Com a extensa aplicação de tecnologia de design e fabricação digital, o desenvolvimento de produtos com base em modelo CAD tornou-se o modelo principal na indústria de fabricação de aviação, onde o modelo CAD e o material em branco, que geralmente são baseados em peças, são obtidos removendo material ou deformação Modelo CAD A geometria tem sido a entidade principal Embora este modelo tenha desempenhado um papel importante na promoção do progresso da fabricação aeronáutica, anos de prática industrial também mostraram que é um trabalho muito demorado e tecnicamente desafiador, especialmente para Desenvolvimento de componentes de liga de titânio que requerem alto desempenho, estrutura complexa e sendo amplamente utilizado na indústria da aviação.
Em resposta a esta situação, existe uma revolucionária tecnologia de fabricação digital - tecnologia de prototipagem rápida a laser. Esta tecnologia para quebrar a remoção tradicional de materiais ou a deformação do modelo de fabricação, o uso de "discreta + acumulação" de idéias de fabricação de aditivos do modelo CAD A conclusão da fabricação de componentes tem vantagens significativas, como não precisa de moldes, complexidade ilimitada de geometria, ciclo de processamento curto, baixo custo de fabricação, alta flexibilidade e excelente desempenho geral, etc. A tecnologia tornou-se rapidamente a vanguarda da superpotência da aviação desde o advento dos anos 90 Desenvolvimento de uma tecnologia de fabricação avançada.
Como uma potência de aviação, os Estados Unidos lideram o desenvolvimento desta tecnologia de fabricação avançada e realizam a aplicação de pesquisa e desenvolvimento de prototipagem a laser e fabricação de peças estruturais de liga de titânio para aeronaves. Atualmente, a tecnologia de prototipagem rápida a laser tornou-se um titânio de grande escala Partes estruturais de liga da tecnologia de fabricação do núcleo.
No F / A-18E, F22 e F35 e outros lutadores avançados, um grande número de liga de titânio, aço inoxidável e outros materiais, peças estruturais de paredes finas, rígidos complexos e estruturas de cavidade são feitas usando esta tecnologia. Universidade de Pequim, Universidade de Aeronáutica e Astronáutica Professor Wang Huaming Do grupo de pesquisa quebrou a prototipagem rápida a laser de componentes grandes e complexos, como liga de titânio, aço de alta resistência e outros materiais, e realizou com sucesso aplicações de engenharia.
O time do professor Wang ganhou o primeiro prêmio de Invenção Nacional de Tecnologia pela 3D Laser Rapid Prototyping Technology e a equipe de pesquisa do Professor Huang Weidong da Northwestern Polytechnical University realizou um grande trabalho de pesquisa sobre as teorias, tecnologias e aplicações da prototipagem rápida a laser. Atualmente, A tecnologia de prototipagem rápida de laser foi capaz de produzir o principal suporte de componentes da aviação, a maior parte da área de projeção atingiu 12m2 e a utilização de materiais em mais de 70%.
Princípios de tecnologia de prototipagem rápida a laser, principais passos e vantagens
Em princípio, a prototipagem rápida a laser quebra a idéia de processamento convencional de "remoção ou deformação de materiais" e usa o princípio de "aditivo" para moldar a peça, que usa o laser com concentração de energia, controle fácil e energia industrial de baixo custo As vantagens do controle e controle precisos da velocidade da luz laser, para conseguir a acumulação fina e o processamento de materiais para criar rapidamente componentes metálicos complexos de alta densidade.
O processo principal e os passos principais da prototipagem rápida a laser são os seguintes: em primeiro lugar, o modelo CAD da peça é cortado, o modelo de malha parcial é separado em uma série de dados de contorno 2D semelhantes à imagem de escala de cinza do computador de acordo com uma certa espessura e, em seguida, os dados de contorno são gerados Pode controlar o movimento do driver CNC a laser para conduzir o laser de deposição de camada a camada superior a camada, e, finalmente, obter a organização de peças densas e de alto desempenho "forma quase red" processo completo de fabricação de prototipagem a laser mostrado na Figura 1 .
Figura 1 Processo de amadurecimento rápido a laser
Para resolver o problema do problema de singularidade em algoritmos clássicos, visando o problema de corte de modelo CAD na prototipagem rápida de laser, Liu Houcai e outros. Proporcionou um algoritmo rápido de interseção baseado em bordas de silhueta. De acordo com a informação geométrica de manchas triangulares no modelo STL, Espessura, matriz de agrupamento configurada e redução do número de interseção e percurso de facetas triangulares construindo relações topológicas dinâmicas locais entre facetas triangulares.
A técnica é baseada no algoritmo clássico de algoritmo de interseção de gráficos por computador e a geração rápida de imagens em todas as camadas é conseguida otimizando o número de travessas de triângulos. Em geral, os algoritmos de corte de modelo CAD e geração de driver baseados em dados de contorno são relativamente maduros, O processo de revestimento de laser envolve problemas físicos, químicos, mecânicos e metalúrgicos complicados, o que é um problema difícil que restringe o desenvolvimento e aplicação de tecnologia de prototipagem rápida a laser.
Status quo da pesquisa e da aplicação
Organização interna e mecanismo de formação de defeitos
O processo de prototipagem rápida a laser pode ser descrito como:
Entrega contínua à área de revestimento de laser da fusão de pó de metal, que está sob a ação do feixe de laser, do substrato ou da camada anterior da camada de revestimento de refusão local e misturada na massa fundida da liga;
◆ fluxo de fusão de metal no grupo até a temperatura dentro do grupo tende a ser consistente e a composição de liga de fusão tende a ser uniforme;
◆ À medida que o contorno muda, o derretimento no pool móvel se solidifica rapidamente fora de equilíbrio.
O processo acima tem lugar em uma pequena e líquida acumulação de líquidos, que é um processo complexo de não-equilíbrio de metalurgia física de curta duração. A interação entre o laser, o pó de metal e o conjunto fundido é mostrada na Fig. 2.
Figura 2 diagrama de processo interativo de pó, banho de pó
Chen Jing e outros usaram fotografia de alta velocidade para observar a formação e evolução do pool de líquidos durante a prototipagem rápida a laser em tempo real. Zhang Fengying et al. Estudaram o mecanismo de formação de defeitos durante a prototipagem rápida a laser de ligas de titânio. Os defeitos dos poros dependeram principalmente da densidade aparente Poor fusão e densidade de energia do laser, lap-lap ratio e a viagem de um eixo do eixo Z. Por causa da variedade do processo de prototipagem rápida a laser é extremamente complicada, a estrutura interna dos componentes internos eo mecanismo de formação de defeitos internos e outros problemas importantes Dificuldades. O Instituto de Aeronáutica e Aeronáutica e Astronáutica da Universidade de Aeronáutica e Astronáutica do grupo de pesquisa "produção e pesquisa" da Shenyang realizou progressos substanciais nesta área, quebrando a deformação das peças, prevenção de fissuração e problemas internos de controle de qualidade.
Simulação e Simulação do Processo de Formação
Para obter componentes estáveis e de alta qualidade, compreenda com precisão as regras de formação da estrutura interna e os defeitos internos durante a prototipagem rápida a laser, mais e mais atenção foi dada à simulação e otimização dos parâmetros do processo de formação e do processo de formação.
Jia Wenpeng e outros Simulou a formação do pool de derretimento e a evolução da forma de interface livre e o processo de deposição do revestimento pelo método de vida e morte dos elementos finitos e simulou a captura de partículas pelo grupo de solda e a reflexão do pó pela temperatura da interface e perda de momentum de partículas de pó Modelo de rastreamento de partículas LAGRANGIAN para alcançar o rastreamento de partículas de pó.
Baseado em ANSYS, Ma Liang e outros. Estabeleceu o modelo de elemento finito paramétrico de campo de temperatura e campo de tensão do processo de formação de laser usando a tecnologia de desenvolvimento secundário. O campo de tensão térmica no processo de formação de laser foi simulado usando a fonte de calor móvel e a tecnologia de vida e morte unitária. Com base no cálculo da lei de evolução do campo de temperatura, as causas dos campos de tensão térmica, como a zona de compressão plástica, a zona de estiramento de plástico e a zona de descarga são reveladas.
Em vista das características do processo de prototipagem rápida a laser, Tan Hua e outros. Estudou um sistema de controle em circuito fechado baseado no princípio de monitoramento em tempo real para ajustar os parâmetros do processo para obter componentes de alto desempenho e de alta qualidade e discutiu o desenvolvimento de monitoramento e sistema de controle de circuito fechado .
Status da aplicação da prototipagem rápida a laser
Como uma tecnologia transformadora, a tecnologia de prototipagem rápida a laser é principalmente para peças que estão em alta demanda, complexas e difíceis de serem processadas ou que os materiais são removidos. Dois acessórios de liga de titânio de aeronaves americanas F-22 são mostrados na Figura 3 Usando a tecnologia de prototipagem rápida a laser, o desempenho geral do que os métodos de processamento tradicionais foi grandemente melhorado e os custos de fabricação foram reduzidos em 20% -40%, o ciclo de produção também foi reduzido em 80%.
Figura 3 F-22 laser de prototipagem rápida de peças de liga de titânio
Universidade de Pequim de Aeronáutica e Grupo de Aviação e Grupo de Indústria de Aviação da China, criou uma empresa de laser no ar, tecnologia de prototipagem rápida de laser, resultados de pesquisa da industrialização. O projeto pela primeira vez no avanço mundial na aeronave de titânio em grande escala estrutura de mancais principais integrante do processo de formação de laser, propriedades mecânicas O controle e a engenharia de conjuntos completos de equipamentos e padrões técnicos foram realizados com sucesso na China em vários tipos de aplicações de engenharia de aeronaves. A Figura 4, pela primeira vez, foi exibida publicamente usando tecnologia de prototipagem rápida a laser para produzir uma grande peça de liga de titânio.
Depois de anos de pesquisa aprofundada, o professor Huang Weidong da Northwestern Polytechnical University também realizou realizações notáveis na tecnologia de prototipagem rápida a laser. As grandes peças de liga de titânio fabricadas pela tecnologia de prototipagem rápida a laser mostrada na figura 5 são os principais componentes de carga de um tipo de máquina.
Análise de Aplicação de Fabricação de Helicóptero
● fabricação rápida de peças móveis
Sistema de elevação do rotor de helicóptero Os dados principais de propulsão, os dados do rotor de cauda e a inclinação automática (designados coletivamente como "peças móveis") são a principal tecnologia de fabricação de helicópteros. Peças móveis como as principais peças de carga, estrutura complexa, ambiente de trabalho fraco, Alta resistência à fadiga e a maioria dos materiais, como a liga de titânio TB6 e as ligas de alta temperatura, são difíceis de processar materiais. Se utiliza tecnologia de prototipagem rápida a laser, possui propriedades mecânicas globais consideráveis ou melhores.
Além disso, a prototipagem rápida a laser tem as vantagens de uma complexidade geométrica ilimitada e independente do molde, ciclo de produção curto e alta utilização do material, especialmente adequado para mudanças de design de peças móveis. Portanto, a tecnologia de prototipagem rápida a laser para fabricar helicópteros As partes móveis para melhorar as propriedades mecânicas dinâmicas dos componentes, reduzir os custos de fabricação e encurtar o ciclo de desenvolvimento são de grande importância.
● Reparação rápida de peças móveis
As peças móveis de helicóptero são importantes componentes de suporte de carga que resistem a forças centrífugas induzidas por lâmina, momentos de flexão, momentos de brilho, etc. Portanto, as peças móveis são as partes mais facilmente usadas de um helicóptero. As peças móveis são caras e, em caso de defeitos ou O defeito, apenas a substituição geral, pode resultar em centenas de milhares, mesmo milhões de perdas.
A prototipagem rápida é uma fabricação de aditivos ponto a ponto, portanto, apenas as peças defeituosas como um substrato especial, a reconstrução geométrica do local do defeito, a reconstrução da geometria das camadas de fatia e, finalmente, o uso de tecnologia de prototipagem rápida a laser pode rapidamente reparar Partes Como a controlabilidade da energia do laser ao longo do tempo e espaço e densidade de energia é muito maior do que outras fontes industriais de energia, o efeito adverso do processo de aquecimento de reparo em peças reparadas pode ser minimizado.
Além disso, uma vez que o processo de prototipagem rápida a laser pode controlar de forma síncrona a composição e a estrutura da liga, as propriedades inerentes do componente podem ser restauradas controlando a composição da área de reparo e a organização da área de reparo e o corpo do componente, economizando assim o enorme tempo e economia Perda, mas também melhora a utilização dos recursos, de acordo com a estratégia de desenvolvimento sustentável de baixo custo.
Conclusão e Outlook
A indústria de helicópteros está experimentando mudanças rápidas como uma parte importante da indústria de fabricação de aviação e não há uma solução permanente e permanente para tornar a indústria maior e mais forte. Somente por fortalecer constantemente a pesquisa eo desenvolvimento, a tendência de desenvolvimento pode ser seguida Floresta poderosa. A tecnologia de prototipagem rápida a laser trouxe excelentes vantagens técnicas que levará ao desenvolvimento de tecnologia de fabricação avançada. A fabricação de helicópteros em fabricação de peças móveis em helicóptero é a encarnação da capacidade de fabricação, do custo, eficiência, qualidade, uso de Tecnologia de prototipagem rápida de laser para mover o fabrico e reparo de componentes com grandes benefícios técnicos e econômicos, como o desenvolvimento futuro da prioridade da tecnologia de fabricação de peças móveis.