金属3D打印技术目前主要有喷射成形、直接能量沉积(DED)和金属喷射成形(PMD)等。其中,DED不仅易于制造大型部件,而且可以作为工具轻松集成到机床中,例如传统的加工中心工具(MCT)。因此,应用技术正在模具、汽车和航空航天等各个行业中得到开发2)。随着GE航空的燃油喷嘴开始完全使用AM技术进行量产,使用金属3D打印制造技术的可靠性在行业内逐渐提高。特别是,DED技术用于部分工具,不是用于输出整个产品形状,而是用于飞机部件或模具产品的部分修复3-6)。与其他沉积方法不同,DED具有较高的不可重复性,并且易于制造。
与当今最好的 CFM56 发动机相比,它具有世界一流的可靠性和无与伦比的性能,油耗降低了 15%,同时保持了相同水平的调度可靠性和生命周期维护成本。LEAP 发动机的调度可靠性高达 99.98%,这意味着飞行时间更长,维护时间更少。此外,它采用 3D 编织技术,即其风扇叶片由 3D 编织 RTM(树脂传递模塑)碳纤维复合材料制成,这是 CFM 的业内首创。这种技术生产的风扇叶片不仅重量轻,而且非常耐用,每个叶片都足以支撑空客 A350 或波音 787 等宽体飞机的重量。它是第一款使用增材制造来“制造”复杂、全致密但更轻的发动机。它的燃油喷嘴比以前的型号轻 25%,耐用性是传统制造的部件的五倍。 LEAP 碎屑抑制系统提供最佳的侵蚀保护,防止沙子、污垢、
ASTM 美国材料与试验协会 ATJ-SKA 含芳香烃的酒精喷射合成煤油 au 任意单位 BOCLE 气缸球润滑性评估器 CAAFI 商用航空替代燃料倡议 CLEEN 持续降低能耗、排放和噪音 CO 一氧化碳 CO 2 二氧化碳 CSD 横截面直径 cSt 厘斯 EI 排放指数 ERC 能源研究顾问 EtOH 乙醇 EU 欧盟 f/a 燃油空气比 FAA 美国联邦航空管理局 FANN 全环形 FFP 适合用途 FSN 燃油喷嘴 FT 费托合成 H 2 氢 HEFA 加氢酯和游离脂肪酸 in. 英寸 IRHD 国际橡胶硬度 LBO 贫油熄火 M 百万 毫米 毫米 NextGen 下一代 NHC 净燃烧热 NOx 氮氧化物 PDI 相位多普勒干涉法 SAF 可持续航空燃料 SH 硫-氢 SMD 索特平均直径 SPK 合成石蜡煤油 UDRI 代顿大学研究研究所 UHC 未燃烧碳氢化合物 美国 美国 WSD 磨痕直径
增材制造 (AM) 工艺通过逐层沉积材料来构建机械零件 [1] 。在金属 AM 工艺中,粉末床熔合 (PBF) 的应用最为广泛 [2] 。PBF 方法使用激光或电子束将粉末床顶部的金属粉末层与下面的层熔合在一起。激光 PBF (LPBF) 的一个众所周知的应用是通用电气开发的尖端航空推进发动机内的燃油喷嘴,其中约 20 个零件的传统设计减少为单个 LPBF 构建 [3] 。虽然这些进步意义重大,但目前工业中的 LPBF 构建实践通常仅限于单一合金。相比之下,定向能量沉积工艺已用于制造金属复合材料,可用于生产需要多种材料的高度工程化机械零件 [4] 。 ODS 合金是一种金属基复合材料,其中纳米级氧化物可抑制高温下的晶粒生长,从而提供高温力学性能和高抗蠕变性[5]。ODS 铁素体合金作为耐辐射包层和结构材料的替代品,受到核工业的广泛关注。氧化物的小尺寸和高数密度导致了大量复合界面,这被认为可以消除点缺陷,防止缺陷在失效前聚集[6]。然而,由于颗粒的浮力,ODS 合金的铸造具有挑战性[7]。因此,传统的粉末冶金法用于生产 ODS
图 1:光聚合物分层系统 (Wikipedia.org)。.............................................................. 2 图 2:使用相交激光束的光雕塑过程 (Swainson, 1977)。......... 3 图 3:塔式喷嘴固体自由成型技术 (drajput.com).................................... 4 图 4:简单的分层铸造模具 (DiMatteo, 1976)。.............................................................. 4 图 5:粉末选择性激光烧结工艺 (Wikipedia.org)。................................................ 5 图 6:FDM 工艺图 (Reprap.org)。.................................................................... 7 图 7:DFA 分析软件用户界面 (Boothroyd et al, 2011)。.................................... 11 图 8:MakerBot 的 MakerWare 用户界面。(Makerbot.com) .................................... 14 图 9:简化的挤压系统,说明轴位置 (Wikipedia.org)。........... 20 图 10:GE Aviation 的增材制造燃油喷嘴 (Rockstroh 等人,2013)。......... 21 图 11:通过 DMLS (EADS) 优化和制造的两个航空航天支架。....... 23 图 12:"Over-the-wall" 设计方法的说明 (Munro & Associates,1989)。...... 24 图 13:成本与影响图“谁投下的阴影最大?” (Munro & Associates,1989)。...................................................................................................................................... 24 图 14:显示不同材料和制造方法之间兼容性的图表(Boothroyd & Dewhurst,2011)............................................................................................. 26 图 15:alpha 和 beta 旋转对称值(Boothroyd et al,2011)。................... 28 图 16:影响零件处理的几何(左)和其他(右)特征(Boothroyd et al,2011)。...................................................................................................................................... 28 图 17:提高组装简易性的示例(Boothroyd et al,2011)。................................ 28 图 18:影响插入时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999)。...................................................................................................................... 30 图 19:影响手动处理时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999)。................................................................................................ 31 图 20:原始控制器组件(Boothroyd 等人,2011 年)。...................................................... 32 图 21:分析前(左)和分析后(右)的控制器组件(Boothroyd 等人,2011 年)。........................................................................................................................................... 34 图 22:当前门铰链的组件。........................................................................................................... 35 图 23:两个已安装铰链的 CATIA 模型和负载分析方向(湾流宇航)。.................................................................................................................................... 36 图 24:弹簧球和铰链止动器的特写............................................................................. 37 图 25:重新设计的用于增材制造的门铰链。.................................................... 39 图 26:鹅颈加固前后的视觉对比。........... 41 图 27:重新设计前后球柱塞壳体的视觉对比。........... 41 图 28:原始铰链组件上用于插入计算的投影槽。......... 43 图 29:重新设计的铰链组件上用于插入计算的投影槽。.... 43
图 1:光聚合物分层系统 (Wikipedia.org)。...................................................................... 2 图 2:使用相交激光束的光雕塑过程 (Swainson, 1977)。........................................ 3 图 3:塔式喷嘴固体自由成型技术 (drajput.com)....................................................... 4 图 4:简单的分层铸造模具 (DiMatteo, 1976)。...................................................................... 4 图 5:粉末选择性激光烧结工艺 (Wikipedia.org)。...................................................... 5 图 6:FDM 工艺图 (Reprap.org)。............................................................................. 7 图 7:DFA 分析软件用户界面 (Boothroyd et al, 2011)。...................................................... 11 图 8:MakerBot 的 MakerWare 用户界面。(Makerbot.com)............................................. 14 ........... 20 图 10:GE Aviation 通过增材制造的燃油喷嘴(Rockstroh 等,2013 年)。 ........................ 21 图 11:通过 DMLS(EADS)优化和制造的两个航空航天支架。 ........................ 23 图 12:“Over-the-wall”设计方法图解(Munro & Associates,1989 年)。 ...... 24 图 13:成本与影响图“谁投射的阴影最大?”(Munro & Associates,1989 年)。 ......................................................................................................................................... 24 图 14:显示不同材料和制造方法之间兼容性的图表(Boothroyd & Dewhurst,2011 年)......................................................................................................... 26 图 15:alpha 和 beta 旋转对称值(Boothroyd 等,2011 年)。 ................................... 28 图 16:影响零件处理的几何特征(左)和其他特征(右) (Boothroyd et al, 2011). ........................................................................................................................................... 28 图 17:提高装配简易性的示例 (Boothroyd et al, 2011). ............................................................................................................. 28 图 18:影响插入时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999). ............................................................................................................. 30 图 19:影响手动处理时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999). ............................................................................................................. 31 图 20:原始控制器组装 (Boothroyd et al, 2011). ............................................................................................. 32 图 21:分析前(左)和分析后(右)的控制器组装 (Boothroyd et al, 2011). ................................................................................................................................................................. 34 图 22:当前门铰链的组件。 ...................................................................................................... 35 图 23:两个已安装铰链的 CATIA 模型和负载分析方向(湾流宇航)。 ...................................................................................................................... 36 图 24:弹簧球和铰链止动器的特写。 ...................................................................................... 37 图 25:重新设计的增材制造门铰链。 ...................................................................................... 39 图 26:合并前后鹅颈的视觉比较。 ............................................................................. 41 图 27:重新设计前后球柱塞壳体的视觉比较。 ............................................................................. 41 图 28:原始铰链组件上用于插入计算的投影槽。 ............................................................................. 43 图 29:重新设计的铰链组件上用于插入计算的投影槽。 ............................................................................. 43
图 1:光聚合物分层系统 (Wikipedia.org)。.............................................................. 2 图 2:使用相交激光束的光雕塑过程 (Swainson, 1977)。......... 3 图 3:塔式喷嘴固体自由成型技术 (drajput.com).................................... 4 图 4:简单的分层铸造模具 (DiMatteo, 1976)。.............................................................. 4 图 5:粉末选择性激光烧结工艺 (Wikipedia.org)。................................................ 5 图 6:FDM 工艺图 (Reprap.org)。.................................................................... 7 图 7:DFA 分析软件用户界面 (Boothroyd et al, 2011)。.................................... 11 图 8:MakerBot 的 MakerWare 用户界面。(Makerbot.com) .................................... 14 图 9:简化的挤压系统,说明轴位置 (Wikipedia.org)。........... 20 图 10:GE Aviation 的增材制造燃油喷嘴 (Rockstroh 等人,2013)。......... 21 图 11:通过 DMLS (EADS) 优化和制造的两个航空航天支架。....... 23 图 12:"Over-the-wall" 设计方法的说明 (Munro & Associates,1989)。...... 24 图 13:成本与影响图“谁投下的阴影最大?” (Munro & Associates,1989)。...................................................................................................................................... 24 图 14:显示不同材料和制造方法之间兼容性的图表(Boothroyd & Dewhurst,2011)............................................................................................. 26 图 15:alpha 和 beta 旋转对称值(Boothroyd et al,2011)。................... 28 图 16:影响零件处理的几何(左)和其他(右)特征(Boothroyd et al,2011)。...................................................................................................................................... 28 图 17:提高组装便利性的示例(Boothroyd et al,2011)。................................ 28 图 18:影响插入时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999)。...................................................................................................................... 30 图 19:影响手动处理时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999)。................................................................................................ 31 图 20:原始控制器组件(Boothroyd 等人,2011 年)。...................................................... 32 图 21:分析前(左)和分析后(右)的控制器组件(Boothroyd 等人,2011 年)。........................................................................................................................................... 34 图 22:当前门铰链的组件。........................................................................................................... 35 图 23:两个已安装铰链的 CATIA 模型和负载分析方向(湾流宇航)。.................................................................................................................................... 36 图 24:弹簧球和铰链止动器的特写............................................................................. 37 图 25:重新设计的用于增材制造的门铰链。.................................................... 39 图 26:鹅颈加固前后的视觉对比。........... 41 图 27:重新设计前后球柱塞壳体的视觉对比。........... 41 图 28:原始铰链组件上用于插入计算的投影槽。......... 43 图 29:重新设计的铰链组件上用于插入计算的投影槽。.... 43
图 1:光聚合物分层系统 (Wikipedia.org)。...................................................................... 2 图 2:使用相交激光束的光雕塑过程 (Swainson, 1977)。........................................ 3 图 3:塔式喷嘴固体自由成型技术 (drajput.com)....................................................... 4 图 4:简单的分层铸造模具 (DiMatteo, 1976)。...................................................................... 4 图 5:粉末选择性激光烧结工艺 (Wikipedia.org)。...................................................... 5 图 6:FDM 工艺图 (Reprap.org)。............................................................................. 7 图 7:DFA 分析软件用户界面 (Boothroyd et al, 2011)。...................................................... 11 图 8:MakerBot 的 MakerWare 用户界面。(Makerbot.com)............................................. 14 ........... 20 图 10:GE Aviation 通过增材制造的燃油喷嘴(Rockstroh 等,2013 年)。 ........................ 21 图 11:通过 DMLS(EADS)优化和制造的两个航空航天支架。 ........................ 23 图 12:“Over-the-wall”设计方法图解(Munro & Associates,1989 年)。 ...... 24 图 13:成本与影响图“谁投射的阴影最大?”(Munro & Associates,1989 年)。 ......................................................................................................................................... 24 图 14:显示不同材料和制造方法之间兼容性的图表(Boothroyd & Dewhurst,2011 年)......................................................................................................... 26 图 15:alpha 和 beta 旋转对称值(Boothroyd 等,2011 年)。 ................................... 28 图 16:影响零件处理的几何特征(左)和其他特征(右) (Boothroyd et al, 2011). ........................................................................................................................................... 28 图 17:提高装配简易性的示例 (Boothroyd et al, 2011). ............................................................................................................. 28 图 18:影响插入时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999). ............................................................................................................. 30 图 19:影响手动处理时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999). ............................................................................................................. 31 图 20:原始控制器组装 (Boothroyd et al, 2011). ............................................................................................. 32 图 21:分析前(左)和分析后(右)的控制器组装 (Boothroyd et al, 2011). ................................................................................................................................................................. 34 图 22:当前门铰链的组件。 ...................................................................................................... 35 图 23:两个已安装铰链的 CATIA 模型和负载分析方向(湾流宇航)。 ...................................................................................................................... 36 图 24:弹簧球和铰链止动器的特写。 ...................................................................................... 37 图 25:重新设计的增材制造门铰链。 ...................................................................................... 39 图 26:合并前后鹅颈的视觉比较。 ............................................................................. 41 图 27:重新设计前后球柱塞壳体的视觉比较。 ............................................................................. 41 图 28:原始铰链组件上用于插入计算的投影槽。 ............................................................................. 43 图 29:重新设计的铰链组件上用于插入计算的投影槽。 ............................................................................. 43
图 1:光聚合物分层系统 (Wikipedia.org)。...................................................................... 2 图 2:使用相交激光束的光雕塑过程 (Swainson, 1977)。........................................ 3 图 3:塔式喷嘴固体自由成型技术 (drajput.com)....................................................... 4 图 4:简单的分层铸造模具 (DiMatteo, 1976)。...................................................................... 4 图 5:粉末选择性激光烧结工艺 (Wikipedia.org)。...................................................... 5 图 6:FDM 工艺图 (Reprap.org)。............................................................................. 7 图 7:DFA 分析软件用户界面 (Boothroyd et al, 2011)。...................................................... 11 图 8:MakerBot 的 MakerWare 用户界面。(Makerbot.com)............................................. 14 ........... 20 图 10:GE Aviation 通过增材制造的燃油喷嘴(Rockstroh 等,2013 年)。 ........................ 21 图 11:通过 DMLS(EADS)优化和制造的两个航空航天支架。 ........................ 23 图 12:“Over-the-wall”设计方法图解(Munro & Associates,1989 年)。 ...... 24 图 13:成本与影响图“谁投射的阴影最大?”(Munro & Associates,1989 年)。 ......................................................................................................................................... 24 图 14:显示不同材料和制造方法之间兼容性的图表(Boothroyd & Dewhurst,2011 年)......................................................................................................... 26 图 15:alpha 和 beta 旋转对称值(Boothroyd 等,2011 年)。 ................................... 28 图 16:影响零件处理的几何特征(左)和其他特征(右) (Boothroyd et al, 2011). ........................................................................................................................................... 28 图 17:提高装配简易性的示例 (Boothroyd et al, 2011). ............................................................................................................. 28 图 18:影响插入时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999). ............................................................................................................. 30 图 19:影响手动处理时间的零件特征原始分类系统 (Boothroyd Dewhurst, Inc. 1999). ............................................................................................................. 31 图 20:原始控制器组装 (Boothroyd et al, 2011). ............................................................................................. 32 图 21:分析前(左)和分析后(右)的控制器组装 (Boothroyd et al, 2011). ................................................................................................................................................................. 34 图 22:当前门铰链的组件。 ...................................................................................................... 35 图 23:两个已安装铰链的 CATIA 模型和负载分析方向(湾流宇航)。 ...................................................................................................................... 36 图 24:弹簧球和铰链止动器的特写。 ...................................................................................... 37 图 25:重新设计的增材制造门铰链。 ...................................................................................... 39 图 26:合并前后鹅颈的视觉比较。 ............................................................................. 41 图 27:重新设计前后球柱塞壳体的视觉比较。 ............................................................................. 41 图 28:原始铰链组件上用于插入计算的投影槽。 ............................................................................. 43 图 29:重新设计的铰链组件上用于插入计算的投影槽。 ............................................................................. 43