先進(jìn)加工技術(shù)

工程訓(xùn)練報告先進(jìn)加工技術(shù)一一3D打印學(xué)院：機(jī)械與汽車工程學(xué)院班級：機(jī)械13--4姓名：姜暉學(xué)號：201301011215先進(jìn)加工技術(shù) 3D打印眾所周知，傳統(tǒng)的打印技術(shù)及其所配套的打印設(shè)備只能進(jìn)行簡單或者稍微復(fù)雜的二維平面打印。然而，隨著時代的發(fā)展，特別是對于加工效率，加工精度的要求日益增長的情況下，傳統(tǒng)的二維打印越來越力不從心，在一次次高科技革命的推動下，3D打印應(yīng)運(yùn)而生。3D打印，也稱為3D立體打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。原理方面與傳統(tǒng)的二維打印機(jī)相同，打印盒內(nèi)裝有粉末等打印材料與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實物的一種快速成型技術(shù)。相對于傳統(tǒng)打印機(jī)，3D打印機(jī)所用原理基本相同，但是所用的原料并不相同，傳統(tǒng)打印機(jī)所用的材料是墨粉和各種紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，當(dāng)打印機(jī)與電腦連接后，在電腦進(jìn)行控制下，按照設(shè)計人員設(shè)定的三維立體模型，將原材料一層一層疊加起來，將計算機(jī)的立體模型變?yōu)橐粋€實實在在的立體產(chǎn)品。3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。介紹了3D打印技術(shù)，就不得不介紹3D打印的工作過程.3D打印最重要的一個過程就是設(shè)計過程，3D打印的設(shè)計過程是：先通過計算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。其次便是相切面包一樣，對模型進(jìn)行切片處理：打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術(shù)的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex系列還有三維Systems'ProJet系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿足設(shè)計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。完成以上步驟后，便只剩下完成打印了：三維打印機(jī)的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術(shù)可以同時使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物?，F(xiàn)行的3D打印有多種成型方法，每項各有利弊：電子束是3D金屬打印成型最快方法電子束快速成型技術(shù)目前還有一些技術(shù)難點尚待進(jìn)一步研究，比如成型過程中廢熱高，金屬構(gòu)件中金相結(jié)構(gòu)控制較為困難，特別是成型時間長，先凝固的部分經(jīng)受的高溫時間長，對金屬晶態(tài)成長控制困難，進(jìn)而引起大尺度構(gòu)件應(yīng)力復(fù)雜等等。電子束成型對復(fù)雜腔體，扭轉(zhuǎn)體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點陣精度在毫米級，所以成型以后仍然需要傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工，也需要傳統(tǒng)的熱處理，甚至鍛造等等。但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達(dá)15KG/小時，設(shè)備工業(yè)化成熟度高，基本可由貨架產(chǎn)品組合，生產(chǎn)線構(gòu)建成本低，具有很強(qiáng)的工業(yè)普及基礎(chǔ)，同時，電子束快速成型設(shè)備同時還能具有一定的焊接能力和金屬構(gòu)件表面修復(fù)能力，應(yīng)用前景廣泛。在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，目前美國和中國在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術(shù)方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統(tǒng)的單晶渦輪葉片生產(chǎn)困難和生產(chǎn)成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發(fā)動機(jī)的性能，并對發(fā)動機(jī)研制改進(jìn)等提供了極大的助力。由于電子束成形精度受到電子束聚焦和掃描控制能力的限制，激光作為更高精度的能量介質(zhì)引起高度重視，激光成形技術(shù)幾乎是和電子束成形技術(shù)同步起步發(fā)展，但是，由于穩(wěn)定的10KW以上級的大功率激光器到2008年才開始逐步工業(yè)化，所以激光成形技術(shù)在最近才出現(xiàn)噴涌的盛況。激光數(shù)字成型技術(shù)主要有兩個類別，一是激光近凈成形制造(LENS)、金屬直接沉積(DMD)，這個類別的技術(shù)和電子束快速成型類似，也是利用控制掃描區(qū)域形成控制的熔融區(qū)，用金屬絲或金屬粉同步掃描點添加，金屬熔融沉積，這項技術(shù)算電子束快速成型的高精度的進(jìn)化成果，激光的掃描點陣精度可以比電子束高一個數(shù)量級，可以得到更高精度的零件，從而進(jìn)一步減少材料的耗量和機(jī)械加工的需求，同時它還能保留電子束快速成型的打印速度快的優(yōu)勢。這類區(qū)域熔融的技術(shù)需要大尺度的腔體提供零件加工所需的真空環(huán)境，這限制了加工零件的尺寸，激光熔融區(qū)的大小和功率直接相關(guān)，越大形的構(gòu)件加工能力要求越高，由于電子束對金屬的熱效應(yīng)深度比較大，而激光熱效應(yīng)深度較小，激光成形時胚體受熱和散熱狀況要好于電子束，因此它能形成很薄的熔化區(qū)和更細(xì)密均勻的沉積構(gòu)造，凝固過程中的金相結(jié)構(gòu)更容易控制，熱應(yīng)力復(fù)雜度要低很多，可以制造更精確的形狀和更復(fù)雜零件，也能制造較薄壁的零件類型。美DRAPA，洛克希德先進(jìn)制造技術(shù)中心，和飛利浦、賓州大學(xué)等于2013年演示的先進(jìn)制造DM概念，就是基于這類技術(shù)基礎(chǔ)。激光3D打印幾乎可直接加工出工業(yè)零件目前主流的激光打印機(jī)是利用硒鼓靜電吸附墨粉，激光掃描熔融墨粉形成圖像的，這種打印方式精度可達(dá)300PPI，利用激光打印和粉末冶金技術(shù)結(jié)合，新一代的最有希望的最精密成型的技術(shù)是以直接金屬激光燒結(jié)(Directmetallasersintering，DMLS)和選區(qū)激光(selectivelasersintering，SLS)為代表的激光精密數(shù)字成形。這兩者都是在基底鋪設(shè)金屬粉末，由激光掃瞄燒結(jié)，所不同的是，直接燒結(jié)是邊鋪粉邊燒，而選區(qū)燒結(jié)是先鋪整層粉末，然后激光掃描燒結(jié)，這種燒結(jié)每次沉積厚度約20-100微米，通過反復(fù)多次的沉積最終獲得三維立體的零件。激光精密成形的優(yōu)點是精度高，成形點陣可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能夠處理空腔，薄壁等復(fù)雜空間扭轉(zhuǎn)體，和相互交叉穿透的復(fù)雜空腔和管路，幾乎可以加工出直接應(yīng)用的工業(yè)零件。激光3D打印零件強(qiáng)度略小于鍛造機(jī)加件高精度激光燒結(jié)對激光的功率要求中等，燒結(jié)點溫度雖然高，但是點陣小，每點陣金屬熔融凝固量很少，全過程熱釋放低，材料胚體溫度接近常溫區(qū)，較少形成復(fù)雜的熱應(yīng)力情況，金屬凝固形成的金相較為均勻細(xì)密，大多為細(xì)小的晶格態(tài)，類似于經(jīng)過鍛造的金屬構(gòu)件，獲得金屬零件強(qiáng)度略小于鍛造機(jī)加件。美國德州大學(xué)奧斯汀分院最早于1986年提出SLS的專利，由DTM公司提供商用設(shè)備，美國麻省理工1988年提出DMLS的概念和專利，但目前商用化設(shè)備主要的供應(yīng)商都來源于歐洲，德國EOS略占優(yōu)勢，MTT公司和ConceptLaser公司也具有很強(qiáng)的競爭力。中國于1998年以后開始開展SLS方面的研究，2000年以后，隨著商品化光纖激光器的成熟，國內(nèi)在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和單位提出SLS技術(shù)應(yīng)用化的專利，在航空領(lǐng)域因材料強(qiáng)度方面的問題，早期的應(yīng)用主要在快速建立冶金應(yīng)用模具方面。作為一種主流的高新技術(shù)，3D打印有著非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：軍工，航天,醫(yī)學(xué)，甚至于建筑行業(yè)，均存在著3D打印技術(shù)的影子.3D打印技術(shù)目前在全球也是前沿技術(shù)和前沿應(yīng)用，最尖端的航空工業(yè)對這種技術(shù)最為關(guān)注也最嚴(yán)謹(jǐn)，美國90年代中期就獲得這類技術(shù)的工業(yè)嘗試，但是他們一直稱為近凈成型加工技術(shù)，F(xiàn)—22,F—35都有應(yīng)用，不過因為一些加工工藝等原因，美國也沒有能大規(guī)模應(yīng)用，但美國將這一技術(shù)一直作為先進(jìn)制造技術(shù)而由美國國防高級研究計劃局(DRAPA)牽頭，組織美國30多家企業(yè)對這一技術(shù)長期研究。美國如此重視，我國自然也不甘落后。最近幾年，中國航空工業(yè)捷報頻傳，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)殲-20,殲-31，艦載機(jī)殲-15，運(yùn)輸機(jī)運(yùn)-20一大批高新機(jī)不斷誕生，接踵而出，最為引人關(guān)注的是，在2013年全球3D打印熱潮中，以北航和西工大兩個科研主體帶動，沈飛、成飛、西飛等數(shù)家航空制造企業(yè)為主體，成為全球第二個能夠在實際應(yīng)用中利用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)零件的國家。與其他的高新技術(shù)一樣，3D打印技術(shù)也有著自身的缺點和不足之處。3D打印零件強(qiáng)度還難以作為飛機(jī)受力構(gòu)件3D打印概念的出現(xiàn)是一種制造工業(yè)領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，目前的諸多成形手段和方法都有各自的具體優(yōu)點和缺陷，在航空領(lǐng)域，選擇燒結(jié)SLS技術(shù)看起來潛力最大，應(yīng)用前景最廣泛，它的材料適應(yīng)范圍最廣，從鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、高溫合金到陶瓷都能處理，但是它屬于微觀粉末冶金的范疇，快速成形中，粉末冶金技術(shù)中因熔融——凝固過程過快，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末，胚體缺陷還有可能包括激光掃描線方向形成的熔融——凝固不均勻金相微觀線狀晶格排列，這些都會嚴(yán)重影響了成形件的強(qiáng)度。目前激光選區(qū)成形的構(gòu)件大多都只能達(dá)到同牌號金屬鑄造的強(qiáng)度水平，雖然這已經(jīng)能讓構(gòu)件進(jìn)入正常的應(yīng)用領(lǐng)域，但顯然要承擔(dān)象飛機(jī)這樣的主要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件還是有很大限制的。3D金屬打印零件表面還需進(jìn)一步機(jī)械加工直接金屬激光燒結(jié)DMLS技術(shù)因為直接用激光熔融金屬絲沉積，金屬本身是致密體重熔，不易產(chǎn)生粉末冶金那樣的成形時的空穴，這個技術(shù)生產(chǎn)的構(gòu)件致密度可達(dá)99%以上，接近鍛造的材料胚體，目前國際國內(nèi)都主要利用這種技術(shù)制造高受力構(gòu)件，它能達(dá)到同牌號金屬最高強(qiáng)度的90?95%左右的水平，接近一般鍛造構(gòu)件。目前的金屬3D打印構(gòu)件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必須經(jīng)過表面的機(jī)械加工，去除表面多余的，不連續(xù)的，不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件，因此，盡管3D打印可以獲得復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和一些復(fù)雜的管路和腔體，但是這些管路和腔體的機(jī)械加工很有可能無法進(jìn)行，其零件的重量效率，管路流動效率等方面不一定能夠滿足實際需求，因此，盡管3D打印可能能一步直接完成很多復(fù)雜零件的成形，但其還不具備直接取代傳統(tǒng)機(jī)械加工的能力。3D打印對飛機(jī)大型構(gòu)件制造還存在問題直接成形的金屬零件在生產(chǎn)過程中因為反復(fù)經(jīng)受局部接近熔點溫度受熱，內(nèi)部熱應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在成形某些大型細(xì)長體，薄壁體金屬構(gòu)件時，應(yīng)力處理和控制還不能滿足要求，實際上到目前為止一直影響3D打印在航空業(yè)的應(yīng)用也正是因為這個原因。美國從1992年開始就不斷利用這類技術(shù)希望能夠直接生產(chǎn)飛機(jī)用的大型框架，粱絎，整體壁板等，正是因為應(yīng)力復(fù)雜，大型構(gòu)件成形過程中或成形后會產(chǎn)生嚴(yán)重變形，嚴(yán)重到無法使用。所以3D打印技術(shù)盡管很早就出現(xiàn)了，但國外航空工業(yè)界還持有相當(dāng)?shù)谋Ｊ貞B(tài)度也是有原因的。激光3D打印工業(yè)化面臨精細(xì)度難題目前激光成形技術(shù)面臨工業(yè)化的兩個方向相互間有矛盾，一是打印精細(xì)度，目前的打印精細(xì)度SLS最高，基本在1?0.1毫米左右，而其他技術(shù)加工生成的零件表面精度則在0.8?5毫米之間，目前市場銷售的2D激光打印機(jī)點陣精度在1200DPI左右即0.02毫米，這個精度可以獲得近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒徑粗細(xì)和激光熔融金屬液態(tài)滴狀表面張力影響，要把精度提高到0.1毫米以下還有很大困難，不過鋪粉預(yù)處理、激光超快速融化——凝固等技術(shù)的出現(xiàn)會為提高激光成形的精度有很大幫助。激