D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的打印鈦合金結(jié)構(gòu)件及其在航空航天上的應(yīng)用詳解應(yīng)用詳解一、3D打印概況二、3D打印的技術(shù)原理三、3D打印的應(yīng)用四、3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件五、國際研究現(xiàn)狀六、國內(nèi)相關(guān)研究七、面臨的問題和挑戰(zhàn)八、前瞻第1頁/共39頁 3D打印是快速成形技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，國外稱為增材制造（Additive manufacturing）一、3D打印概況1. 3D打印的概念及原理第2頁/共39頁 一、3D打印概況2. 3D打印與傳統(tǒng)制造的比較第3頁/共39頁 一、3D打印概況3. 3D打印

2、的發(fā)展史第4頁/共39頁 二、3D打印的技術(shù)原理3D打印的主要工藝有：打印的主要工藝有：立體光刻成型立體光刻成型熔融堆積成型熔融堆積成型分層實體制造分層實體制造電子束熔融電子束熔融激光近凈成型激光近凈成型激光選區(qū)融化激光選區(qū)融化第5頁/共39頁 SLA又稱立體光刻、光成形等，是一種采用激光束逐點掃描液態(tài)光敏樹脂使之固化的RP成形工藝。 二、3D打印的技術(shù)原理1. 立體光刻成型（SLA）第6頁/共39頁 FDM的材料一般是熱塑性材料，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)二、3D打印的技術(shù)原理2. 熔融堆積成型

3、（FDM）第7頁/共39頁 LOM工藝是是基于激光切割薄片材料、由黏結(jié)劑黏結(jié)各層成形 二、3D打印的技術(shù)原理3. 分層實體制造（LOM）第8頁/共39頁 EBM是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行，且電子束具有的真空環(huán)境，還可以避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過程中被氧化。二、3D打印的技術(shù)原理4. 電子束熔融（EBM）第9頁/共39頁 LENS原理是將金屬粉末從送粉頭的噴嘴噴射到激光焦點的位置完成熔化堆積過程。全部粉末路徑由保護(hù)氣體推動，保護(hù)氣體將金屬粉末與空氣隔離，從而避免金屬粉末氧化；可方便加工熔點高、難加工的材料。致密度接近100%，適合大型構(gòu)件整體制造。 二、

4、3D打印的技術(shù)原理5. 激光近凈成型（LENS）第10頁/共39頁 SLM是在激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其發(fā)展歷程經(jīng)歷低熔點非金屬粉末燒結(jié)、低熔點包覆高熔點粉末燒結(jié)、高熔點粉末直接熔化成形等階段。致密度可達(dá)到100% ，尺寸精度達(dá)2050 m， 表面粗糙度達(dá)2030 m，是一種極具發(fā)展前景的快速成形技術(shù)。 二、3D打印的技術(shù)原理6. 激光選區(qū)融化（SLM）第11頁/共39頁 二、3D打印的技術(shù)原理6. 激光選區(qū)融化（SLM）第12頁/共39頁 目前，3D打印已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、軍事、建筑、影視、家電輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并隨著技術(shù)的發(fā)展，

5、其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。三、3D打印應(yīng)用第13頁/共39頁 三、3D打印應(yīng)用第14頁/共39頁 密度小、熔點高、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐腐蝕、耐高溫 四、3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件鈦合金特性鈦合金的3D打印因其密度小、強(qiáng)度高、熔點高、耐腐蝕、導(dǎo)熱率低、在加熱時熱量不會發(fā)散引起局部變形等優(yōu)點非常適于3D打印鈦合金的航空航天應(yīng)用主要用在飛機(jī)骨架、發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、航天器的壓力容器、燃料貯箱、緊固件、結(jié)構(gòu)件、構(gòu)架和火箭殼體等第15頁/共39頁 實現(xiàn)異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，壁厚最薄可達(dá)0.3mm0.4mm；近凈成型，精度可達(dá)0.05mm；同樣比剛度下，3D打印相比傳統(tǒng)制造的重量降低50%以上； 降低成本，縮短加工周期；

6、 能將設(shè)計更改的成本降到最低； 原理樣機(jī)的低成本、快速制造。 四、3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件3D打印鈦合金的優(yōu)點第16頁/共39頁 2014年12月17日，美國商業(yè)公司研制的全球首臺微重力3D打印機(jī)在“國際空間站”依照美國航空航天局從地面發(fā)送的設(shè)計文件打印出套筒扳手五、國際研究現(xiàn)狀第17頁/共39頁 美國航空航天局的工程師利用3D打印技術(shù)制備了第一個3D打印的Invar合金（殷鋼）輕量化結(jié)構(gòu)。五、國際研究現(xiàn)狀第18頁/共39頁 航空噴氣-洛克達(dá)因公司分別于2014 年6月和12月對采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的Baby Bantam火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行了點火試驗五、國際研究現(xiàn)狀第19頁/共39頁 空客防務(wù)與航天事

7、業(yè)部采用3D打印技術(shù)制備的衛(wèi)星上的支架，節(jié)省了20%的成本。該支架用于碳纖維蜂窩板和衛(wèi)星主體，需要承受-180150環(huán)境產(chǎn)生的熱應(yīng)力五、國際研究現(xiàn)狀第20頁/共39頁 2014 年1月6日發(fā)射的獵鷹-9火箭上的9臺灰背隼-1D發(fā)動機(jī)中的一個采用了3D打印技術(shù)制備的主氧化閥門。該閥門成功經(jīng)受了液氧的高壓、低溫以及發(fā)射時的振動五、國際研究現(xiàn)狀第21頁/共39頁 2013年，搭載有3D打印零部件的立方體衛(wèi)星KySat-2從弗吉尼亞的Wallops飛行基地成功發(fā)射。其中使用選擇性激光燒結(jié)工藝制造了五個零部件安裝在了KySat-2的太陽能電池板上。五、國際研究現(xiàn)狀第22頁/共39頁 2015年10月，歐

8、洲最大的衛(wèi)星制造商Thales Alenia Space公司宣布，該公司正在承建的兩顆韓國通信衛(wèi)星Koreasat 5A和Koreasat 7將使用大型的金屬3D打印部件，其中包括一個大型天線支撐結(jié)構(gòu)。 五、國際研究現(xiàn)狀第23頁/共39頁 瑞士航天公司RUAG Space的專家使用3D打印技術(shù)為一顆地球觀測衛(wèi)星打造了一個天線的支架；RUAG之前曾經(jīng)為歐洲航天局（ESA）的Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星供應(yīng)過類似的支架。五、國際研究現(xiàn)狀第24頁/共39頁 2013年，“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。使我國成為繼美國之后、世界上第二個掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成

9、形及技術(shù)的國家 六、國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)在3D打印金屬結(jié)構(gòu)件方面開展的相關(guān)，取得了突破性的進(jìn)展，具體如下：第25頁/共39頁 2015年9月25日，長征十一號在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，此次發(fā)射搭載了浦江一號衛(wèi)星。而浦江一號也在國內(nèi)衛(wèi)星上首次應(yīng)用了3D打印技術(shù)，其天線支架采用了3D打印鈦合金材料六、國內(nèi)研究現(xiàn)狀第26頁/共39頁 北京航空航天大學(xué)，激光增材制造裝備運行車間內(nèi)，技術(shù)人員正在對巨型3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)備檢查六、國內(nèi)研究現(xiàn)狀第27頁/共39頁 華中科技大學(xué)，研發(fā)出的選擇性激光燒結(jié)成形設(shè)備，中國運載火箭技術(shù)研究院首都航天機(jī)械公司引進(jìn)了一臺該設(shè)備，并與華中科技大學(xué)聯(lián)合成立了快速成形技術(shù)聯(lián)合實驗室

10、，從事選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究。 六、國內(nèi)研究現(xiàn)狀第28頁/共39頁 西北工業(yè)大學(xué)的凝固技術(shù)國家重點實驗室一直從事3D打印技術(shù)的研究。正在進(jìn)行C919飛機(jī)上的鈦合金選型試驗件生產(chǎn)，尺寸最大的零件已經(jīng)達(dá)到了2.85 六、國內(nèi)研究現(xiàn)狀第29頁/共39頁 上海航天設(shè)備制造總廠于2013年成立3D打印研究中心，自主研制出選區(qū)激光熔化設(shè)備，可制備的材料包括鈦合金、不銹鋼等; 中國航天科技集團(tuán)公司一院211廠引進(jìn)的首臺高精度3D打印設(shè)備調(diào)試到位，該廠將運用該設(shè)備研制某型號發(fā)動機(jī)葉輪和某型號翼軸組合體，并接受飛行試驗考核; 中國科學(xué)院金屬研究所在鈦合金3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域取得階段性成果。 六、國內(nèi)研究現(xiàn)

11、狀第30頁/共39頁 北京動力機(jī)械研究所近日運用金屬材料的3D打印技術(shù)，成功試制出部分航天發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件; 中國航天科技集團(tuán)公司六院試驗區(qū)試車臺，某型號試車發(fā)動機(jī)經(jīng)兩次點火試車圓滿成功。此次試車發(fā)動機(jī)上的起動器、發(fā)生器出口管采用了3D 打印技術(shù).六、國內(nèi)研究現(xiàn)狀第31頁/共39頁 用于鈦合金等大型金屬材料3D打印的大功率激光器； 3D打印過程的鈦合金沉積速率仍然偏低；3D打印技術(shù)對于鈦粉的形狀、大小及純度要求更高； 凝固組織和內(nèi)部缺陷的控制；3D打印鈦合金“特種熱處理”新工藝； 如何解決大型結(jié)構(gòu)件開裂、變形大、疲勞強(qiáng)度低的問題，是當(dāng)前的重點突破環(huán)節(jié) 。七、面臨的問題和挑戰(zhàn)第32頁/共39頁 航天器中經(jīng)常希望在同一個零件的不同部位具有不同的性能，而通過3D打印技術(shù)可以很方便地實現(xiàn)一個零件的不同