增材制造（AM）并不是用于取代鑄造核必、鍛造或機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造工藝慢杜，而是在一定的約束條件下提供更大的設(shè)計(jì)自由度肖糖，但基于增材制造的整體部件給日常維護(hù)和修理帶來(lái)了挑戰(zhàn)笨拯。

增材制造（AM），也稱作“3D打印”睹蜈，廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)讶粹，在復(fù)雜幾何形狀和簡(jiǎn)化制造之間實(shí)現(xiàn)了完美的平衡。增材制造為發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來(lái)了數(shù)字化的靈活性和高效率牲课。

從創(chuàng)意到現(xiàn)實(shí)

1952年贩仇，日本教授Kojima首次提出將材料逐層增加以制造三維結(jié)構(gòu)實(shí)體的想法，這被視作增材制造的起源女灸。

1980年鬼涂，日本教授Kodama發(fā)表了第一份關(guān)于光致抗蝕劑聚合快速成形的報(bào)告，由于資金問(wèn)題摘链，沒(méi)有完成專利的申請(qǐng)。1984年丘多，法國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)了立體光刻（stereolithography）技術(shù)（最早的3D打印技術(shù)之一）岗努，由于缺乏市場(chǎng)而放棄。美國(guó)工程師Charles Hull繼續(xù)對(duì)立體光刻技術(shù)開(kāi)展研究谢鹊，并于1986年申請(qǐng)了光固化成形（SLA）專利算吩。

1988年，美國(guó)大學(xué)生Carl Deckard在得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的支持下佃扼，用兩年半的時(shí)間開(kāi)發(fā)了選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)偎巢，無(wú)須任何鑄造便可生產(chǎn)出零件。

1989年兼耀，機(jī)械工程師Scott Crump開(kāi)發(fā)出能自動(dòng)構(gòu)建三維物理模型的熔融沉積建模（FDM）技術(shù)压昼。

如今，大多數(shù)增材制造技術(shù)都是基于SLA瘤运、SLS和FDM窍霞。

金屬增材制造

增材制造可以采用聚合物、陶瓷和金屬等多種原材料拯坟。金屬材料的增材制造技術(shù)可根據(jù)原料和能源的類型進(jìn)行分類但金。其中，粉末床選區(qū)熔化（PBF）和定向能量沉積（DED）是用得最多的且最主要的金屬材料增材制造技術(shù)郁季。

粉末床選區(qū)熔化

截至2020年冷溃，54%的金屬增材制造市場(chǎng)采用粉末床選區(qū)熔化（PBF）工藝。常見(jiàn)的金屬PBF工藝包括直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）弹双、激光選區(qū)熔融（SLM）碰素、電子束熔融（EBM）和直接金屬激光熔融（DMLM）雇法。DMLS和SLM專門用于金屬部件生產(chǎn)，其主要的優(yōu)勢(shì)是僅需有限的支撐結(jié)構(gòu)狞饮，能打印出復(fù)雜的幾何形狀供辰，無(wú)須后處理操作來(lái)移除支撐結(jié)構(gòu)。不足是相對(duì)昂貴且復(fù)雜佣各，受機(jī)器尺寸梢苍、變形程度和表面粗糙度的限制。SLM是用激光將粉末材料加熱到熔點(diǎn)指胡，通過(guò)熔融形成固體诲有。較高的表面質(zhì)量和較低的孔隙率是該工藝的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。而EBM則是采用高能電子束將金屬粉末熔融在一起橘忿。

定向能量沉積

定向能量沉積（DED）占金屬增材制造市場(chǎng)的16%药封。DED系統(tǒng)主要采用激光束、電子束侯选、等離子體或電弧作為熱源吠谢。它選擇性地熔化金屬絲或粉末，并將其連續(xù)添加到構(gòu)建平臺(tái)上诗茎。DED技術(shù)主要用于制造金屬部件工坊。該工藝采用機(jī)器人焊接工藝，能以較高的沉積速率進(jìn)行打印敢订，但相對(duì)精度較低王污。

DED可用于具有高沉積速率的無(wú)約束構(gòu)建體，對(duì)大中型復(fù)雜金屬產(chǎn)品具有成本效益楚午，也可用于受損部件的修復(fù)昭齐。主要有電弧增材制造（WAAM）和電子束增材制造（EBAM）。WAAM技術(shù)是一種基于焊絲的DED方法矾柜，以電弧作為能量源對(duì)焊絲/粉末原料進(jìn)行熔化阱驾。在EBAM中，電子束作為能量源對(duì)焊絲/粉末材料進(jìn)行熔化把沼。

對(duì)于金屬增材制造工藝的選擇主要取決于原材料啊易、零件用途、設(shè)備成本饮睬、零件所需的表面處理堤酿、交付期限等。

金屬增材制造優(yōu)化渦輪設(shè)計(jì)

金屬增材制造具有快速加工和修理卦瘤、制造自由形狀和復(fù)雜幾何形狀以及整合零件的能力镇评，可以從減輕質(zhì)量、縮短交付期和減少零件數(shù)量等三個(gè)方面入手對(duì)渦輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)瑰氨。

北京南方斯奈克瑪渦輪技術(shù)公司采用增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)牺鱼、生產(chǎn)了低壓渦輪的主要零部件（見(jiàn)圖1）樊何，包括機(jī)匣、葉片跪晕、導(dǎo)向器秀彤、渦輪盤、軸承座和一體化過(guò)渡段啄崖，以驗(yàn)證其力學(xué)性能笙吠。

圖1   金屬增材制造用于低壓渦輪設(shè)計(jì)

無(wú)論是增材制造還是常規(guī)生產(chǎn)，最重要的一點(diǎn)是能夠表征材料和力學(xué)性能垄暗，以開(kāi)發(fā)出材料數(shù)據(jù)庫(kù)轴座。大多數(shù)情況下，力學(xué)性能與所用工藝相關(guān)简烘，需要進(jìn)行特殊測(cè)試以驗(yàn)證技術(shù)成熟度苔严。

實(shí)踐證明，使用增材制造可將生產(chǎn)時(shí)間減少50%～90%孤澎，適用于為試驗(yàn)準(zhǔn)備零件或?yàn)槭酆蟀葱枨笊a(chǎn)備件届氢。

例如，采用增材制造思維設(shè)計(jì)的軸承座（見(jiàn)圖2）覆旭，主要零件的數(shù)量從5個(gè)減少到1個(gè)悼沈，質(zhì)量減輕30%，無(wú)螺栓連接姐扮，組裝或維修時(shí)間都明顯減少了。螺栓連接通常會(huì)在裝配過(guò)程中引起緊固問(wèn)題衣吠，或造成異物損傷茶敏。

圖2  軸承座

用增材制造思維設(shè)計(jì)的包括第一級(jí)導(dǎo)向器的渦輪整體機(jī)匣（見(jiàn)圖3），主要部件從3個(gè)減少到1個(gè)缚俏，質(zhì)量減輕10%惊搏，無(wú)螺釘和螺栓，減少了裝配時(shí)間和供應(yīng)商數(shù)量忧换。

圖3  渦輪整體機(jī)匣

可見(jiàn)减点，增材制造能為改善設(shè)計(jì)、時(shí)間倔晚、成本和供應(yīng)鏈管理提供諸多可能性街粟，但這些因素必須根據(jù)項(xiàng)目戰(zhàn)略平衡，并考慮客戶的意愿封均。稍圾。

結(jié)束語(yǔ)

金屬增材制造提供了一個(gè)很好的集成組件的機(jī)會(huì)，可以最大限度地減少浪費(fèi)篇臭。然而钠彬，基于增材制造的整體組件因?yàn)闊o(wú)法拆解轨来，對(duì)日常維護(hù)和修理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。有必要制定設(shè)計(jì)策略汹改、優(yōu)化技術(shù)和維護(hù)方法基霞。增材制造技術(shù)目前仍處在開(kāi)始階段，更多的新工藝和新材料仍在開(kāi)發(fā)之中僵禁。

（航空動(dòng)力 期刊）

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