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霍尔榜消息，近期，季华实验室高超峰就“金属增材制造助力航天及民用关键构件制备”话题，深度解析了“涡轮发动机、冬奥会冰刀”及其它增材制造典型案例。高博士申请发明过7项专利，目前还是广东自然科学基金面上项目的主持人。小编整理了当日高博士的分享笔记，以供大家交流学习与探讨。

增材制造技术在过去的十几年来有了一个大幅度的发展，国内不论是从学术界还是企业界，这几年它的成果是逐步喷涌的状态。参照国外，我们从最初的模仿者、跟随者到现在逐步变成并驾齐驱，甚至在某些细分领域，我们已经做到了一个在引领的状态。以前我们都是摸着石头过河，现在展望前路，已经看不到石头，这个时候更多地需要考验我们每一个从业者，怎么样去把这条路给蹚出来。也就是说，设备要怎么做，工艺和材料要怎么进一步的开发和优化。在技术达到相对成熟的状态时，如何把增材技术大规模地推向应用、推向市场，这可能是每一位从业人员都在思考的问题。

我们团队在航空发动机以及一些重大的燃气轮机，它的涡轮发动机等这些关键、典型的零部件上面，我们是做了一些产品的验证。比如说，航空发动机的轴承座，它是一种精密级的轴承座，它的加工，结构复杂加工制造难度非常高。我们利用增材制造进行设计，规避了在传统机加工过程中，刀具发生干涉振动的一个情况，可以实现传统加工方式难以达到的薄壁、尖角，悬垂等一些极限的成形工艺，通过我们数字模拟分析，以及对它成形角度，支撑策略进行优化，我们可以极大提高工艺开发周期和降低成本。

我们在轴承座悬垂的地方，利用DfAM增材制造设计理念进行了一个既是加强，又是自身支撑的结构，这样可以减少支撑的添加，为后期减少了很多工作量，这是我们增材思维体现的理念。

涡轮发动机常用作飞机，以及大型传舶发动机等的中央部件，我们用传统方式加工，它的材料利用率低、周期长。我们采用增材制造技术进行制备，可以减少组装，性能优越，材料利用率高，且能够大幅缩短研发周期。此外，我们还打印了航空发动机燃烧室火焰筒（镍基合金），它使用工况复杂，高温、高压、高腐蚀环境下进行工作，包括数百个不同尺寸、结构复杂的气孔，包括一次空气射流孔、二次空气掺混射流孔和冷却空气射流孔等，传统加工难以做到。我们采用SLM增材制造技术也是可以一体成形，优化了工艺流程，缩短了制造周期，消除了因焊接造成的结构缺陷，提高了结构完整性、尺寸精度和成品率。同时在满足相同强度要求的前提下，减轻了构件重量，提高了燃油燃烧效率。

航空发动机进气机匣（Al-Si合金）。长宽高都接近500mm的大型复杂构件，它内部有大量的孔洞薄壁和复杂的内流道，我们采用了3D打印技术也是可以一体成形，大大缩短了研发周期，满足了型号的要求和设计周期的要求。通过优化不同摆放的角度和支撑设计，我们规避了不同壁厚的开裂风险，最终也是可以成功地打印出来。

案例分享【航空滑燃油热交换器1】，它是航空发动机中重要的组成部分，它的主要作用是在润滑油和燃油之间进行一个热能的传递。发动机燃烧室燃烧过程中会产生大量的热量，不同机械的传动部件的运动过程中也会产生一些热能，润滑油在通过流动的过程中，是把燃烧室以及机械传动的热能给带到换热器里面。通过换热器把热量传递给燃油，一方面是防止燃油产生结晶，另一方面能够提高燃油的温度，使它尽量接近于燃点，以便于我们高效利用热转换的效率。

传统方式加工换热器，因它是管壳式的，需要对成千上百个圆管进行焊接装配，工艺非常繁琐且缺陷率高。传统方法为了提高换热效率，将平直流道改成弯曲流道，虽然提高了换热，但也增加了流动的阻力，导致进出口压降损失非常大，不利于换热器正常的工作。此外，焊接处也是薄弱区域，容易开裂失效。所以，我们急需引入一些新的技术来对换热器进行制备。

我们团队把增材制造、仿真优化、结构设计的理念都引入进来。我们做了一个完整的数字分析，就是对原始模型进行分析，包括对于原模入口处和出口处压力的变化、速度的变化、温度的变化做了仿真优化。在优化得到数据的基础上，我们进行了自己方案的优化设计，通过调节边界条件、网格等来验证仿真结果是否可靠。在可靠的前提下，我们进一步通过优化仿真得到换热系数以及压力损失的值。得出这个值之后，看它是否满足进出口温度和压力的数据，能够达到我们的设计要求。在成功满足所有条件之后，我们进行一些典型特征的打印，直到最后成品件打印。

在对原方案进行仿真优化的过程中，我们发现，原设计虽然增加了微管数量，并没有提高它本身的换热系数，而且压力损失比较大。针对这个特点，我们做了自己的方案，从外观尺寸上来看，我们是把原来不规则的形状变成了流线型的形状，此外，我们把直线管道变成了椭圆管道，椭圆管道更符合内部流场流线分布。采用增材制造思维进行参数化设计，换热管的尺寸与分布都随滑油侧的流动截面的变化而变化，更符合流体动力学。通过仿真得到数据，压力损失比原方案大幅减少,出口侧温度满足我们的要求。

案例分享【航空滑燃油热交换器2】.我们采用等截面外观设计，换热器外观模型近似长方形体形状，可以减少截面变化带来的回流。此外，我们将里面的换热胞元改成蜂窝状胞元，蜂窝状胞元具有纵向支路和横向支路，可以增加换热面积，这样的设计能够提高换热器整体的结构强度。经过仿真优化得到数据后发现，这种设计方案它的压力损失是满足要求的，流速增大，而且换热系数大幅提高。

所以，我们这两种方案，分别从压力损失、换热系数两个角度去进行主要优化，得到两种不同设计模型，方案定下来之后，我们进行特征件的成形，最后打印局部的一个模型，是为了看内部打印的完整性。在得到验证后我们进行了整体换热器的成形，因换热器内部有复杂的孔洞，我们在设计时也做了排粉通道，经过粉末清除及CT测试，我们最终是成功地打印出了两种不同的换热器模型。

案例分享【冬奥会冰刀2】，今年年初冬奥会成功举办，以武大靖为代表的短道速滑队取得了非常良好的成绩，其实在这个背后3D打印技术也是参与到了其中。当时是我们合作方接的一个项目，短道速滑队希望将3D打印技术引入到运动员所用的冰刀上面。它为什么要引用这种技术呢？是因为传统冰刀采用传统工艺批量化制造之后，冰刀需要人工去调整刀头托和刀管的连接，还要调整刀管的弯度，给予一定的变形量，这样才有利于它在滑行过程中，尤其是在过一些弯的时候能够更加流畅，但是这个就会非常考验工程师的手法和感觉，有些局限性。那如果我们采用3D打印技术直接打印，一方面能够减重，另一方面还能够保证弯度和刚度。因此，我们和合作方一起去探讨，从人体运动学角度优化冰刀设计，保证3D打印冰刀的刚度，提高冰刀稳定性，能保证稳定性和刚度的同时还能减重≥10%。

我们团队针对原始模型进行了优化，通过一些仿真把有些不需要那么厚的地方给减薄，有些需要应力集中的点进行加固，对它的受力分析做了大量的研究，对它的弯度分析也做了很多研究，通过静力学分析、动力学分析以及一些拓扑优化分析，最终得到了我们需要的数据和结果。就是根据运动员的一个载荷，把他运动的状态进行一个受力分析，原始状态它的原载荷位移、原载荷应力、最大位移和最大应力都是比较大的，我们季华实验室通过了六版方案的一个迭代，使原载荷位移、原载荷应力、最大位移和最大应力相比于原始方案有了大幅度的降低，最终我们是成功将这个方案进行了交付。

案例分享【锥形流道3】。一合作方找到我们，他们有一台设备是专用锥形流道。设备内部是一个空腔，合作方要求内部一定要保持尽量光滑，外部结构无所谓，只要流道正常是通的就行。我们当时拿到这个东西评估发现，如果进行一体打印，内部空间需要加支撑，所以它没法一体打印。因合作方对外观质量没有太多的要求，我们对它进行了一个竖直的摆放，加了大量的支撑，最终是成功地给他们打印了三种不同锥形流道的构件。

对于某些机构或单位来说，有些定制化的东西没有大批量的应用，用传统加工方式去做可能也不好做。但是3D打印技术特点就非常明显了，我们可以定制化，可以少量化，只要有图纸，有模型给我就能想办法给打出来。不需要什么模具，也不需要去焊接怎么地。这个需要稍微焊接一点就能够极大地减轻加工的工序，这是3D打印相比传统技术有优势的一点。

案例分享【感应淬火线圈4】。大家比较熟悉，传统的感应淬火线圈是挤压之后把它挤压成管状，然后再进行点焊把缝焊上。因铜管里面是要通冷却水的，这样点焊那个位置就会成为薄弱区，时间长了，可能3-4个月就会漏水失效。我们采用增材思维进行设计复杂异形的结构线圈，它可以是一体成形，内部流道不需要加支撑，也就简单地把外面的支撑去掉，形状也可以任意的进行设计。通过3D打印技术进行一体化成形，最终我们是成功的把这款产品，做到在设备上使用起来。根据合作方反馈结果，3D打印的线圈寿命要比传统方法加工的线圈提高3-4倍，这是一个比较大的突破。虽说3D打印成本有点高，通过提高线圈使用寿命，也是间接降低了成本。因为使用周期长了，寿命长了，成本自然也会降下来。

在设备达到稳定的情况下，想做出一款比较好的产品，我们需要对工艺和材料有比较深度的理解，这是我们开发产品有利的保障。具体在某台设备上，我们需要了解这台设备它成形的能力。比如说，极限的成形尺寸、薄壁、尺寸精度、光斑大小。它的成形孔、柱这些特征件极限的成形能力，成形表面粗糙度的能力，不同材料表面粗糙度的能力，这些都需要我们进行了大量的研究和理解。

针对于铝合金典型构件，它的表面质量比较难以控制。因为它熔池比较大，而且凝固时间也比较大，可能在凝固过程中更容易挂粉和沾粉一些。此外，我们增材制造技术本身，尤其是成形倾斜表面，它还具有一些特殊的独有的一些加工问题，比如说台阶效应。此外，我们倾斜的上表面和下表面分别有不同的热历史，可能上表面稍微容易控制一些，但是下表面因是沿着松散的粉末去散热的，散热困难，所以下表面粗糙度就更难以控制。通过对构件的的上下表面参数以及轮廓参数进行优化之后，我们是可以实现铝合金倾斜上表面粗糙度达到2左右，下表面粗糙度达到4-4.5点左右。

虽然说，我们这个铝合金表面粗糙度做得很亮很光，但其对应的工艺，可能并不一定完全适合我们来成形各种各样的构件。这就说明了一个问题，我们不可能说拿一套工艺参数来吃遍天下。有时候我们调参数会发现，工艺参数有时候是相矛盾的。比如说我们表面打得很亮，有可能尺寸精度就控制不好。如果尺寸精度控制好了，可能我们就没办法把有些极限的特征打出来，有时候这是一种矛盾的状态。就比如说，我们可能为了调表面粗糙度，就是把轮廓的能量密度调的很高，可能对应的成形构件的时候，它的成形能力就不太好。所以，做工艺调试的时候，一定要针对不同的特征有不同的一套工艺参数包。

我们都知道设备的振镜，激光器一般是装在设备的顶部，激光束从振镜照射到基板平台上，平台不同的位置，它的光斑大小和尺寸是不一样的，也就是说我们中心和边缘其实有所区别的。就比如说，我们从中心到边缘，可能它的光斑尺寸是由圆的到椭圆的变化，它会导致在成形过程中对应材料所融化之后，熔池可能是由深变浅，由圆变窄的状态。说明在不同位置，不同对应的成形质量可能有所区别。因为它能量密度也发生了变化，导致它致密度，表面质量都会有所变化。这也给了我们一个提示，针对不同位置，我们稍微去定制化，去优化它的一个成形参数，来保证我们更精确地控制它成形的一致性。或者说给我们设备人员一个提示，我们能不能想办法通过设备的一些组件的加入，使我们这个激光束能够在任何位置都达到一个垂直的状态，这样是可以保证光斑均匀的一致性。

在稳定设备，工艺摸索完之后，我们还要把精力放在材料上面。因为工艺总有局限性，我们不可能把铝合金优化出来钛合金的强度，这是材料的固有属性。因此，我们要对材料本身的机理进行深入的研究。目前我们所用的材料主要还是从传统行业引入过来的，现在很少有专为增材制造而设计的材料。当然，现在国内很多研究人员，研究机构都在做这方面大量的工作。我们季华实验室也在做这方面的工作，通过我们专业的研究人员逐步地深入研究领域，希望能够开发出专为增材制造而设计的材料，这也是我们的目的。

来源：霍尔榜

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