吳冰

摘? ?要：航空制造企業(yè)在大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中，采用傳統(tǒng)制造方法往往是十分困難的，生產(chǎn)周期長，設(shè)備穩(wěn)定性精確性要求高，如果加工過程中出現(xiàn)零件變形或加工工藝不合理造成的零件報廢，代價也是巨大的。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于，縮短加工時間，減少原材料浪費，質(zhì)量可靠，性能優(yōu)異，同時激光增減材3D打印設(shè)備可修復(fù)部分報廢零件的缺陷，節(jié)省了大量生產(chǎn)制造成本。

關(guān)鍵詞：增減材制造? 航空制造? 激光熔覆? 3D打印

中圖分類號：TP391.73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0005-02

1? 激光3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

隨著航空產(chǎn)品復(fù)雜程度的不斷提高和研制生產(chǎn)周期的不斷縮短，其對復(fù)雜精密關(guān)鍵部件和大型構(gòu)件的制造提出了更高的要求。與傳統(tǒng)機(jī)加工藝和模具成形等制造工藝相比，3D打印技術(shù)是將三維實體加工變?yōu)槿舾啥S平面加工，大大降低了制造的復(fù)雜度。其中，航空類產(chǎn)品零件具有顯著特征：產(chǎn)品類型復(fù)雜，具有多樣化、小批量等特點;結(jié)構(gòu)趨于整體化和復(fù)雜化，工藝難度大，加工過程復(fù)雜;大型化、薄壁化特點突出，變形控制極為關(guān)鍵;材料去除量大，切削加工效率問題突出;大型結(jié)構(gòu)件毛料價值高，質(zhì)量風(fēng)險大。3D打印技術(shù)將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在加工制造領(lǐng)域掀起一場革命。它適合于小批量、多品種、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料價值高的機(jī)械加工制造。

2? 激光增減材3D打印設(shè)備構(gòu)成

激光增減材3D打印設(shè)備是以金屬絲材為原料，按照零件數(shù)字三維模型，在計算機(jī)的控制下，通過激光逐層熔化、逐層熔合凝固金屬絲材，形成零件毛呸體，再通過減材機(jī)加工方式完成精加工，從而實現(xiàn)全致密、高性能大型復(fù)雜整體金屬零件的直接成形制造。本設(shè)備通常有以下部分構(gòu)成。

2.1 激光三維打印數(shù)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)

三維數(shù)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用三軸數(shù)控加工中心的主機(jī)結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)采用西門子828D數(shù)控系統(tǒng)。三維數(shù)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)三軸的形成分別為X：1000mm，Y：800mm，Z：600mm，均由伺服電機(jī)與精密滾珠絲杠驅(qū)動。激光3D打印設(shè)備可成型最大零件尺寸為1000mm×800mm×600mm;近凈成型零件尺寸精度達(dá)到0.2mm，位置精度達(dá)到0.1mm。

2.2 多光束中心送絲激光3D打印加工頭

多光束中心送絲激光3D打印頭通過3束激光合成，最終實現(xiàn)合成功率大于1500W，中心送絲模塊可送絲直徑為0.6mm，0.8mm或1.2mm等，絲材利用率達(dá)到100%。

多光束中心送絲激光3D打印頭采用模塊化設(shè)計，包括三路激光整形聚焦模塊，中心送絲模塊與主體水冷模塊等五個功能模塊。中心送絲模塊將金屬絲材垂直送至激光成型基板，激光通過三路光纖分別傳輸至三個激光整形聚焦模塊，聚焦后的激光以一定的角度從三個方向同時匯聚至送絲軸線上一點，激光聚焦熱量熔化基板與絲材形成熔池，激光頭在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶動下在基板表面逐層掃描即可制造出所需的零部件。

其中，激光器輸出的激光經(jīng)過光纖傳輸，光纖末端采用D80形式的光纖接口與激光頭光纖接口模塊連接，激光輸入激光頭后經(jīng)過準(zhǔn)直模塊與聚焦模塊，在經(jīng)過反射模塊反射后最終可與豎直軸向成一定角度射出并聚焦。光學(xué)模塊內(nèi)的光學(xué)鏡片表面鍍有增透膜，激光透過率可以達(dá)到99%以上，激光模塊可承受激光功率達(dá)到1000W;中心送絲模塊中心具有一個供絲通道，絲材經(jīng)過供絲通道準(zhǔn)確的送出，送絲嘴周圍具有同軸保護(hù)體噴嘴，可均勻高速地噴出氬氣等惰性保護(hù)氣體，以防止加工過程中在高溫下金屬發(fā)生氧化;主體水冷模塊做為激光整形聚焦模塊與中心送絲模塊的安裝主體，為激光整形聚焦模塊與中心送絲模塊提供定位與冷卻，以保證激光加工頭長期穩(wěn)定的運行。

2.3 激光3D打印軟件

激光3D打印軟件的主要功能包括模型處理，模型切片分層，加工路徑規(guī)劃和數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換等功能模塊。

2.3.1 解析STL文件

三維建模軟件建立三維模型，輸出STL文件，切片軟件讀取STL文件后解析STL數(shù)據(jù)信息。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

STL數(shù)據(jù)本身是對模型的近似逼近，數(shù)據(jù)會有缺陷，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)。平滑輪廓去掉尖點、填充凹陷;連接輪廓的邊緣線使其形成封閉輪廓;確定區(qū)分內(nèi)外輪廓線。

2.3.3 切片分層

切片分層是將STL數(shù)據(jù)以一定的厚度分成一層一層的數(shù)據(jù)，是分層制造的基礎(chǔ)。此分層是以Z向為切割標(biāo)準(zhǔn)，通過Z向的階梯增長直接分割出所需的打印層數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快速分層。

2.3.4 路徑規(guī)劃

路徑是與成型工藝密切相關(guān)，合理的路徑既可以提高打印效率又可以提高打印質(zhì)量。規(guī)劃路徑時可以根據(jù)打印工藝，調(diào)整路徑的間距，修改搭接率等，實現(xiàn)了方向平行填充、輪廓平行填充及分塊、分段填充等多種填充路徑，解決了不同類型零部件的路徑規(guī)劃問題。

2.3.5 動態(tài)顯示運動軌跡

完成切片與路徑規(guī)劃后，可在上位機(jī)界面動態(tài)顯示軌跡運行，模擬實際打印過程以及驗證路徑是否完整正確。

2.3.6 數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換

控制代碼轉(zhuǎn)換軟件可以將要打印的模型路徑轉(zhuǎn)換成數(shù)控系統(tǒng)所需的數(shù)控代碼，在控制代碼轉(zhuǎn)換軟件中可以設(shè)置激光器的功率，激光的開關(guān)，修改路徑以及數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。輸出828D數(shù)控系統(tǒng)接受的.MPF格式G代碼。

通過開發(fā)切片軟件，實現(xiàn)對模型的快速分層，根據(jù)打印工藝規(guī)劃打印路徑，具有很強(qiáng)的靈活性，通過機(jī)器控制語言軟件實現(xiàn)了打印模型與數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)合。切片軟件與機(jī)器控制語言軟件形成了一套完整的應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)的3D打印軟件。同時，結(jié)合CNC編程可完成增減材加工無縫對接。此套軟件可以輸出任意指定格式的文件，也可以定義特殊格式的文件，既有通用性，又可以建立自己的特殊格式，擁有保密性。

3? 激光3D打印設(shè)備工作流程

（1）數(shù)據(jù)處理：模型分析，分層切片，路徑規(guī)劃，生成代碼;（2）基板裝夾，找正調(diào)平;（3）激光參數(shù)設(shè)置：三路激光功率設(shè)定，光路聚焦調(diào)整，光斑大小調(diào)節(jié);（4）送絲裝置參數(shù)設(shè)置;（5）保護(hù)氣體（純氬氣）準(zhǔn)備;（6）減材CNC程序編寫導(dǎo)入;（7）開始打印;（8）成型后按零件精度要求進(jìn)行CNC減材加工。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊恩泉.3D打印技術(shù)對航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013（1）：13-17.

[2] 高健，劉立彬.航空鈦合金零件激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)研究[J].航空制造技術(shù)，2018（23）：87.

[3] 楊永強(qiáng)，劉洋.金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013（42）.

[4] 閆春澤.粉末激光燒結(jié)增材制造技術(shù)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2013（6）：5-10.

[5] 田宗軍，顧冬冬.激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2015（11）：38.