霍爾榜消息，近期，季華實驗室高超峰就“金屬增材制造助力航天及民用關鍵構件制備”話題，深度解析了“渦輪發動機、冬奧會冰刀”及其它增材制造典型案例。高博士申請發明過7項專利，目前還是廣東自然科學基金面上項目的主持人。小編整理了當日高博士的分享筆記，以供大家交流學習與探討。

增材制造技術在過去的十幾年來有了一個大幅度的發展，國內不論是從學術界還是企業界，這幾年它的成果是逐步噴涌的狀態。參照國外，我們從最初的模仿者、跟隨者到現在逐步變成并駕齊驅，甚至在某些細分領域，我們已經做到了一個在引領的狀態。以前我們都是摸著石頭過河，現在展望前路，已經看不到石頭，這個時候更多地需要考驗我們每一個從業者，怎么樣去把這條路給蹚出來。也就是說，設備要怎么做，工藝和材料要怎么進一步的開發和優化。在技術達到相對成熟的狀態時，如何把增材技術大規模地推向應用、推向市場，這可能是每一位從業人員都在思考的問題。

我們團隊在航空發動機以及一些重大的燃氣輪機，它的渦輪發動機等這些關鍵、典型的零部件上面，我們是做了一些產品的驗證。比如說，航空發動機的軸承座，它是一種精密級的軸承座，它的加工，結構復雜加工制造難度非常高。我們利用增材制造進行設計，規避了在傳統機加工過程中，刀具發生干涉振動的一個情況，可以實現傳統加工方式難以達到的薄壁、尖角，懸垂等一些極限的成形工藝，通過我們數字模擬分析，以及對它成形角度，支撐策略進行優化，我們可以極大提高工藝開發周期和降低成本。

我們在軸承座懸垂的地方，利用DfAM增材制造設計理念進行了一個既是加強，又是自身支撐的結構，這樣可以減少支撐的添加，為后期減少了很多工作量，這是我們增材思維體現的理念。

渦輪發動機常用作飛機，以及大型傳舶發動機等的中央部件，我們用傳統方式加工，它的材料利用率低、周期長。我們采用增材制造技術進行制備，可以減少組裝，性能優越，材料利用率高，且能夠大幅縮短研發周期。此外，我們還打印了航空發動機燃燒室火焰筒（鎳基合金），它使用工況復雜，高溫、高壓、高腐蝕環境下進行工作，包括數百個不同尺寸、結構復雜的氣孔，包括一次空氣射流孔、二次空氣摻混射流孔和冷卻空氣射流孔等，傳統加工難以做到。我們采用SLM增材制造技術也是可以一體成形，優化了工藝流程，縮短了制造周期，消除了因焊接造成的結構缺陷，提高了結構完整性、尺寸精度和成品率。同時在滿足相同強度要求的前提下，減輕了構件重量，提高了燃油燃燒效率。

航空發動機進氣機匣（Al-Si合金）。長寬高都接近500mm的大型復雜構件，它內部有大量的孔洞薄壁和復雜的內流道，我們采用了3D打印技術也是可以一體成形，大大縮短了研發周期，滿足了型號的要求和設計周期的要求。通過優化不同擺放的角度和支撐設計，我們規避了不同壁厚的開裂風險，最終也是可以成功地打印出來。

案例分享【航空滑燃油熱交換器1】，它是航空發動機中重要的組成部分，它的主要作用是在潤滑油和燃油之間進行一個熱能的傳遞。發動機燃燒室燃燒過程中會產生大量的熱量，不同機械的傳動部件的運動過程中也會產生一些熱能，潤滑油在通過流動的過程中，是把燃燒室以及機械傳動的熱能給帶到換熱器里面。通過換熱器把熱量傳遞給燃油，一方面是防止燃油產生結晶，另一方面能夠提高燃油的溫度，使它盡量接近于燃點，以便于我們高效利用熱轉換的效率。

傳統方式加工換熱器，因它是管殼式的，需要對成千上百個圓管進行焊接裝配，工藝非常繁瑣且缺陷率高。傳統方法為了提高換熱效率，將平直流道改成彎曲流道，雖然提高了換熱，但也增加了流動的阻力，導致進出口壓降損失非常大，不利于換熱器正常的工作。此外，焊接處也是薄弱區域，容易開裂失效。所以，我們急需引入一些新的技術來對換熱器進行制備。

我們團隊把增材制造、仿真優化、結構設計的理念都引入進來。我們做了一個完整的數字分析，就是對原始模型進行分析，包括對于原模入口處和出口處壓力的變化、速度的變化、溫度的變化做了仿真優化。在優化得到數據的基礎上，我們進行了自己方案的優化設計，通過調節邊界條件、網格等來驗證仿真結果是否可靠。在可靠的前提下，我們進一步通過優化仿真得到換熱系數以及壓力損失的值。得出這個值之后，看它是否滿足進出口溫度和壓力的數據，能夠達到我們的設計要求。在成功滿足所有條件之后，我們進行一些典型特征的打印，直到最后成品件打印。

在對原方案進行仿真優化的過程中，我們發現，原設計雖然增加了微管數量，并沒有提高它本身的換熱系數，而且壓力損失比較大。針對這個特點，我們做了自己的方案，從外觀尺寸上來看，我們是把原來不規則的形狀變成了流線型的形狀，此外，我們把直線管道變成了橢圓管道，橢圓管道更符合內部流場流線分布。采用增材制造思維進行參數化設計，換熱管的尺寸與分布都隨滑油側的流動截面的變化而變化，更符合流體動力學。通過仿真得到數據，壓力損失比原方案大幅減少,出口側溫度滿足我們的要求。

案例分享【航空滑燃油熱交換器2】.我們采用等截面外觀設計，換熱器外觀模型近似長方形體形狀，可以減少截面變化帶來的回流。此外，我們將里面的換熱胞元改成蜂窩狀胞元，蜂窩狀胞元具有縱向支路和橫向支路，可以增加換熱面積，這樣的設計能夠提高換熱器整體的結構強度。經過仿真優化得到數據后發現，這種設計方案它的壓力損失是滿足要求的，流速增大，而且換熱系數大幅提高。

所以，我們這兩種方案，分別從壓力損失、換熱系數兩個角度去進行主要優化，得到兩種不同設計模型，方案定下來之后，我們進行特征件的成形，最后打印局部的一個模型，是為了看內部打印的完整性。在得到驗證后我們進行了整體換熱器的成形，因換熱器內部有復雜的孔洞，我們在設計時也做了排粉通道，經過粉末清除及CT測試，我們最終是成功地打印出了兩種不同的換熱器模型。

案例分享【冬奧會冰刀2】，今年年初冬奧會成功舉辦，以武大靖為代表的短道速滑隊取得了非常良好的成績，其實在這個背后3D打印技術也是參與到了其中。當時是我們合作方接的一個項目，短道速滑隊希望將3D打印技術引入到運動員所用的冰刀上面。它為什么要引用這種技術呢？是因為傳統冰刀采用傳統工藝批量化制造之后，冰刀需要人工去調整刀頭托和刀管的連接，還要調整刀管的彎度，給予一定的變形量，這樣才有利于它在滑行過程中，尤其是在過一些彎的時候能夠更加流暢，但是這個就會非常考驗工程師的手法和感覺，有些局限性。那如果我們采用3D打印技術直接打印，一方面能夠減重，另一方面還能夠保證彎度和剛度。因此，我們和合作方一起去探討，從人體運動學角度優化冰刀設計，保證3D打印冰刀的剛度，提高冰刀穩定性，能保證穩定性和剛度的同時還能減重≥10%。

我們團隊針對原始模型進行了優化，通過一些仿真把有些不需要那么厚的地方給減薄，有些需要應力集中的點進行加固，對它的受力分析做了大量的研究，對它的彎度分析也做了很多研究，通過靜力學分析、動力學分析以及一些拓撲優化分析，最終得到了我們需要的數據和結果。就是根據運動員的一個載荷，把他運動的狀態進行一個受力分析，原始狀態它的原載荷位移、原載荷應力、最大位移和最大應力都是比較大的，我們季華實驗室通過了六版方案的一個迭代，使原載荷位移、原載荷應力、最大位移和最大應力相比于原始方案有了大幅度的降低，最終我們是成功將這個方案進行了交付。

案例分享【錐形流道3】。一合作方找到我們，他們有一臺設備是專用錐形流道。設備內部是一個空腔，合作方要求內部一定要保持盡量光滑，外部結構無所謂，只要流道正常是通的就行。我們當時拿到這個東西評估發現，如果進行一體打印，內部空間需要加支撐，所以它沒法一體打印。因合作方對外觀質量沒有太多的要求，我們對它進行了一個豎直的擺放，加了大量的支撐，最終是成功地給他們打印了三種不同錐形流道的構件。

對于某些機構或單位來說，有些定制化的東西沒有大批量的應用，用傳統加工方式去做可能也不好做。但是3D打印技術特點就非常明顯了，我們可以定制化，可以少量化，只要有圖紙，有模型給我就能想辦法給打出來。不需要什么模具，也不需要去焊接怎么地。這個需要稍微焊接一點就能夠極大地減輕加工的工序，這是3D打印相比傳統技術有優勢的一點。

案例分享【感應淬火線圈4】。大家比較熟悉，傳統的感應淬火線圈是擠壓之后把它擠壓成管狀，然后再進行點焊把縫焊上。因銅管里面是要通冷卻水的，這樣點焊那個位置就會成為薄弱區，時間長了，可能3-4個月就會漏水失效。我們采用增材思維進行設計復雜異形的結構線圈，它可以是一體成形，內部流道不需要加支撐，也就簡單地把外面的支撐去掉，形狀也可以任意的進行設計。通過3D打印技術進行一體化成形，最終我們是成功的把這款產品，做到在設備上使用起來。根據合作方反饋結果，3D打印的線圈壽命要比傳統方法加工的線圈提高3-4倍，這是一個比較大的突破。雖說3D打印成本有點高，通過提高線圈使用壽命，也是間接降低了成本。因為使用周期長了，壽命長了，成本自然也會降下來。

在設備達到穩定的情況下，想做出一款比較好的產品，我們需要對工藝和材料有比較深度的理解，這是我們開發產品有利的保障。具體在某臺設備上，我們需要了解這臺設備它成形的能力。比如說，極限的成形尺寸、薄壁、尺寸精度、光斑大小。它的成形孔、柱這些特征件極限的成形能力，成形表面粗糙度的能力，不同材料表面粗糙度的能力，這些都需要我們進行了大量的研究和理解。

針對于鋁合金典型構件，它的表面質量比較難以控制。因為它熔池比較大，而且凝固時間也比較大，可能在凝固過程中更容易掛粉和沾粉一些。此外，我們增材制造技術本身，尤其是成形傾斜表面，它還具有一些特殊的獨有的一些加工問題，比如說臺階效應。此外，我們傾斜的上表面和下表面分別有不同的熱歷史，可能上表面稍微容易控制一些，但是下表面因是沿著松散的粉末去散熱的，散熱困難，所以下表面粗糙度就更難以控制。通過對構件的的上下表面參數以及輪廓參數進行優化之后，我們是可以實現鋁合金傾斜上表面粗糙度達到2左右，下表面粗糙度達到4-4.5點左右。

雖然說，我們這個鋁合金表面粗糙度做得很亮很光，但其對應的工藝，可能并不一定完全適合我們來成形各種各樣的構件。這就說明了一個問題，我們不可能說拿一套工藝參數來吃遍天下。有時候我們調參數會發現，工藝參數有時候是相矛盾的。比如說我們表面打得很亮，有可能尺寸精度就控制不好。如果尺寸精度控制好了，可能我們就沒辦法把有些極限的特征打出來，有時候這是一種矛盾的狀態。就比如說，我們可能為了調表面粗糙度，就是把輪廓的能量密度調的很高，可能對應的成形構件的時候，它的成形能力就不太好。所以，做工藝調試的時候，一定要針對不同的特征有不同的一套工藝參數包。

我們都知道設備的振鏡，激光器一般是裝在設備的頂部，激光束從振鏡照射到基板平臺上，平臺不同的位置，它的光斑大小和尺寸是不一樣的，也就是說我們中心和邊緣其實有所區別的。就比如說，我們從中心到邊緣，可能它的光斑尺寸是由圓的到橢圓的變化，它會導致在成形過程中對應材料所融化之后，熔池可能是由深變淺，由圓變窄的狀態。說明在不同位置，不同對應的成形質量可能有所區別。因為它能量密度也發生了變化，導致它致密度，表面質量都會有所變化。這也給了我們一個提示，針對不同位置，我們稍微去定制化，去優化它的一個成形參數，來保證我們更精確地控制它成形的一致性。或者說給我們設備人員一個提示，我們能不能想辦法通過設備的一些組件的加入，使我們這個激光束能夠在任何位置都達到一個垂直的狀態，這樣是可以保證光斑均勻的一致性。

在穩定設備，工藝摸索完之后，我們還要把精力放在材料上面。因為工藝總有局限性，我們不可能把鋁合金優化出來鈦合金的強度，這是材料的固有屬性。因此，我們要對材料本身的機理進行深入的研究。目前我們所用的材料主要還是從傳統行業引入過來的，現在很少有專為增材制造而設計的材料。當然，現在國內很多研究人員，研究機構都在做這方面大量的工作。我們季華實驗室也在做這方面的工作，通過我們專業的研究人員逐步地深入研究領域，希望能夠開發出專為增材制造而設計的材料，這也是我們的目的。

來源：霍爾榜

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