基于航空構件制造的激光3D打印設備研究

吳冰

摘? ?要：航空制造企業在大型關鍵結構件生產過程中，采用傳統制造方法往往是十分困難的，生產周期長，設備穩定性精確性要求高，如果加工過程中出現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打印技術的優勢在于，縮短加工時間，減少原材料浪費，質量可靠，性能優異，同時激光增減材3D打印設備可修復部分報廢零件的缺陷，節省了大量生產制造成本。

關鍵詞：增減材制造? 航空制造? 激光熔覆? 3D打印

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

1? 激光3D打印技術的優勢

隨著航空產品復雜程度的不斷提高和研制生產周期的不斷縮短，其對復雜精密關鍵部件和大型構件的制造提出了更高的要求。與傳統機加工藝和模具成形等制造工藝相比，3D打印技術是將三維實體加工變為若干二維平面加工，大大降低了制造的復雜度。其中，航空類產品零件具有顯著特征：產品類型復雜，具有多樣化、小批量等特點;結構趨于整體化和復雜化，工藝難度大，加工過程復雜;大型化、薄壁化特點突出，變形控制極為關鍵;材料去除量大，切削加工效率問題突出;大型結構件毛料價值高，質量風險大。3D打印技術將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節省原材料”在加工制造領域掀起一場革命。它適合于小批量、多品種、結構復雜、原材料價值高的機械加工制造。

2? 激光增減材3D打印設備構成

激光增減材3D打印設備是以金屬絲材為原料，按照零件數字三維模型，在計算機的控制下，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，再通過減材機加工方式完成精加工，從而實現全致密、高性能大型復雜整體金屬零件的直接成形制造。本設備通常有以下部分構成。

2.1 激光三維打印數控執行機構

三維數控執行機構采用三軸數控加工中心的主機結構，數控系統采用西門子828D數控系統。三維數控執行機構三軸的形成分別為X：1000mm，Y：800mm，Z：600mm，均由伺服電機與精密滾珠絲杠驅動。激光3D打印設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到0.2mm，位置精度達到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，絲材利用率達到100%。

多光束中心送絲激光3D打印頭采用模塊化設計，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，激光頭在執行機構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過準直模塊與聚焦模塊，在經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。光學模塊內的光學鏡片表面鍍有增透膜，激光透過率可以達到99%以上，激光模塊可承受激光功率達到1000W;中心送絲模塊中心具有一個供絲通道，絲材經過供絲通道準確的送出，送絲嘴周圍具有同軸保護體噴嘴，可均勻高速地噴出氬氣等惰性保護氣體，以防止加工過程中在高溫下金屬發生氧化;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，加工路徑規劃和數控代碼轉換等功能模塊。

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數據信息。

2.3.2 數據處理

STL數據本身是對模型的近似逼近，數據會有缺陷，需要對數據進行修復。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;確定區分內外輪廓線。

2.3.3 切片分層

切片分層是將STL數據以一定的厚度分成一層一層的數據，是分層制造的基礎。此分層是以Z向為切割標準，通過Z向的階梯增長直接分割出所需的打印層數據，實現快速分層。

2.3.4 路徑規劃

路徑是與成型工藝密切相關，合理的路徑既可以提高打印效率又可以提高打印質量。規劃路徑時可以根據打印工藝，調整路徑的間距，修改搭接率等，實現了方向平行填充、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劃問題。

2.3.5 動態顯示運動軌跡

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

2.3.6 數控代碼轉換

控制代碼轉換軟件可以將要打印的模型路徑轉換成數控系統所需的數控代碼，在控制代碼轉換軟件中可以設置激光器的功率，激光的開關，修改路徑以及數控系統的相關參數。輸出828D數控系統接受的.MPF格式G代碼。

通過開發切片軟件，實現對模型的快速分層，根據打印工藝規劃打印路徑，具有很強的靈活性，通過機器控制語言軟件實現了打印模型與數控系統的結合。切片軟件與機器控制語言軟件形成了一套完整的應用于數控系統的3D打印軟件。同時，結合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打印設備工作流程

（1）數據處理：模型分析，分層切片，路徑規劃，生成代碼;（2）基板裝夾，找正調平;（3）激光參數設置：三路激光功率設定，光路聚焦調整，光斑大小調節;（4）送絲裝置參數設置;（5）保護氣體（純氬氣）準備;（6）減材CNC程序編寫導入;（7）開始打印;（8）成型后按零件精度要求進行CNC減材加工。

參考文獻

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