3D激光快速成形技术研究

贺强，周长春，白晓亮

(1.中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川广汉618307;2.西北工业大学机电学院，陕西西安710072)

0 前言

随着数字化设计与制造技术的广泛应用，基于CAD模型的产品研制已经成为航空制造业的主流模式。在该模式下，通常基于零件的CAD模型和材料毛坯，通过去除材料或变形的方式得到与CAD模型几何一致的零件实体。尽管该模式对航空制造业的进步起到了巨大的推动作用，然而若干年的工业实践也表明这是一项十分耗时和技术难度较高的工作，尤其是针对要求高性能、具有复杂结构且在航空制造业中广泛应用的钛合金构件的研制。针对这一现状，出现了一种变革性的数字化制造技术——激光快速成形技术。该技术打破传统去除材料或变形的制造模式，采用“离散＋堆积”的增材制造思想，由CAD模型一步完成构件的制造，具有无需模具、几何形状复杂度无限制、加工周期短、制造成本低、柔性高、综合性能优异等显著优势。该技术自20世纪90年代问世以来，迅速成为航空大国竞相优先发展的一种先进制造技术［1］。

作为航空强国，美国引领着这一先进制造技术的发展，并实现了飞机钛合金结构件激光快速成形制造的研发和工程化应用。目前，激光快速成形技术已成为美国航空航天国防武器装备大型钛合金结构件的核心制造技术之一。在F/A-18E、F22和F35等先进战机上，大量钛合金、不锈钢等材料的薄壁结构件、复杂加筋件和空腔结构件等均采用该技术制造［2-3］。北京航空航天大学王华明教授的研究团队突破了钛合金、超高强度钢等材料的大型复杂构件激光快速成形技术，并已成功开展工程化应用。王教授的团队凭借“3D激光快速成形技术”获国家技术发明一等奖［1］。西北工业大学黄卫东教授的研究团队针对激光快速成形技术的相关理论、技术及应用方面开展了大量的研究工作［3，6-12］。目前，激光快速成形技术已经能够制造主承力航空构件，制造的最大零件的投影面积已达12 m2，并且材料利用率在70%以上。文中结合上述研究，分析了激光快速成形技术的原理、关键技术步骤以及具有的优势，并对研究和应用现状进行综述，最后对激光快速成形技术应用到直升机制造业的前景进行了分析。

1 激光快速成形技术原理、关键步骤及优势

在原理上，激光快速成形技术打破“去除材料或变形”的常规加工思想，采用“增材”原理进行零件的成形。该技术利用激光具有能量集中、易于控制、并且是成本较低的工业能量的优势，精确调节与控制激光光速，实现对材料的精细堆积与加工处理，从而快速制造高致密复杂金属构件。

激光快速成形的主要过程及关键步骤为:首先对零件的CAD模型进行切片处理，将零件的网格模型按一定厚度分层离散成一系列类似计算机灰度图像的2D轮廓数据;然后基于轮廓数据生成可控制激光运动的数控驱动程序，从而驱动激光自底向上逐层熔覆沉积金属粉末;最终获得组织致密、高性能的“近净形”零件。完整的激光快速成形制造流程如图1所示。

图1 激光快速成形过程

针对激光快速成形中的CAD模型切片问题，刘厚才等［5］提出了基于轮廓边的快速求交算法，克服了经典算法中的奇点问题。马良等人［6］根据STL模型中三角面片的几何信息，结合切片厚度，建立分组矩阵，通过构建三角面片之间局部的动态拓扑关系来减少三角面片的求交次数和遍历次数。该技术基于经典的计算机图形学求交算法，通过优化三角面片的遍历次数来完成各层图像的快速生成。总体而言，CAD模型切片和基于轮廓数据生成驱动程序的算法较为成熟，而后续的激光熔覆过程则涉及复杂的物理、化学、力学和冶金问题，是制约激光快速成形技术发展和应用的难题，文中将在下一节进行详述。

作为一种突破性的高新技术，激光快速成形技术融合应用了CAD/CAM技术、激光技术、计算机数字控制、精密伺服驱动以及材料科学等诸多学科的先进技术，具有以下显著优势:

(1)无需模具和毛坯制备，直接根据CAD模型生成任何形状的构件，尤其适合具有复杂几何形状的构件;

(2)近净成形，后续加工量小、材料利用率高、周期短、成本低、效率高;

(3)构件具有细小、均匀的快速凝固组织，综合力学性能优异;

(4)具有高柔性，能快速响应市场的变化。

2 研究与应用现状

2.1 内部组织及缺陷的形成机理

激光快速成形过程可描述为:(1)连续输送到激光熔覆区的金属粉末熔化，即在激光束的作用下，基体或前一层熔覆层发生局部重熔，并混合成合金熔体;(2)金属熔体在熔池内流动直至熔池内的温度趋于一致且熔体合金成分趋于均匀;(3)随着轮廓变化，运动熔池中的熔体非平衡快速凝固。

上述过程发生在体积小、寿命短的液态熔池中，是一个非常复杂的非平衡短时物理冶金过程［7］。激光、金属粉末与熔池的交互过程如图2所示。陈静等人［7］利用高速摄影来实时观测激光快速成形过程中液态熔池的形成及演化过程。张凤英等［8］研究了钛合金激光快速成形过程中缺陷的形成机制，气孔缺陷主要取决于粉末的松装密度，熔合不良与激光的能量密度、多道间搭接率以及Z轴单层行程有关。由于激光快速成形过程中的各种变化极其复杂，构件的内部组织和内部缺陷的形成机制等关键问题研究困难。北京航空航天大学和沈阳飞机设计研究所的“产学研”研究团队在这一领域取得了实质性进展，突破了零件变形、开裂的预防和内部质量控制等难题［1］。

图2 激光、粉末熔池交互过程示意图

2.2 成形过程的模拟与仿真

为获得稳定、高质量的构件，准确把握激光快速成形过程中的内部组织和内部缺陷的形成规律，对成形工艺参数以及成形过程进行仿真优化逐渐得到重视。贾文鹏等［9］采用有限单元生死技术模拟了熔池形成和自由界面形状演化及熔覆层的沉积过程，利用界面温度与粉末粒子动量损失状况来模拟熔池对粒子的捕捉以及构件对粉末的反射，并采用LAGRANGIAN粒子追踪模型实现了对粉末颗粒的跟踪。马良等［10］基于ANSYS，利用二次开发技术建立了激光成形过程温度场、应力场的参数化有限元模型。采用移动热源和单元生死技术，对激光成形过程中的热应力场进行了仿真，在准确计算温度场演化规律的基础上，揭示了塑性压缩区、塑性拉伸区、卸载区等热应力场的产生原因。谭华等人［11］针对激光快速成形的工艺特点，研究了基于实时监测原理的闭环控制系统，来调整工艺参数，以获得高性能和高质量的构件，并论述了监测与闭环控制系统进一步的发展方向。

2.3 激光快速成形的应用现状

作为一种变革性技术，激光快速成形技术主要针对需求量大、复杂度高且难加工或材料去除量极大的零件。美国F-22飞机的两个钛合金接头件，如图3所示，采用激光快速成形技术制造，其综合性能较传统加工方式有了大幅度提高，且制造成本降低了20%～40%，生产周期也缩短了80%。

图3 F-22的激光快速成形钛合金件

北京航空航天大学与中航工业集团成立了中航激光公司，将激光快速成形技术的研究成果产业化。该项目在国际上首次突破了飞机钛合金大型整体主承力结构件的激光成型工艺、力学性能控制、工程化成套设备、技术标准。已经成功在我国多个型号飞机上开展了工程化应用。图4为首次公开展示的采用激光快速成形技术制造的某型战机的大型钛合金零件。

图4 北航激光快速成形的钛合金件

经过多年的深入研究，西北工业大学的黄卫东教授在激光快速成形技术方面也取得了突出的成果。图5所示的激光快速成形技术制造的大型钛合金零件为某型机的主承力件。图3、4、5均为互联网 (凤凰网，www.ifeng.com)上公开的激光快速成形技术制造的复杂构件。

图5 西工大激光快速成形的钛合金件

3 直升机制造业中的应用分析

3.1 动部件的快速制造

直升机旋翼升力系统主桨毂、尾桨毂和自动倾斜器 (合称“动部件”)的生产制造是直升机制造最核心的技术。动部件为主承力件，结构形式复杂、工作环境恶劣，疲劳强度要求高，且材料多为TB6钛合金和高温合金等难加工材料。目前采用整体锻造毛坯，再数控加工的方式生产动部件，具有工序长、工艺复杂、零件加工去除量大、数控加工时间长，材料利用率低等亟待解决的问题。根据文献 ［12］的研究，与“锻件＋机加”成形方式相比，主要材料为钛合金和高温合金的动部件若采用激光快速成形技术制造，则具有与之相当或更优异的综合力学性能。此外，激光快速成形技术先天具有的不依赖模具、对零件几何复杂度无限制、生产周期短和材料利用率高等优势，特别适合响应动部件的设计变化。因此，采用激光快速成形技术来制造直升机的动部件对提高动部件的综合力学性能、降低制造成本和缩短研制周期等具有重要意义。

3.2 动部件的快速修复

直升机动部件是重要的承力部件，承受了桨叶传导的离心力、挥舞弯矩、摆振弯矩等。因此，动部件是直升机上最容易磨损的部件。动部件成本高昂，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体更换，可能造成数十万、甚至上百万的损失。激光快速成形技术是逐点增材制造的，故只需把缺损零件看做特殊的基体，对缺损部位进行几何重建，在重建几何上进行切片分层，最后利用激光快速成形技术即可快速修复零件。由于激光能量在时空分布和功率密度上的可控性远远高于其他工业能源，因此可以最大限度减少修复加热过程对被修复零件的不利影响。此外，由于激光快速成形过程可以同步控制成形合金成分和组织，因而可以通过控制修复区成分、组织使修复区与零件本体的性能保持一致，从而恢复构件的固有属性。基于激光快速成形的动部件修复技术不仅能够挽回巨大的经济和时间损失，还能提高资源的利用率，符合低成本、可持续发展战略。

综上所述，激光快速成形技术在直升机制造业中具有广泛的应用前景，值得我国直升机研制单位持续关注。

4 结论与展望

作为工业之花的航空制造业的重要组成部分，直升机产业正经历飞速的变革。要想做大做强该产业，没有一劳永逸的解决方案。只有不断加强研究和发展，才能顺应发展潮流，立于强者之林。激光快速成形技术所带来的巨大技术优势必将引领先进制造技术的发展。直升机动部件的制造技术是直升机研制公司制造能力的体现，从成本、效率、质量而言，采用激光快速成形技术来进行动部件的制造和修复具有巨大技术优势和经济效益，可作为未来动部件制造技术的优先发展方向。

［1］王华明，张述泉，王向明.大型钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战［J］.中国激光，2009，36(12):3204-3209.

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［3］杨健，黄卫东.激光直接制造技术及其在飞机上的应用［J］.航空制造技术，2009(7):36-38.

［4］杨恩泉.3D打印技术对航空制造业发展的影响［J］.航空科学技术，2013(1):13-17.

［5］刘厚才，莫健华，储爱民.三维打印快速成型层面位图的生成算法［J］.工程图学学报，2009(5):63-68.

［6］马良，黄卫东.基于STL数据模型动态拓扑重构的快速切片算法［J］.中国激光，2008，35(10):1623-1626.

［7］陈静，谭华，杨海鸥，等.激光快速成形过程中熔池形态的演化［J］.中国激光，2007，34(3):442-446.

［8］张凤英，陈静，谭华，等.钛合金激光快速成形过程中缺陷形成机理研究［J］.稀有金属材料与工程，2007，36(2):211-215.

［9］贾文鹏，陈静，林鑫，等.激光快速成形过程中粉末与熔池交互作用的数值模拟［J］.金属学报，2007，43(5):546-552.

［10］马良，黄卫东，于君，等.金属激光立体成形热应力场参数化有限元模型［J］.中国激光，2009，36(12):3226-3231.

［11］谭华，陈静，杨海鸥，等.激光快速成形过程的实时监测与闭环控制［J］.应用激光，2005，25(2):73-77.

［12］黄卫东，林鑫.激光立体成形高性能金属零件研究进展［J］.中国材料进展，2010，29(6):12-27.