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(huì)計(jì)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(guó)際研究現(xiàn)狀六、國(guó)內(nèi)相關(guān)研究七、面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)八、前瞻第1頁(yè)/共39頁(yè) 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(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，國(guó)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(yè)/共39頁(yè) 一、3D打印概況2. 3D打印與傳統(tǒng)制造的比較第3頁(yè)/共39頁(yè) 一、3D打印概況3. 3D打印

2、的發(fā)展史第4頁(yè)/共39頁(yè) 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(shí)體制造分層實(shí)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(yè)/共39頁(yè) SLA又稱立體光刻、光成形等，是一種采用激光束逐點(diǎn)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(yè)/共39頁(yè) 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(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(yè)/共39頁(yè) 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(shí)體制造（LOM）第8頁(yè)/共39頁(yè) EBM是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過(guò)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(guò)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(yè)/共39頁(yè) LENS原理是將金屬粉末從送粉頭的噴嘴噴射到激光焦點(diǎn)的位置完成熔化堆積過(guò)程。全部粉末路徑由保護(hù)氣體推動(dòng)，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(diǎn)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(yè)/共39頁(yè) SLM是在激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其發(fā)展歷程經(jīng)歷低熔點(diǎn)非金屬粉末燒結(jié)、低熔點(diǎn)包覆高熔點(diǎn)粉末燒結(jié)、高熔點(diǎn)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(yè)/共39頁(yè) 二、3D打印的技術(shù)原理6. 激光選區(qū)融化（SLM）第12頁(yè)/共39頁(yè) 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(yè)/共39頁(yè) 三、3D打印應(yīng)用第14頁(yè)/共39頁(yè) 密度小、熔點(diǎn)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(diǎn)高、耐腐蝕、導(dǎo)熱率低、在加熱時(shí)熱量不會(huì)發(fā)散引起局部變形等優(yōu)點(diǎn)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(dòng)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(yè)/共39頁(yè) 實(shí)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(jì)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(diǎn)第16頁(yè)/共39頁(yè) 2014年12月17日，美國(guó)商業(yè)公司研制的全球首臺(tái)微重力3D打印機(jī)在“國(guó)際空間站”依照美國(guó)航空航天局從地面發(fā)送的設(shè)計(jì)文件打印出套筒扳手五、國(guó)際研究現(xiàn)狀第17頁(yè)/共39頁(yè) 美國(guó)航空航天局的工程師利用3D打印技術(shù)制備了第一個(gè)3D打印的Invar合金（殷鋼）輕量化結(jié)構(gòu)。五、國(guó)際研究現(xiàn)狀第18頁(yè)/共39頁(yè) 航空噴氣-洛克達(dá)因公司分別于2014 年6月和12月對(duì)采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的Baby Bantam火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)五、國(guó)際研究現(xiàn)狀第19頁(yè)/共39頁(yè) 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(guó)際研究現(xiàn)狀第20頁(yè)/共39頁(yè) 2014 年1月6日發(fā)射的獵鷹-9火箭上的9臺(tái)灰背隼-1D發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)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(shí)的振動(dòng)五、國(guó)際研究現(xiàn)狀第21頁(yè)/共39頁(yè) 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(gè)零部件安裝在了KySat-2的太陽(yáng)能電池板上。五、國(guó)際研究現(xiàn)狀第22頁(yè)/共39頁(yè) 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(guó)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(gè)大型天線支撐結(jié)構(gòu)。 五、國(guó)際研究現(xiàn)狀第23頁(yè)/共39頁(yè) 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(cè)衛(wèi)星打造了一個(gè)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(guò)類似的支架。五、國(guó)際研究現(xiàn)狀第24頁(yè)/共39頁(yè) 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(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。使我國(guó)成為繼美國(guó)之后、世界上第二個(gè)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(guó)家 六、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)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(yè)/共39頁(yè) 2015年9月25日，長(zhǎng)征十一號(hào)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(hào)衛(wèi)星。而浦江一號(hào)也在國(guó)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀第26頁(yè)/共39頁(yè) 北京航空航天大學(xué)，激光增材制造裝備運(yùn)行車間內(nèi)，技術(shù)人員正在對(duì)巨型3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)備檢查六、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀第27頁(yè)/共39頁(yè) 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(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院首都航天機(jī)械公司引進(jìn)了一臺(tái)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(shí)驗(yàn)室

10、，從事選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究。 六、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀第28頁(yè)/共39頁(yè) 西北工業(yè)大學(xué)的凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)件生產(chǎn)，尺寸最大的零件已經(jīng)達(dá)到了2.85 六、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀第29頁(yè)/共39頁(yè) 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(guó)航天科技集團(tuán)公司一院211廠引進(jìn)的首臺(tái)高精度3D打印設(shè)備調(diào)試到位，該廠將運(yùn)用該設(shè)備研制某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪和某型號(hào)翼軸組合體，并接受飛行試驗(yàn)考核; 中國(guó)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)

11、狀第30頁(yè)/共39頁(yè) 北京動(dòng)力機(jī)械研究所近日運(yùn)用金屬材料的3D打印技術(shù)，成功試制出部分航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件; 中國(guó)航天科技集團(tuán)公司六院試驗(yàn)區(qū)試車臺(tái)，某型號(hào)試車發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)兩次點(diǎn)火試車圓滿成功。此次試車發(fā)動(dòng)機(jī)上的起動(dòng)器、發(fā)生器出口管采用了3D 打印技術(shù).六、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀第31頁(yè)/共39頁(yè) 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(guò)程的鈦合金沉積速率仍然偏低；3D打印技術(shù)對(duì)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(wèn)題，是當(dāng)前的重點(diǎn)突破環(huán)節(jié) 。七、面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)第32頁(yè)/共39頁(yè) 航天器中經(jīng)常希望在同一個(gè)零件的不同部位具有不同的性能，而通過(guò)3D打印技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)一個(gè)零件的不同