基于航空构件制造的激光3D打印设备研究

吴冰

摘   要：航空制造企业在大型关键结构件生产过程中，采用传统制造方法往往是十分困难的，生产周期长，设备稳定性精确性要求高，如果加工过程中出现零件变形或加工工艺不合理造成的零件报废，代价也是巨大的。3D打印技术的优势在于，缩短加工时间，减少原材料浪费，质量可靠，性能优异，同时激光增减材3D打印设备可修复部分报废零件的缺陷，节省了大量生产制造成本。

关键词：增减材制造  航空制造  激光熔覆  3D打印

中图分类号：TP391.73                             文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0005-02

1  激光3D打印技术的优势

随着航空产品复杂程度的不断提高和研制生产周期的不断缩短，其对复杂精密关键部件和大型构件的制造提出了更高的要求。与传统机加工艺和模具成形等制造工艺相比，3D打印技术是将三维实体加工变为若干二维平面加工，大大降低了制造的复杂度。其中，航空类产品零件具有显著特征：产品类型复杂，具有多样化、小批量等特点;结构趋于整体化和复杂化，工艺难度大，加工过程复杂;大型化、薄壁化特点突出，变形控制极为关键;材料去除量大，切削加工效率问题突出;大型结构件毛料价值高，质量风险大。3D打印技术将以其革命性的“制造灵活性”和“大幅节省原材料”在加工制造领域掀起一场革命。它适合于小批量、多品种、结构复杂、原材料价值高的机械加工制造。

2  激光增减材3D打印设备构成

激光增减材3D打印设备是以金属丝材为原料，按照零件数字三维模型，在计算机的控制下，通过激光逐层熔化、逐层熔合凝固金属丝材，形成零件毛呸体，再通过减材机加工方式完成精加工，从而实现全致密、高性能大型复杂整体金属零件的直接成形制造。本设备通常有以下部分构成。

2.1 激光三维打印数控执行机构

三维数控执行机构采用三轴数控加工中心的主机结构，数控系统采用西门子828D数控系统。三维数控执行机构三轴的形成分别为X：1000mm，Y：800mm，Z：600mm，均由伺服电机与精密滚珠丝杠驱动。激光3D打印设备可成型最大零件尺寸为1000mm×800mm×600mm;近净成型零件尺寸精度达到0.2mm，位置精度达到0.1mm。

2.2 多光束中心送丝激光3D打印加工头

多光束中心送丝激光3D打印头通过3束激光合成，最终实现合成功率大于1500W，中心送丝模块可送丝直径为0.6mm，0.8mm或1.2mm等，丝材利用率达到100%。

多光束中心送丝激光3D打印头采用模块化设计，包括三路激光整形聚焦模块，中心送丝模块与主体水冷模块等五个功能模块。中心送丝模块将金属丝材垂直送至激光成型基板，激光通过三路光纤分别传输至三个激光整形聚焦模块，聚焦后的激光以一定的角度从三个方向同时汇聚至送丝轴线上一点，激光聚焦热量熔化基板与丝材形成熔池，激光头在执行机构的带动下在基板表面逐层扫描即可制造出所需的零部件。

其中，激光器输出的激光经过光纤传输，光纤末端采用D80形式的光纤接口与激光头光纤接口模块连接，激光输入激光头后经过准直模块与聚焦模块，在经过反射模块反射后最终可与竖直轴向成一定角度射出并聚焦。光学模块内的光学镜片表面镀有增透膜，激光透过率可以达到99%以上，激光模块可承受激光功率达到1000W;中心送丝模块中心具有一个供丝通道，丝材经过供丝通道准确的送出，送丝嘴周围具有同轴保护体喷嘴，可均匀高速地喷出氩气等惰性保护气体，以防止加工过程中在高温下金属发生氧化;主体水冷模块做为激光整形聚焦模块与中心送丝模块的安装主体，为激光整形聚焦模块与中心送丝模块提供定位与冷却，以保证激光加工头长期稳定的运行。

2.3 激光3D打印软件

激光3D打印软件的主要功能包括模型处理，模型切片分层，加工路径规划和数控代码转换等功能模块。

2.3.1 解析STL文件

三维建模软件建立三维模型，输出STL文件，切片软件读取STL文件后解析STL数据信息。

2.3.2 数据处理

STL数据本身是对模型的近似逼近，数据会有缺陷，需要对数据进行修复。平滑轮廓去掉尖点、填充凹陷;连接轮廓的边缘线使其形成封闭轮廓;确定区分内外轮廓线。

2.3.3 切片分层

切片分层是将STL数据以一定的厚度分成一层一层的数据，是分层制造的基础。此分层是以Z向为切割标准，通过Z向的阶梯增长直接分割出所需的打印层数据，实现快速分层。

2.3.4 路径规划

路径是与成型工艺密切相关，合理的路径既可以提高打印效率又可以提高打印质量。规划路径时可以根据打印工艺，调整路径的间距，修改搭接率等，实现了方向平行填充、轮廓平行填充及分块、分段填充等多種填充路径，解决了不同类型零部件的路径规划问题。

2.3.5 动态显示运动轨迹

完成切片与路径规划后，可在上位机界面动态显示轨迹运行，模拟实际打印过程以及验证路径是否完整正确。

2.3.6 数控代码转换

控制代码转换软件可以将要打印的模型路径转换成数控系统所需的数控代码，在控制代码转换软件中可以设置激光器的功率，激光的开关，修改路径以及数控系统的相关参数。输出828D数控系统接受的.MPF格式G代码。

通过开发切片软件，实现对模型的快速分层，根据打印工艺规划打印路径，具有很强的灵活性，通过机器控制语言软件实现了打印模型与数控系统的结合。切片软件与机器控制语言软件形成了一套完整的应用于数控系统的3D打印软件。同时，结合CNC编程可完成增减材加工无缝对接。此套软件可以输出任意指定格式的文件，也可以定义特殊格式的文件，既有通用性，又可以建立自己的特殊格式，拥有保密性。

3  激光3D打印设备工作流程

（1）数据处理：模型分析，分层切片，路径规划，生成代码;（2）基板装夹，找正调平;（3）激光参数设置：三路激光功率设定，光路聚焦调整，光斑大小调节;（4）送丝装置参数设置;（5）保护气体（纯氩气）准备;（6）减材CNC程序编写导入;（7）开始打印;（8）成型后按零件精度要求进行CNC减材加工。

参考文献

[1] 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.

[2] 高健，刘立彬.航空钛合金零件激光选区熔化3D打印技术应用的关键基础研究[J].航空制造技术，2018（23）：87.

[3] 杨永强，刘洋.金属零件3D打印技术现状及研究进展[J].机电工程技术，2013（42）.

[4] 闫春泽.粉末激光烧结增材制造技术[J].华中科技大学学报，2013（6）：5-10.

[5] 田宗军，顾冬冬.激光增材制造技术在航空航天领域的应用与发展[J].航空制造技术，2015（11）：38.