增减材混合制造的研究进展

增材制造可以制造通过传统方法难以制造的复杂部件,因此在航空工业等领域中得到了大规模的应用.然而,增材制造成形部件的尺寸和几何精度以及表面质量低于传统方法成形的部件,阻碍了增材制造的进一步应用.增减材混合制造将增材制造与传统的加工手段结合,对增材制造成形的部件进行高精度数控加工,以改善部件表面光洁度以及零件的几何和尺寸精度.本文阐述了增减材混合制造的技术原理和研究进展,并指出了未来的发展方向.

金属增减材混合制造研究进展

增减材混合制造技术不仅具有增材制造的成形速度快、材料利用率高和复杂结构易成形等优点,还兼具机械加工高质量和高精度等优点,是复杂金属构件整体成形的重要手段之一。介绍了结合增材与减材的增减材混合制造技术,从设备集成和成形工艺两方面综述了其在国内外的研究现状,分析了增减材设备的机械性能、成形方法和集成方式,重点介绍了增减材混合制造路径规划的方法和工艺参数的优化。指出未来增减材混合制造设备和成形工艺的研究方向。

增减材混合制造技术的研究现状与进展

增材制造生产出的复杂零件的尺寸和几何精度以及表面质量由于无法满足直接应用要求,均需二次加工,制约着金属增材制造技术在航天工业等领域进一步发展,而增减材混合制造是突破该技术瓶颈公认的最有效解决方案。首先阐述了增减材混合制造技术原理,从设备集成和工艺研究两方面综述了国内外增减材的研究现状,介绍了增减材混合制造的工艺参数和缺陷检测,指出了增减材混合制造关键技术难点并指出方展方向。

增减材混合制造设备的发展现状

随着3D打印技术的日渐成熟,基于3D打印技术发展而来的增减材混合制造技术也正在快速发展。增减材混合制造不仅避免了原本在3D打印机床与数控切削机床转换时工件的夹持和取放所带来的定位误差,而且能提高制造精度与生产效率,节省设备的占地面积,降低制造成本。基于此,国内外众多学者对增减材混合制造设备进行了研发,对于推动增减材混合制造技术的进一步发展具有重要意义。

柔性增减材混合制造工艺及加工设备的结构特性

基于所提出的柔性增减材混合制造系统概念的基础上,阐述了该制造工艺的工艺过程,并对整个制造系统的各主要加工设备的结构形式进行了深入研究。任何成熟沉积方式及其相应设备只要满足所给出的集成条件,即可添加到本系统中,实现沉积方式及其设备的"柔性"添加。进一步给出了适合本系统的一些常用沉积方式的结构形式,深入探讨了数控去除设备、应力消除设备、净化设备及工件/沉积盘分离设备在本系统中的结构形式。在此基础上,设计了针对所有加工设备的通用工作台的结构形式,描述了工作过程。这些研究为形成具体的柔性增减材混合制造系统奠定了基础。

基于形心轴的多轴增材制造工艺规划方法

增减材混合制造是目前航空航天制造的关键技术之一,得益于五轴加工中心的旋转自由度,在增材过程中不断改变材料堆叠方向,理论上可实现零件的无支撑增材制造。然而,多轴姿态的引入增加了求解空间,极大提升了工艺求解难度。针对以上问题,提出了一种基于形心轴的多轴增材制造工艺规划方法。在形心轴定义的基础上研究了"柱状"特征形心轴的提取方法,垂直于形心轴方向进行切片,以此为基础构建了体积分解约束条件,自下而上搜索不满足约束条件的切片位置,在该位置将零件模型进行分解,并以该处形心轴方向作为新的材料堆叠方向,持续搜索直至分解完成。最后设计了零件模型,通过试验验证了方法的可行性,实现了零件的无支撑增材制造。

3D打印技术与传统加工技术对比的优缺点

随着计算机技术的飞速发展,3D打印(增材制造/快速成形)技术基于分层制造原理,采用材料逐层累加的方法,直接将数字化模型制造为实体零件,在多个领域具有广泛的应用前景。3D打印技术与传统加工各有千秋,3D打印与数控加工、铸锻造及模具制造等传统加工手段相结合,正在成为新产品快速成形与制造的方法之一。在民机制造领域,3D打印生产的零件,尤其是金属成形件,需要进一步的后处理(如热处理)才能投入生产使用。对于特定金属材料的3D打印成形零件,形状可以优化控制,并且结构静力性能可与铸锻件媲美。但是,由于无损检测能力的限制,3D打印零件内部孔隙度和微裂纹不可预测。对3D成形件的认识程度相比于传统加工还有较大差距,在民机应用中还有较长的路需要走。