激光直接制造技术的应用

激光直接制造技术的应用激光成形技术在航空领域中的应用:A:快速成形技术是基于离散-堆积成形原理的成形方法，由产品三维CAD模型数据直接驱动，组装（堆积）材料单元而完成任意复杂三维实体（不具有使用功能）的技术总称。激光近形制造是基于局域送粉的金属零件快速制造方法，它是在激光涂覆技术的基础上发展起来的。激光涂覆的目的是通过在被加工工件的表面熔覆功能层，来提高工件的耐磨性和抗腐蚀能力，常用于零件或者模具的修复。为了实现修复，补充缺损的材料，常常进行多层加工，在此基础上形成了激光生长技术。B:激光近形制造技术在航空领域的应用直接体现在航空用钛合金结构件的直接制造以及航空发动机零件的快速修复方面。2001年在美国国防部的支持下激光近形制造技术有技术研究转化为F/A-18E/F、F-22、JSF等先进歼击机上的装机应用。2002年以来激光近形制造技术成为美国航空航天国防武器装备大型钛合金结构件的核心制造新技术之一。在四代机F-22中钛合金结构件用量占机身结构重量的41%，先进航空发动机中钛合金占发动机重量的25-40%。钛合金用量的高低已经成为衡量飞机、发动机等国防装备先进性的重要标志之一。由于大型钛合金结构件的传统制造方法具有成本高、锻造模具准备时间长、大型以及超大型工业设施（高吨位水压机以及超大型自由锻造设备等）匮乏、数控加工设备稀缺、机械加工量大、材料利用率低等弱势，采用激光近形制造技术直接制造大型钛合金结构件显示了巨大的优势。C:在航空发动机零件的快速修复方面LENS技术也发挥了极大的优势。例如美军为了取得军事上的优势在恶劣的沙漠环境中使用T700黑鹰直升机，由于发动机上很多带叶片的叶轮受到沙粒侵蚀，使直升机的飞行寿命锐减。叶轮的侵蚀不仅减小了发动机的飞行寿命，还导致燃料损耗增加、马达动力减弱、工作温度升高以及压气机和涡轮零部件的损害。如果更换整个叶轮，成本将非常昂贵。美军引入了LENS技术对破损的零部件进行修复。据报道，采用传统方法修复一个直升机发动机大约需要11万美元，而采用激光直接制造技术进行修复大约只需要500美元，且修复部分的材料耐磨性能优于原始材料，可以延长发动机的使用寿命，减少检修频率。美军运用LENS技术检查修复涡轮发动机的零部件，包括涡轮转子、密封转轮、间隔压气机、导向器叶片、压气机定子、压气机叶片等。LENS系统能够在很短时间内修复用常规方法无法修复的高温合金破损零部件。此外美国空军在还应用LENS技术对快速制造X-45A无人驾驶战斗机模型进行了响应空气动力学分析的试验测试以及其他应用。D:SLM技术是基于粉末床的金属零件快速制造方法，与SLS技术的不同之处在于SLM过程中金属粉末完全熔化以及该过程使用的金属粉末为单组元粉末材料，生成的模型或零件的致密度约为100%。该制造方法更加适合制造形状复杂、尺寸较小的精密零件，特别是具有中空结构的零件。采用该方法制造的具有中空结构的铝合金、钛合金以及镍基合金的模型说明了该制造方法在航空领域的应用潜力。激光塑性成型技术的应用塑性加工具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。根据专家的预测，到21世纪，零件粗加工的75%和精加工的50%将采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺和新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。新世纪科学技术面临着巨大的变革，通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广是过去任何时代所无法比拟的，塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现，把握塑性加工技术的现状和发展前景有助于我们及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性加工技术的持续发展。精密成形技术精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。近10年来，精密铸造技术、精密压力加工技术与精密焊接技术突飞猛进。在精密铸造方面，熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、金属型铸造和消失模铸造等技术得到了重点发展，铸件质量大大提高。例如采用消失模的铸件，壁厚公差可达±0.15mm，表面粗糙度可达Ra25μm。在精密压力加工方面，精冲技术、超塑成形技术、冷挤压技术、成形轧制、无飞边热模锻技术、温锻技术、塑性加工具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。根据专家的预测，到21世纪，零件粗加工的75%和精加工的50%将采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺和新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。新世纪科学技术面临着巨大的变革，通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广是过去任何时代所无法比拟的，塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现，把握塑性加工技术的现状和发展前景有助于我们及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性加工技术的持续发展。精密成形技术精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。近10年来，精密铸造技术、精密压力加工技术与精密焊接技术突飞猛进。在精密铸造方面，熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、金属型铸造和消失模铸造等技术得到了重点发展，铸件质量大大提高。例如采用消失模的铸件，壁厚公差可达±0.15mm，表面粗糙度可达Ra25μm。在精密压力加工方面，精冲技术、超塑成形技术、冷挤压技术、成形轧制、无飞边热模锻技术、温锻技术、多向模锻技术发展很快。例如700mm汽轮机叶片精密辊锻和精整复合工艺已成功应用于生产，楔横轧技术在汽车、拖拉机精密轴类锻件的生产中显示出极佳的经济性。除传统的锻造工艺外，近年来半固态金属成形技术也日趋成熟，引起工业界的普遍关注。所谓半固态金属成形是指对液态金属合金在凝固过程中经搅拌等特殊处理后得到的具有非枝晶组织结构、固液相共存的半固态坯料进行的各种成形加工。这种新的金属加工技术可分为半固态锻造、挤压、轧制和压铸等几种主要工艺类型，具有节省原材料、降低能耗、提高模具寿命、改善制品性能等一系列优点，并可生产复合材料的产品，被誉为21世纪新兴金属塑性加工的关键技术。激光快速成型软件变长线激光快速成型系统软件包括从CAD造型直到驱动数控加工整个过程中所有软件。从工作情况来看其包括如下处理过程：首先由CAD软件生成曲面或实体模型，然后将CAD模型转化为表面三角化模型（STL文件格式），利用分层（切片）软件，将STL文件所表示的模型转化为一层层的平面轮廓信息，层厚可根据加工精度要求进行设定，再以最大激光线长对各平面轮廓表示的平面图形进行分区处理，获得对各分区进行扫描烧结时的扫描头各电机的NC代码，最后进行成型加工。如果从工作性质来看，上述软件又可分为三部分：即造形软件、预处理软件和数控加工软件。图2给出了软件系统的结构示意图。3.软件结构及功能3.1造型软件三维CAD造形软件是激光快速成型技术的重要组成部分。其主要作用是设计出待加工工件的模形。并对模型进行表面三角化离散处理。国际上功能较强的CAD软件都具有线框模型，实体模型和曲面模型的造型三种功能，但目前多用实体模型和曲面模型进行快速成型中的原形设计。为了适迎合快速成型技术的发展，很多CAD软件都配备了STL接口（STereLitbography）。STL接口的主要功能就是实现对模型进行表面三角化处理，即对模型的内外表示进行三角形离散，其离散精度可以根据精度要求进行控制，要求精度越高，在三角化离散时所用三角形的边长越小，对一个模型的描述所需的三角形就越多，离散处理所耗的时间越长，而且处理后的数据量越大，经过表示三角离散处理后的模型次据称为STL文件。3.2预处理软件预处理软件的作用就要对由STL文件格式所描述的模型进行处理，以提供数控软件所要求的数据，从处理过程来看主要包括：（1）对STL文件的正确性进行检验和修补由于STL文件是对原始CAD模型进行表面三角化所得，所以无论是原始CAD模型中存在的问题，还是在表面三角化过程中产生的问题，最终都会反映到STL文件中。其主要问题包括在STL文件中存在裂缝空洞、悬面、重叠面和交叉面等。如果直接对含有这些问题的STL文件进行分层处理，就会在分层后出现不封闭面和岐义面现象，所以要在分层处理前首先对STL文件的正确性进行检验。3.3数控加工软件数控软件的主要作用就是按用户在加工前输入的一些加工参数，根据各分区轮廓线数据自动产生扫描头各电机，工作平台控制电机，铺粉电机等，各电机的驱动NC代码。同时对各电机工作状态进行监控。并对电力系统进行管理。为了保证加工过程的顺利进行，在软件中还要有对数据格式进行自动检验，加工模拟等功能，以及在加工过程中，如果各运动部件有异常时，要有报警功能。光信080220081182059邹博琼