季華增材團(tuán)隊(duì)金屬3D打印助力航空關(guān)鍵零部件的輕量化制造

近日，季華實(shí)驗(yàn)室增材制造團(tuán)隊(duì)通過(guò)SLM金屬3D打印技術(shù)成功制造出適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能輕量化軸承座。團(tuán)隊(duì)針對(duì)軸承座的特征和性能要求，經(jīng)過(guò)多次仿真迭代，及部分特征件的打印測(cè)試，在改進(jìn)了包括支撐在內(nèi)的多項(xiàng)工藝參數(shù)后，達(dá)到成型要求，幾何特征與提供的CAD模型保持一致。

▲軸承座結(jié)構(gòu)

航空級(jí)精密軸承座結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承力部件。一般來(lái)講軸承座上有供油、回油、通風(fēng)孔及密封環(huán)等結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的銑加工和鉆孔制造過(guò)程中，刀具易發(fā)生干涉、振動(dòng)等狀況，而增材制造設(shè)計(jì)可以有效的解決傳統(tǒng)制造的痛點(diǎn)。季華實(shí)驗(yàn)室增材制造團(tuán)隊(duì)在新型軸承座建模之初就已經(jīng)考慮到了增材制造的技術(shù)特點(diǎn)，采用自底向上的制造方式，減少了打印方向上的懸垂結(jié)構(gòu)，同時(shí)盡量精簡(jiǎn)材料，降低材料成本，保持結(jié)構(gòu)輕量化。部分不可避免的懸垂部位需要搭配其下方添加的支撐結(jié)構(gòu)才可順利成形。良好的支撐結(jié)構(gòu)需滿足一系列條件：既能保證零件的成功打印，又能在打印完成后輕易地去除，同時(shí)又不會(huì)占用太多的打印時(shí)間。

▲支撐添加方案

▲熱力學(xué)耦合仿真

相較于使用傳統(tǒng)試錯(cuò)法來(lái)對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)金屬 SLM 過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可快速有效地對(duì)金屬SLM過(guò)程中溫度和熱應(yīng)力分布及變化進(jìn)行表征，根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果對(duì)成形角度、支撐策略及工藝進(jìn)行有效調(diào)整，極大地縮短了金屬SLM過(guò)程的工藝開(kāi)發(fā)周期，并有效降低開(kāi)發(fā)成本。季華實(shí)驗(yàn)室增材制造團(tuán)隊(duì)通過(guò)多次仿真迭代與部分特征件的打印測(cè)試，改進(jìn)了包括支撐在內(nèi)的多項(xiàng)工藝參數(shù)，成功打印目標(biāo)軸承座。

▲新型航空軸承座

高性能的軸承座一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零部件之一，多年來(lái)其加工難度和輕量化的問(wèn)題始終是航空領(lǐng)域的瓶頸。通過(guò)仿真優(yōu)化及金屬3D打印技術(shù)的完美融合，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)加工方式無(wú)法達(dá)到的薄壁、尖角、懸垂、圓柱等極限結(jié)構(gòu)的成形工藝。全面提升零部件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能集成性，更大發(fā)揮產(chǎn)品設(shè)計(jì)的空間，同時(shí)減少了零部件的數(shù)量，極大地縮短了從設(shè)計(jì)到成品的研發(fā)周期，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)具有重要意義。增材制造技術(shù)作為季華實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)研發(fā)方向之一，隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，必將更為普及和成熟，也將引領(lǐng)未來(lái)制造業(yè)的快速發(fā)展，助力中國(guó)智能制造工業(yè)4.0！

作者：張士亨 畢云杰 王強(qiáng) 邵乙迪 高超峰 饒衡