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全面剖析电弧增材制造技术

2015-12-15 15:31
九一隐士
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  增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是基于离散-堆积原理,由零件三维数据驱动,采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法最大优势是无需传统的刀具即可成形、降低工序、缩短产品制造周期,尤其适于低成本小批量产品制造,而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品,其快速高效成形的优势越显着,在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域具有广阔应用前景。

  面对新型飞行器低成本、高可靠性的要求,其零部件逐渐向大型化、整体化发展。增材制造技术无需模具,可直接低成本一体化制造复杂构件,并有望基于增材制造技术在构型能力上的优势,进一步优化现飞行器零部件结构,提高结构效率,实现结构轻量化、高性能化。由于简化或省略了传统制造中的工艺准备、模具设计等环节,产品数字化设计、制造、分析高度一体化,能够显著缩短研发周期和研发成本。

  金属增材制造技术按热源类型可分为3类:激光、电子束和电弧。过去20年主要研究以激光、电子束为热源的粉基金属增材制造技术,通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件,现已应用于航空航天、国防军工、能源动力等高精尖技术领域部分关键零部件,但由于其原材料、热源特点,金属粉基激光、电子束增材制造技术在成形某些特定结构或特定成分构件时受到一定限制而无法实现或即使可以成形,其原材料、时间成本很高,具有诸多不足之处:(1)对于激光热源,其成形速率慢、铝合金对激光的吸收率低等;(2)对于电子束热源,真空炉体尺寸对构件体积的限制;(3)粉基金属原材料制备成本较高、易受污染、利用率低等均增加了原料成本。

  基于上述原因,现有的技术成形大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性,为了应对大型化、整体化航天结构件的增材制造需求,基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率电弧增材制造技术受到部分学者关注。电弧增材制造技术(Wireand Arc Additive Manufacture,WAAM)以电弧为载能束,采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件,该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来,成形零件由全焊缝构成,化学成分均匀、致密度高,开放的成形环境对成形件尺寸无限制,成形速率可达几kg/h,但电弧增材制造的零件表面波动较大,成形件表面质量较低,一般需要二次表面机加工,相比激光、电子束增材制造,电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。

  本文主要介绍电弧增材制造技术现状,分析现阶段该技术研究的不足之处,探讨其可能的发展方向,阐述该技术在大型化、整体化高端航空零部件制造中的应用。

  WAAM技术现状

  1WAAM装备系统:1.1基本硬件构成及特征

  电弧增材制造是数字化连续堆焊成形过程,其基本成形硬件系统应包括成形热源、送丝系统及运动执行机构。电弧增材制造三维实体零件依赖于逐点控制的熔池在线、面、体的重复再现,若从载能束的特征考虑,其电弧越稳定越有利于成形过程控制,即成形形貌的连续一致性。因此,电弧稳定、无飞溅的非熔化极气体保护焊(TIG)和基于熔化极惰性/活性气体保护焊(MIG/MAG)开发出冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)技术成为目前主要使用的热源提供方式。

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