Investigación sobre el desarrollo de tecnología de fabricación aditiva por láser de metales

1. Introducción

La fabricación aditiva por láser (LAM) es una tecnología de fabricación aditiva que utiliza el láser como fuente de energía y puede cambiar por completo el modo de procesamiento de piezas metálicas tradicionales. dividido en fusión selectiva por láser (SLM) es una característica técnica de la colocación de lecho de polvo, y deposición directa por láser (LDMD) es una característica técnica de la alimentación de polvo sincrónica. Por ejemplo, las boquillas de combustible para motores de aviones SLM de General Electric Company (GE) y los marcos de aleación de titanio para aviones LDMD de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing son casos de aplicación típicos.

A juzgar por el desarrollo actual de la tecnología LAM metálica en el país y en el extranjero, todavía hay solo unas pocas direcciones tecnológicas que están verdaderamente industrializadas. Esto se debe a la acumulación de teoría básica, avances en tecnologías clave y madurez. de la tecnología de aplicación de ingeniería y el progreso tecnológico, la comercialización y la promoción han restringido la aplicación industrial de la tecnología LAM en diversos grados. En la actualidad, la investigación nacional y extranjera se centra principalmente en la investigación controlable, centrándose en la investigación básica sobre porosidad, grietas, características organizativas, anisotropía, etc.: la baja densidad de energía da como resultado una estructura de fase α β laminar, que puede causar fácilmente poros y mala calidad. fusión; alta energía La densidad provoca una estructura acicular de martensita α', que promueve la segregación de elementos de aluminio y la formación de la fase α2-Ti3Al. La resistencia a la fatiga de la aleación Ti-6Al-4V depositada es aproximadamente un 80% menor que la de las piezas forjadas; . La Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing ha desarrollado tecnologías clave, como defectos internos y control de calidad de LDMD para piezas estructurales grandes de aleación de titanio [20]. La Universidad Politécnica de Northwestern ha completado la fabricación LDMD de tiras de borde de aleación de titanio de gran tamaño para aviones, alcanzando un alto nivel de precisión de conformado y control de deformación. La Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Shenyang propuso un método de formación de escaneo particionado, que controlaba eficazmente la deformación y el agrietamiento de las piezas durante el proceso LDMD. Youyan Engineering Technology Research Institute Co., Ltd. ha superado los problemas de control de calidad de la interfaz y control de integración de formas complejas de materiales diferentes TC11 y TA15/Ti2AlNb en el blisk y la entrada de aire, y el producto ha pasado la evaluación de la prueba.

La investigación nacional sobre el control preciso de las dimensiones de la forma y la rugosidad de la superficie se ha centrado en la tecnología SLM. El diámetro mínimo del orificio de las piezas del canal de flujo procesadas por Xi'an Blit Laser Forming Technology Co., Ltd. utilizando el método SLM es de aproximadamente 0,3 mm, y el espesor mínimo de pared de las piezas de paredes delgadas es de aproximadamente 0,2 mm en total; La precisión dimensional de las piezas alcanza los 0,2 mm y la rugosidad Ra no supera los 3,2 μm. La Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing se centra en la fabricación de precisión SLM y mejora el rendimiento general de las piezas mediante el control completo del proceso. La Universidad Xi'an Jiaotong aplica LAM a la fabricación de palas huecas de turbinas, propulsores aeroespaciales, piezas de automóviles, etc. [11].

El Instituto de Investigación de Materiales Aeronáuticos de Beijing de Ingeniería de Aviación de China completó un estudio exhaustivo sobre la tecnología LAM: el blisk integral de turbina de doble aleación a base de níquel fabricado por LDMD pasó la evaluación de la prueba de superrotación y el IL-76 fue reparado aditivamente. tren de aterrizaje de aeronaves Obtuvo la aplicación por lotes; desarrolló el sistema de evaluación y escaneo ultrasónico LAM, estableció estándares de prueba y bloques de prueba de comparación, y aplicó los resultados de la tecnología de evaluación y pruebas no destructivas a las pruebas por lotes de bastidores de poleas de aviones, bastidores y otras piezas instaladas.

En términos de polvo SLM, los productos nacionales básicamente cumplen con los requisitos del proceso de conformado. El Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China ha logrado un gran avance en la tecnología de preparación limpia de aleación de titanio ultrafina y polvo de aleación de alta temperatura para SLM, y su rendimiento alcanza el nivel de los productos importados. Los productos en polvo de aleación de titanio y aleación de alta temperatura desarrollados por Xi'an Ouzhong Materials Technology Co., Ltd. se han aplicado en ingeniería.

2. Equipos LAM metálicos

Los equipos LDMD y SLM nacionales tienen capacidades de I + D relativamente sólidas y han ganado una cierta participación en las aplicaciones del mercado. Xi'an Blit Laser Forming Technology Co., Ltd. ha desarrollado de forma independiente equipos de la serie SLM y equipos de serie de reparación láser de alto rendimiento. Nanjing Zhongke Yuchen Laser Technology Co., Ltd. ha desarrollado componentes centrales como boquillas de alimentación de polvo coaxiales con zoom automático, alimentadores de polvo de largo alcance y cajas de purificación de circulación de gas inerte de alta eficiencia, formando una serie de equipos LDMD metálicos.

Además, Beijing Yijia 3D Technology Co., Ltd. y Beijing Xinghang Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd. se dedican a la producción en pequeños lotes de equipos SLM de metal pequeño y de grado industrial, y Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing General Co., Ltd. se dedica a equipos SLM estándar y de gran formato y equipos robóticos LDMD. Se han logrado buenos avances en investigación y desarrollo.

3. Aplicación del LAM metálico

El LDMD se utiliza principalmente en la fabricación de estructuras portantes. El bastidor de carga principal, el tren de aterrizaje principal y otros componentes fabricados por la Universidad de Beihang se han utilizado en aviones aeroespaciales, motores de turbina de gas y otros equipos. El Instituto de Diseño de Aeronaves de la Industria de la Aviación de Shenyang promueve la madurez de la tecnología LDMD a través de la verificación de aplicaciones de ingeniería, logrando la aplicación de 8 tipos de materiales metálicos y 10 tipos de piezas estructurales en aeronaves. El Primer Instituto de Investigación y Diseño de Aeronaves de la Industria de la Aviación ha realizado la instalación y aplicación de piezas LDMD para el marco exterior de la polea del flap principal y el brazo del timón de cola de aviones grandes. El Instituto de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de Beijing ha realizado la fabricación y aplicación de LDMD de estructuras de cabina esqueléticas de paredes delgadas y de gran tamaño.

SLM se utiliza principalmente en la fabricación de piezas de formas complejas. En el campo de la aviación, el Instituto de Investigación de Tecnología de Fabricación de Aviación de China ha realizado la instalación y aplicación de productos SLM; el Instituto de Diseño de Aeronaves de la Industria de la Aviación de Chengdu ha utilizado válvulas de entrada/escape de estructura de rejilla de cabina eléctrica auxiliar SLM en aviones; de la industria de la aviación ha utilizado la estructura de rejilla, la estructura de sellado contra la lluvia, la estructura de múltiples cavidades de entrada de aire y otros aspectos han permitido la instalación y aplicación de piezas SLM. En el campo aeroespacial, se han instalado productos SLM, como soportes de interrupción de tanques, radiadores espaciales y dispositivos de guía de Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing General Co., Ltd. en productos SLM, como piezas estructurales de cabina y superficies de control de Beijing Xinghang Mechanical; y Electrical Equipment Co., Ltd. El producto ha pasado pruebas en tierra y en vuelo. El Instituto de Investigación de Ingeniería Eléctrica y Mecánica de Beijing ha logrado la fabricación SLM de piezas pequeñas y complejas y la madurez técnica de las superficies de control, soportes y otros productos ha alcanzado el nivel 5; Xinjinghe Laser Technology Development (Beijing) Co., Ltd. aplica SLM Se fabricó una estructura tipo sándwich de celosía de aleación de titanio de paredes delgadas y gran tamaño (marco de ventana colectora térmica) para cumplir con los estrictos requisitos técnicos de los aviones de exploración del espacio profundo.

Además, Xi'an Blit Laser Forming Technology Co., Ltd. utiliza la tecnología SLM para proporcionar más de 8.000 piezas para el campo aeroespacial cada año. La Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong fabrica piezas con enfriamiento conformado; El procesamiento de compuestos aditivos y sustractivos. Los moldes de material degradado para canales de agua se han utilizado en muchas industrias.

(2) Deficiencias encontradas

1. Existe una brecha en la tecnología de diseño y preparación de materiales LAM metálicos

La teoría del diseño y el sistema de métodos de los sistemas domésticos Los materiales especiales de LAM aún no están claros. Débil, el trabajo de diseño de materiales especiales es escaso y disperso. La tecnología del genoma de materiales acorta el ciclo de investigación y desarrollo y reduce los costos de investigación y desarrollo, y se ha aplicado con éxito en el diseño de materiales relacionados en el extranjero. La base nacional para la investigación sobre la tecnología del genoma de materiales y su uso para mejorar el rendimiento de materiales específicos de LAM es relativamente débil.

En términos de preparación de polvo, la tecnología doméstica de fabricación de polvo de atomización de argón al vacío es relativamente madura, y las propiedades de los polvos de aleación a base de níquel y acero inoxidable preparados básicamente cumplen con los requisitos del proceso de formación. Sin embargo, existe una gran brecha en la preparación de polvos ultrafinos de aleación de titanio y aleación de aluminio. Los principales problemas son la escasa esfericidad del polvo y el bajo rendimiento del polvo fino, que no pueden cumplir con los requisitos de formación de SLM, lo que hace que las aplicaciones prácticas sigan dependiendo de. importaciones.

2. Existe una brecha en la tecnología de diseño y fabricación de equipos LAM metálicos

La brecha entre mi país y las potencias tecnológicas LAM como Estados Unidos y Alemania radica principalmente en los equipos de proceso. Los equipos SLM para aplicaciones nacionales dependen principalmente de las importaciones de Alemania, mientras que los equipos SLM para aplicaciones de ingeniería a gran escala dependen principalmente de las importaciones. Las empresas nacionales carecen de capacidades de autoinvestigación en componentes centrales como láseres y galvanómetros. Es necesario mejorar urgentemente el tamaño del procesamiento, la estabilidad y la precisión del procesamiento de los equipos domésticos. estados, etc. no es lo suficientemente perfecto.

3. Investigación insuficiente sobre los procesos LAM metálicos

A medida que el rendimiento de materiales de equipos importantes, como motores de turbina y aviones, continúa mejorando, la procesabilidad del material ha disminuido. La investigación nacional sobre el proceso LAM de los materiales de la columna vertebral de la aviación es insuficiente y aún no se han formado métodos eficaces como el control de la deformación por tensión y el agrietamiento. El problema de los defectos estructurales internos de las piezas aún no se ha erradicado. uniforme y consistente, y la estabilidad del lote es pobre. Sin embargo, falta aún más investigación sobre el proceso LAM de materiales estructurales de temperatura ultraalta necesarios para motores aeronáuticos avanzados y aviones de alta velocidad.

4. La precisión dimensional y la rugosidad de la superficie del producto no cumplen con los requisitos técnicos

Las piezas estructurales de aviones LDMD generalmente dejan un margen de mecanizado, y la precisión dimensional y la rugosidad de la superficie no son necesariamente limitaciones clave. Sin embargo, la mayoría de las piezas de los motores de turbina son piezas estructurales complejas con canales y cavidades de flujo interno. La precisión dimensional del SLM correspondiente es de aproximadamente 0,1 mm y la rugosidad de la superficie Ra es de aproximadamente 6,3, lo que aún está muy por detrás de las piezas fundidas de precisión. Los productos relacionados también enfrentan el problema de una investigación insuficiente sobre el conformado, el procesamiento de superficies internas y otras tecnologías.

5. Falta de estándares guía para LAM metálicos

El problema fundamental que enfrenta la industria LAM de mi país en esta etapa es la falta de estándares de control de calidad, lo que dificulta el diseño, los materiales y Falta una base de aceptación en términos de proceso, pruebas, rendimiento del tejido, precisión dimensional, etc. La falta de organización de datos básicos como pruebas no destructivas, propiedades mecánicas y mapas metalúrgicos, que son la base para la aplicación de piezas, dificulta la formulación de estándares de productos y garantías insuficientes para la promoción de aplicaciones industriales.

5. Análisis de tecnologías clave para la fabricación aditiva por láser de metales en mi país

1. Diseño y fabricación de dispositivos centrales de primera clase para procesamiento láser

Carry Llevar a cabo el desarrollo de dispositivos centrales con derechos de propiedad intelectual independientes, enfocándose en mejorar la calidad y el rendimiento de dispositivos básicos como procesadores, memorias, controladores industriales, sensores de alta precisión, convertidores digitales/analógicos, y llevando a cabo el diseño y fabricación de dispositivos centrales. dispositivos y componentes clave de equipos de proceso; desarrollo de láseres de alta calidad y sistemas de conformación de haces, galvanómetros de escaneo láser de alta potencia, espejos de enfoque dinámico y otros dispositivos ópticos de precisión, cabezales de procesamiento de boquillas de alta precisión y otros componentes centrales.

2. Estrategia de escaneo, planificación de parámetros y monitoreo en línea

Avance en el diseño de datos, procesamiento de datos, biblioteca de procesos, análisis de procesos y planificación inteligente de procesos, sistema de monitoreo y detección en línea, proceso de formación automatización Adáptese a las tecnologías de software en control inteligente y otros aspectos, y cree un sistema de software de soporte central LAM con derechos de propiedad intelectual independientes.

3. Optimización del diseño de materiales LAM basada en el genoma de materiales

Desarrollar modelos tecnológicos especializados de alto rendimiento para materiales alejados de las condiciones de equilibrio y desarrollar algoritmos de simulación multiescala adecuados para alto rendimiento. cálculos. Investigar la tecnología de preparación de materiales en polvo con composición y estructura de tejido controlables por microrregiones, y establecer una base de datos de genes de materiales mediante experimentos de alto rendimiento. Mediante la colaboración de cálculos, experimentos y bases de datos de alto rendimiento, se pueden desarrollar rápidamente materiales específicos de LAM con excelente rendimiento.

4. Controlabilidad de LAM y control de forma de estructuras típicas de materiales principales

Llevar a cabo tecnologías clave e ingeniería de piezas para la controlabilidad de LAM y control de forma para varios materiales clave y piezas típicas Investigación sobre productos químicos aplicaciones. Dominar los factores y soluciones que afectan la calidad final durante el proceso de fabricación de piezas y formar un sistema de tecnología LAM disponible para ingeniería, involucrando control de materia prima, equipos de proceso, procesos de conformado, tratamiento térmico, mecanizado, tratamiento de superficies, pruebas no destructivas y verificación. pruebas, etc Preste atención a la uniformidad y estabilidad del lote de piezas LAM, lo que satisface las necesidades de aplicaciones prácticas de ingeniería.

6. Conclusión

Para ponerse al día en la tecnología LAM metálica y sus aplicaciones de ingeniería, el desarrollo de LAM en mi país debe seguir la ley objetiva de “tecnología – producto – industria ” y consolidar el control del desempeño organizacional Base técnica, compensar las deficiencias del equipo central en I + D e integración de hardware / software, fortalecer el control de calidad, los estándares y la verificación de los productos, y promover constantemente la aplicación industrial.

(1) Consolidar la base de investigación de la fabricación aditiva por láser y aprovechar al máximo las capacidades de exploración e investigación tecnológica de las universidades y los institutos de investigación científica. El departamento industrial o unidad de aplicaciones toma la delantera en el desarrollo del proceso LAM del producto y la verificación del rendimiento. Basado en el principio de lo fácil primero y luego lo difícil, se expande gradualmente desde metales convencionales a materiales avanzados como compuestos intermetálicos y temperaturas ultraaltas de niobio-silicio. aleaciones.

(2) Promover de forma ordenada la investigación de aplicaciones de ingeniería. Inicialmente, seleccionaremos productos representativos en los campos de la aviación y aeroespacial para llevar a cabo trabajos de verificación, estándares y control de calidad de LAM, y realizaremos la producción en masa de productos y aplicaciones de ingeniería lo antes posible, luego nos expandiremos gradualmente a productos de alto valor con estructuras complejas; duras condiciones de trabajo y mala procesabilidad en la industria nuclear Promoverlo y aplicarlo en campos de fabricación avanzados como armas, automóviles y equipos de energía eléctrica.

(3) Realizar investigación y formulación sólidas de estándares de control de calidad de productos LAM. Acumule datos básicos sobre pruebas no destructivas de defectos de LAM, propiedades mecánicas, mapas metalúrgicos, vida de fatiga, etc., determine la base de aceptación de materiales, procesos, pruebas no destructivas, propiedades organizativas y mecánicas, precisión dimensional, rugosidad de la superficie, etc. Y formular las normas técnicas de productos LAM de mi país.

(4) En combinación con las necesidades reales de la industria, agregar especialidades relacionadas con LAM en colegios y universidades y escuelas vocacionales y técnicas para cultivar tecnología profesional y talentos calificados para las empresas. Establecer centros de capacitación LAM en empresas de tecnología ventajosas para brindar capacitación especial a diseñadores, artesanos y operadores de equipos en muchas industrias de mi país, brindando así apoyo intelectual para el desarrollo de la industria LAM.