現場全程報道。
2019年9月 20 日“增材制造工藝與裝備論壇”,國家增材制造創新中心項目經理薛飛做了主題是《送粉式激光增材與減材復合制造裝備及工藝應用》的報告。

下面是現場速記:

下面由我做一個增減材方面的報告,前面專家提到了增材和減材的復合,說明這有著它的重要性。我們有一個團隊大概20個人左右,專門專注于送粉式激光增材與減材復合制造裝備及工藝的研究,我們2017年初成立,2018年6月份開發出第一臺設備,在今年9月份的時候開發出了它的改進版,就是帶氣氛保護的增材與減材復合制造。針對航空航天的具體需求開展了工藝應用的研究,非常榮幸能代表我們團隊向各位專家、各位來賓匯報一下我們的工作進展,以及談一下我自己對增減材復合制造比較淺薄的認識。

一、增減材復合制造技術現狀
金屬增材主流兩種工藝,一種就是大家通常說的鋪粉,一種就是大家通常說的送粉。鋪粉是在粉末床的基礎上通過激光掃描實現成形,送粉是通過送粉頭或者激光熔頭或者焊槍這樣的關鍵部位,在運動機構的帶動下實現它的成形。目前這兩種技術,SLM和LMD都有做增減材復合制造。一般是在單層或者十層左右,成形以后做銑削。但是銑削有一個特點,不管是等高或者形面銑,實際上是做水平或者朝上層面,如果朝下是做不到的。所以這一類的復合目前在報道中通常應用在一些復雜行腔的模具中。

為什么要用五軸?大家看這個圖的懸臂結構,如果加一個設備,可以實現懸臂特征的自由變位,可以實現增材和減材功能的自由切換。所以這種LMD和五軸銑削符合這樣的方式適合我們通常說的毛坯成形增減材復合制造。增材的表面相對是比較粗的,如果在一臺機床上實現增材和減材復合的話,我首先可以修正它的機準,即使我拿到另外一臺五軸上去做的話已經有了一個機準,對校對有很大的好處。當然從發展方向上來講,邊增邊減大家可以想像,航空航天復雜零件很多,內孔內腔內流道,今天上午航空航天論壇有專家也提到這些,現在這些怎么做呢?通常用鑄造、焊接等一系列的手段,焊接有殘留物,這個對于航空航天是有風險的。表面質量成形方面是有影響的。而我現在把零件進行分解,實現在過程中它的增材和減材的復合。

我碰到最常見的問題,大家會問如果要逐個特征的復合,要不要做熱處理,在后面增材的過程中,前面的特征加工過了如果它變形了怎么辦?這是最常見的問題,我在后面會闡述。這種方法比較適合于中大尺寸,鋪粉會受到粉末槽的影響,一般尺寸在500以內。送粉理論上來講運動機有多大,成形零件就有多大,這是理論上的,實際過程中有一些復雜的問題。所以說適用范圍可以應用在航空航天模具等復雜零件的一體化制造與修復。

我們回顧一下目前送粉式增減材復合制造設備的現狀,制造廠商分為兩類,一類的特點是數控機床出身,一類的特點是工藝的提出者,套用我們比較時髦的詞就是“+的概念”,一類是增材+,一類是減材+,也就是大家為什么看到不管是哪一家都沒有整體細分,他們更關注于不銹鋼高溫合金不易氧化材料的成形,因為他們做傳統工藝設備起家。從結構形式上來看也是兩種形式,這是主流的設備,像DMG的65 3D設備,都是用搖籃的五軸形式,可以自由變換姿態,解決局部特征的變位問題,實現在成形過程中法向成形,不用斜著打,保證成形質量。像另一個產品4300是臥式的形式,這兩個機床主要用于燃氣輪機大型葉片的修復,所以選擇了臥式車銑的結構。在企業方面,我們的大連三壘在兩三年前已經做出了這樣的復合設備,我們國創中心也開展了這樣的工作。

我們可以總結一句話,增材和減材的功能復合不是問題,因為增材和減材的功能部件本身是成熟的,如果簡單的復合起來,不管是換刀的形式或者其他的形式,加一個模組上下移動都是可以的。為什么它現在的應用受到了限制或者還沒有得到充分的驗證?就是工藝驗證沒有得到充分的證實,從目前的報道上來看,工藝驗證還是很有限的。當然我們現在致力于這方面的工作,下面看一下為什么要做增減材?這個需求不管是航發的專家還是航天系統的專家,講的都非常多,我分成兩類零件。一類是開式零件,一類是閉式零件。開式零件是航空發動機的機匣和葉輪,大家知道材料利用率很低,如果用增減材復合把毛坯打出來,可以進行接近最終的成形,這樣材料去除率得到有效的控制,所以這一類零件就可以嘗試用我們的邊增邊減,這樣可以實現一體化成形。其他方面早上航空航天論壇各位專家也講了很多。

二、五洲增減材復合制造設備LMDH600介紹

在航天航空企業中得到了驗證,我們做了什么工作呢?把增材集成進去,結合增材工藝特點做了一系列的開發,除了五軸聯動以外實現了復合。這是我們的主要參數,目前這個型號最大的加工直徑到625毫米,成形效率達到大于等于200立方厘米/小時。材料是需要強調的,我們可以做鈦合金,因為有整體氣氛保護。

剛才匯報的在數控機床上集成增材成形,功能復合本身不是問題,但是難點在專用數控系統的開發。大家知道不管是西門子或者國內的數控系統也好,是五軸加工起家,在加工過程中不考慮增材的需求,增材和減材是兩個領域、兩個工作環境的加工模式,增材是熱成形,工藝參數和環境本身是不一樣的,所以簡單的用傳統的五軸加工,數控系統能不能用呢?是可以實現基本功能的。但是如果我們要進一步實現所謂的智能控制,在線檢測和工藝控制,需要對數控系統進行深入的二次開發,非常遺憾西門子這個是不對我們開放的。這方面我們開放式數控機床的基礎上做了一些工作,首先集成了熔池同軸測溫,集成了CCD熔池形狀監測,能夠實時的修正工作距離。我們實現了激光功率的標定,大家經常問我激光器是衰減的,衰減以后工藝參數是不是能匹配?所以我們增加了一個功能,配備便攜式的激光功率控制,實現定期的標定,實現工藝參數實現精準的匹配。工作距離的補償,保證這個工作距離的穩定性,保證成形質量。閉環控制也有很多專家提到,目前正在開發當中,我們也在努力做這個事情。

結合增減材復合制造的需求我們開發了專用的界面,氣氛保護和刀具冷卻,我們設計了冷卻氣體的循環方式,保證恒壓設計。目前我們在UG基礎上做了二次開發,針對五軸增材編程,五軸增材和三軸增材是不一樣的,這個不是單純的平面,也有可能是曲線層,所以這個軟件和傳統的軟件是有區別的。我們開發了分層切片模塊以及專用的軟件包。針對激光熔融系統,制定粉束及光束二維標定方法,我們自己做了一套系統,精準的標定粉斑的直徑和標準距離,因為粉斑直徑和送粉參數直接相關,通過明確粉斑直徑設計定制熔頭,明確在這個匹配狀態下的參數窗口。如果我們買一個現成的頭,這個設計是有匹配的,工藝窗口我們不知道,根據這個反向的設計,實現粉末的最大利用率,這是我們做的工作,也希望能上升到標準的水平,能夠規范我們熔融系統的標準測試。

因為是五軸機床,我們評價增材成形的質量和精度質量以及五軸的加工能力,輪廓度控制在0.05毫米以內,這是我們做的不銹鋼、模具鋼、高溫合金、鈦合金等。這是17-4HP的組織分析,我們在這個基礎上進一步開發能量控制功能。我們知道機理決定了冷卻速率,也決定了最終的形貌,對能量輸入進行主動控制,可以獲取不同的冷卻速率和參數,最右邊的圖已經趨向于等軸晶,我們這個也是這樣的思路,通過工藝參數的匹配和控制實現控制,達到用戶的使用要求。

三、增減材復合制造工藝研究案例

這是一個渦輪機匣,最大直徑390毫米,高度233毫米。左邊是打印過程需要29.5小時,右邊是切削時間65小時,制造周期縮短了60%以上。后來經過檢查,在安裝邊外僅有兩處缺陷,其他方面是沒有缺陷的。需要注意的是安裝邊我們是實際可以修正的,如果能夠精準的定位到這個缺陷的位置,可以用增減材的方式切掉補出來,實現缺陷的控制。另外還有力學性能的檢測結果。

航天發動機螺旋葉輪。上面是打印的表面,粗糙度還是不錯的,基本上可以控制在比6.3稍微低一些的水平,加工表面的精度可以達到正常的加工水平,打印時間是28個小時,切削時間44個小時,這個件如果摳出來需要以月來計算。我們對它的形狀用五坐標測量設備進行了測量評價,如果不考慮位置誤差的話,為什么這個曲線是這樣的呢?葉片和軸是有一個跳動,因為是螺旋狀,所以看到誤差是正旋型。上表面的位置誤差多了,下表面的位置誤差就少了,我們調整上面和下面的量是可以修正過來的,所以自適應加工也是增減材技術中非常重要的。我們可以看到受到正旋曲線的因素,在軸線方向有串動,如果我們這個通過反變形的方法去做,有可能是可以修正的。總體來講這個件的精度要求不是很高,如果把位置誤差補償掉,可以彌補這方面的誤差。

第二種工藝是用了逐段成形銑削的方法。通過增材、銑削的步驟,零件本身可能不需要這樣的過程,但是我們為了驗證這個工藝的可行性,最后右邊兩個圖是銑削完成的件,我們留了0.2毫米的余量,結果得到了最下圖的那個零件。我們經過精度的分析,略好于之前的結果。所以我們覺得邊增邊減本身的形狀精度是可控的范圍。

最后總結一下工藝原則,我們覺得增減材復合制造不管是毛坯成形以后做減材,或者鍛造毛坯+局部增材、逐個特征增減材,首先要考慮變形,變形是不可避免的,然后考慮熱處理,進行銑削加工,這是對開式零件。對于閉式零件建議用特種加工,因為在前期邊增邊減的過程中,表面質量已經達到了一定的程度,余量得到了有效的控制,這種情況下如果再用電火花加工或者特種加工,本身加工的效率可以得到很明顯的提升,如果這樣的工藝存在著這樣的必要性。

四、技術展望
裝備方面的智能化,包括在線檢測、閉環控制等一系列控制手段的集成,工藝復合是多種工藝的復合,包括鍛件,最后是材料的復合,像剛才張老師提到的不同材料,比如不銹鋼和銅復合,比如和鈦的復合。從早上航空航天論壇各位專家的報告看到,需求是非常顯著的,問題是很明顯的,工藝亟待驗證,而且借用早上向院士的一句話,希望它驅動設計,通過我們新的工藝手段來驅動工藝設計方法,不是被動的設計了一個結構想辦法解決這樣的加工問題。去應力、控變形、自適應加工,控性包括像江老師提到的用超聲的方法實現了控性,我們增減材可能更關注去應力、控變形、自適應加工,找到這個來修正變形。編程和仿真軟件,五軸和傳統的三軸是有區別的,而現在UG這些軟件供應商已經開始關注增材,包括五軸增材,像搖籃式里都有初步的編程,如果這個技術能進一步推動,商業化的因素跟上。難點是我們把用戶的工藝策略定制進來,比如葉片的加工,實際用戶用UG的我不知道有多少,可能有一些專用的工具等。就是它有它的工具策略,不同的精度有不同的工藝特點。所以工藝策略需要用戶定制,通過這些努力技術成熟度能夠不斷的提升,目標是服務用戶,希望協同發展,最終實現技術的推廣應用。

我的報告就是這樣,謝謝大家!

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