航空铝合金薄壁零件上3D打印技术的应用研究

李文刚　谢凝

摘  要：基于对航空铝合金薄壁零件上3D打印技术应用的研究，首先，阐述3D打印技术基本内容。然后，分析航空铝合金薄壁零件上3D打印技术的应用特点，其中包括制作复杂零部件产品较为迅速、实现原材料的高效利用等。最后，给出航空铝合金薄壁零件上3D打印技术的应用，给出在机械定位误差中的应用、在匹配误差中的应用等。

关键词：航空;铝合金薄壁零件;3D打印技术

中图分类号：TG54         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）31-0159-02

Abstract： Based on the research on the application of 3D printing technology on aviation aluminum alloy thin-walled parts， firstly， the basic content of 3D printing technology is described. Then， the application characteristics of 3D printing technology on aviation aluminum alloy thin-walled parts are analyzed， including the rapid manufacture of complex parts and the efficient utilization of raw materials. Finally， the application of 3D printing technology on aviation aluminum alloy thin-walled parts is given， and the application in mechanical positioning error and matching error are given.

Keywords： aviation; aluminum alloy thin-walled parts; 3D printing technology

航空事业在促进我国更好发展中发挥着不可替代的作用，因此，想要实现我国航空事业的稳步提升，在铝合金薄壁零件的制造过程中，要加强对3D打印技术的利用。通过对3D打印技术的合理利用，可以使得零件的质量与可靠性得到保障，从而为后续工作的展开打下良好基础。所以，本文将针对航空铝合金薄壁零件上3D打印技術的应用相应内容进行阐述。

1 3D打印技术基本概述

3D打印技术属于一种快速成型技术，并且在快速成形技术中占据重要组成部分。3D打印技术又被人们称为增材制造，能够将不同先进技术进行有机结合，比如，计算机辅助制造技术、计算机辅助设计技术以及计算机数控制造技术等，集不同技术于一体的加工方式。3D打印技术的主流成形技术包含许多内容方式，比如，熔融沉积法、直接金属粉末激光烧结法、光固化法以及选择性激光熔化法等[1]。3D打印技术的思想最早起源于层叠成型理论当中，随着社会的不断进步与发展，使得计算机科学技术与计算机辅助设计技术得到优化与广泛应用。3D打印技术相较于传统的制造工艺，有着自身的优势与特点。3D打印技术可以在短时间内，形成并制造出较为复杂的形态产品。在实际加工过程中，不需要进行费力的切削。这对企业而言不仅可以节省更多成本，同时在最大程度上避免浪费问题的出现。除此之外，3D打印技术能够将设计的内容进行实物化，对设计工作、选型工作做出检查与分析，降低产品开发风险，为企业的更好发展打下基础。

2 航空铝合金薄壁零件上3D打印技术的应用特点

将3D打印技术应用在航空铝合金薄壁零件具备一定的特点，主要体现在以下几点中：

2.1 制作复杂零部件产品较为迅速

3D打印技术能够对较为复杂的零部件进行迅速的加工制造，并且在这一过程中，可以不使用模具。直接可以将计算机当中的设计图纸转化为实体的零件，为相关工作人员减轻工作量，同时可以在很大程度上避免纯手工操作方式带来的影响与误差。3D打印技术相较于传统的制造工艺而言，缩短复杂零部件的制造时间，减少产品的开发周期，为相关企业节省更多成本的同时，使得研发的产品能够更快投放到市场中，为企业创造更多经济效益与社会效益。

2.2 实现原材料的高效利用

将3D打印技术应用在航空铝合金薄壁零件上，可以使原材料的利用率得到提升，并且保证在实际的打印成型过程中，实现对材料的充分利用。在打印完产品后，只需要进行简单的后续处理，就可以投入到使用中[2]。实际原材料的利用率可以达到60%，最高可以达到90%的利用率。传统的制造方式，会造成材料浪费问题，特别是在航空复杂零部件的加工过程中，材料的使用率很低。这不仅会造成材料浪费问题，同时使得加工成本增加。

2.3 促进产品结构优化

3D打印技术科学合理的利用，能够在保证性能的基础上，实现对零部件结构的优化与完善，在最大程度上避免零部件质量问题的产生。相较于传统拼接构件，可以强化对部件的整体制造，并且不需要使用焊接工艺或者是铆接工艺。将复杂的结构进行简化，使得产品重量得到减少。通过对零部件的优化，使得零部件应力分布的合理性得到保障，防止因为疲劳裂纹而造成危险事故，进而保证零部件结构的完整性与强度。

3 航空铝合金薄壁零件上3D打印技术的应用

3.1 在机械定位误差中的应用

在将3D打印技术应用在航空铝合金薄壁零件时，要加强对3D打印机的充分利用。实际3D打印机在运行过程中，会受到电机的控制。电机各个零部件，对系统的安全稳定运行会产生一定影响。在层面打印期间，X轴与Y轴方向会存在一定惯性，从而使得扫描尺寸以及成型件设计尺寸存在一定偏差。与此同时，因为扫描系统在工作过程中，会存在相应的加速过程中，所以，会产生一定的固化不均匀现象，进而出现误差。对于Z轴方向的控制，通常情况下是由丝杠展开相应控制工作[3]。利用上下移动，完成成型加工操作。总而言之，在机械定位误差当中，要加强对3D打印技术的利用，从而将误差问题控制在合理范围内。

3.2 在匹配误差中的应用

在实际3D打印过程中，挤出头会喷出熔融材料，熔融材料有着一定的宽度与一定体量。如果与喷头的运行速度以及运行路径不匹配，那么实际打印轮廓与理想中的打印轮廓将会存在一定误差，填充物的实际结构与设计存在偏差问题，从而产生打印误差问题的出现。但是，在3D打印过程中，结合挤出熔融材料的量，以及挤出速度等影响因素，对补偿量以及速度进行计算，从而将误差控制在有效范围内，尽管无法避免误差的出现，但是也可以对误差进行控制。最为理想的状态是，一定时间内挤出头挤出的熔融材料体量，与实际填充体量相同，并且填充材料的横截面能够在最大程度上保持为矩形[4]。但是因为挤出头的运行与实际基础材料量在理论上无法实现匹配，所以，使得填充材料的横截面形状出现变化。

3.3 FDM成型技术的应用

FDM成型技术也就是人们所说的熔融沉积成型技术，熔融沉积成型技术的实际工作原理是，电机等不同装置，将热塑性材料输送到加热器当中，并且在加热器内对其进行加热融化。接着利用喷头底部的微细喷嘴，将已经融化的材料，经过一定的压力，将材料喷出。被喷出的材料在经过已经被设计好的喷头轨迹，将会形成熔结层面。当一个层打印完成后，工作台将会移动到另一个层当中进行打印，直至打印出完整实体。

通常情况下该种原理的打印机，实际结构较为简单，并且所花费的成本相对较低，成形尺寸较大。同时也存在一定缺点，比如，产品质量有待提升，并且需要相应的设计提供辅助。所以，此种类型打印机更加适用于桌面级工业产品使用或者低精度工业产品使用。在FDM成型技术下的3D打印机设备包含不同系统，比如，加热系统、控制系统以及机械系统。加热系统主要是通过对电阻丝的合理利用，对材料进行加热使其呈弹性流体状态，这样更容易被挤出。控制系统的主要工作内容是，对喷头的运动方向、运动速度以及运动轨迹进行控制，同时将出料宽度参数以及加热温度参数控制在合理范围内[5]。机械系统包含不同系统，比如，成型室系统、装置系统等。能够应用FDM成型技术的材料，通常情况下，属于ABS聚合物材料、尼龙材料等。材料性能对加热系统喷嘴温度会产生直接影响，加强对喷嘴温度的控制，可以在一定程度上使得材料的堆积性能以及出料流量得到保障。通俗来讲就是喷嘴温度，会直接影响打印产品质量。因此，为使得打印产品质量得到保障，需要将喷嘴温度控制在合理范围内，一般情况下，在出料具有合适粘性系数的流体状态范围内选择。因为，如果喷嘴温度较低，那么粘度将会变差，流动性较强，那么材料被挤出的速度较快，从而导致出丝直径无法被有效控制，导致最终产品质量无法保障。如果喷嘴温度较高，那么材料需要较长的冷却时间。材料在没有被冷却到一定状态的情况下，后一层被挤出直接压到前一层上，使得材料无法定型。

3.4 激光烧结技术的应用

激光烧结技术也可以将其分为不同的技术类型，比如，直接激光烧结技术、选择性激光烧结技术等。不同技术之前的原理大致相同，在本文主要是对选择性激光烧结技术进行分析与阐述。选择性激光烧结技术原理与选择性激光融化技术大致相同，在零件加工过程中，都需要里层堆积[6]。同时要保证具备较高的能量密度，这样才能确保粉末能够被全部融化。在功率较高的激光束影响与作用下，金属粉末可以保证全部融化，在对其进行散热与冷却操作后，可以与固体金属之间进行致密的冶金结合，不断累计，形成三维实体。SLS设备由不同的系统构成，比如，加热系统、光学扫描系统以及控制系统等。在实际的3D打印成型过程中，需要注意以下几点问题：第一，对将要被加工的三维实体零件切片文件进行读取，并且将适当的工艺参数加入到其中，从而形成相应的激光扫描路径控制代码。第二，铺粉装置在实际的工作过程中，需要在其工作台面上铺上一层层材料粉末。材料粉末的铺设厚度需要与切片厚度保持一致，通常情况下控制在十几微米左右即可，然后将粉末用滚筒滚平并压实。

4 结束语

综上所述，3D打印技术对航空铝合金薄壁零件制作而言具有重要作用。因此，需要相关工作人员能熟练掌握3D打印技术。这样才能将3D打印技术优势充分发挥，为我国航空事业的更好发展打下基础。

参考文献：

[1]谭立忠，方芳.3D打印技术及其在航空航天领域的应用[J].战术导弹技术，2016（4）：1-7.

[2]史玉升.3D打印技术的工业应用及产业化发展[J].机械设计与制造工程，2016，45（2）：11-16.

[3]张向东，陈亚莉，齐瑞梓.薄壁復杂飞机发动机机匣本体3D打印技术优势简介[J].科技创新与应用，2016（31）：77.

[4]宋彬，及晓阳，任瑞.3D打印蜡粉成形工艺研究和应用验证[J].金属加工（热加工），2018（1）：23-26.

[5]董云菊，李忠民.3D打印技术制作风扇部件铸造模具的应用研究[J].铸造，2018，67（12）：69-72.

[6]刘飞，王炜，李金岳.3D打印技术在空间飞行器研制中的应用研究[J].航天制造技术，2018，212（06）：62-66.