季華增材團隊金屬3D打印助力航空關鍵零部件的輕量化制造

近日，季華實驗室增材制造團隊通過SLM金屬3D打印技術成功制造出適用于航空發(fā)動機的高性能輕量化軸承座。團隊針對軸承座的特征和性能要求，經過多次仿真迭代，及部分特征件的打印測試，在改進了包括支撐在內的多項工藝參數后，達到成型要求，幾何特征與提供的CAD模型保持一致。

▲軸承座結構

航空級精密軸承座結構復雜、制造難度大，是航空發(fā)動機的重要承力部件。一般來講軸承座上有供油、回油、通風孔及密封環(huán)等結構，這種結構在傳統的銑加工和鉆孔制造過程中，刀具易發(fā)生干涉、振動等狀況，而增材制造設計可以有效的解決傳統制造的痛點。季華實驗室增材制造團隊在新型軸承座建模之初就已經考慮到了增材制造的技術特點，采用自底向上的制造方式，減少了打印方向上的懸垂結構，同時盡量精簡材料，降低材料成本，保持結構輕量化。部分不可避免的懸垂部位需要搭配其下方添加的支撐結構才可順利成形。良好的支撐結構需滿足一系列條件：既能保證零件的成功打印，又能在打印完成后輕易地去除，同時又不會占用太多的打印時間。

▲支撐添加方案

▲熱力學耦合仿真

相較于使用傳統試錯法來對工藝進行改進，通過計算機仿真對金屬 SLM 過程進行數值模擬，可快速有效地對金屬SLM過程中溫度和熱應力分布及變化進行表征，根據數值模擬分析結果對成形角度、支撐策略及工藝進行有效調整，極大地縮短了金屬SLM過程的工藝開發(fā)周期，并有效降低開發(fā)成本。季華實驗室增材制造團隊通過多次仿真迭代與部分特征件的打印測試，改進了包括支撐在內的多項工藝參數，成功打印目標軸承座。

▲新型航空軸承座

高性能的軸承座一直是航空發(fā)動機穩(wěn)定運轉的關鍵零部件之一，多年來其加工難度和輕量化的問題始終是航空領域的瓶頸。通過仿真優(yōu)化及金屬3D打印技術的完美融合，可以實現傳統加工方式無法達到的薄壁、尖角、懸垂、圓柱等極限結構的成形工藝。全面提升零部件的結構復雜性和功能集成性，更大發(fā)揮產品設計的空間，同時減少了零部件的數量，極大地縮短了從設計到成品的研發(fā)周期，對航空發(fā)動機的研發(fā)具有重要意義。增材制造技術作為季華實驗室的重點研發(fā)方向之一，隨著數字化時代的到來，必將更為普及和成熟，也將引領未來制造業(yè)的快速發(fā)展，助力中國智能制造工業(yè)4.0！

作者：張士亨 畢云杰 王強 邵乙迪 高超峰 饒衡