¿Cuáles son las aplicaciones actuales de la impresión 3D?
La nueva generación de aviones evoluciona hacia un alto rendimiento, alta confiabilidad, larga vida útil y bajo costo. Adopta cada vez más estructuras generales y las piezas tienden a ser complejas y de gran escala, lo que promueve la fabricación aditiva. Desarrollo y aplicación de tecnología. La tecnología de fabricación aditiva parte del modelo CAD tridimensional de la pieza y fabrica directamente la pieza sin necesidad de moldes, lo que puede reducir en gran medida los costos y acortar el ciclo de desarrollo. Es un medio importante para cumplir con el desarrollo rápido y de bajo costo de aviones modernos, y también es una de las tecnologías clave para cumplir con los requisitos de fabricación de superespecificaciones aeroespaciales y estructuras metálicas complejas.
Formación por deposición fundida por haz de electrones
La tecnología de deposición fundida por haz de electrones también se denomina fabricación de forma libre por haz de electrones (EBF3). En un entorno de vacío, haces de electrones de alta densidad de energía bombardean la superficie del metal para formar un charco fundido, y el alambre metálico se introduce en el charco fundido a través de un dispositivo de alimentación de alambre para fundirlo. Al mismo tiempo, el baño fundido se mueve según la trayectoria planificada previamente y los materiales metálicos se solidifican y acumulan capa por capa para formar una unión metalúrgica densa hasta que se fabrica una pieza o pieza metálica.
La tecnología de creación rápida de prototipos por deposición por haz de electrones tiene algunas ventajas únicas, principalmente en los siguientes aspectos:
(1) Tiene una alta eficiencia de deposición. Los haces de electrones pueden alcanzar fácilmente altas potencias de salida de 10 kW, y se pueden lograr velocidades de deposición más altas (15 kg/h) con potencias más altas. Para la formación de grandes estructuras metálicas, la ventaja de la velocidad de deposición de los fusibles de haz de electrones es muy obvia.
(2) El entorno de vacío es beneficioso para proteger las piezas. La deposición por fusión por haz de electrones se lleva a cabo en un entorno de vacío de 10-3 Pa, lo que puede evitar eficazmente que impurezas nocivas (oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, etc.) se mezclen con piezas metálicas a altas temperaturas, y es muy adecuado para procesar metales activos como como titanio y aluminio.
(3) Buena calidad intrínseca. El haz de electrones es una fuente de calor de "bloque" y el baño fundido es relativamente profundo, lo que puede eliminar el fenómeno de desfusión entre capas al mismo tiempo. El uso del escaneo del haz de electrones para rotar y agitar el baño fundido puede reducir significativamente tales defectos; como poros. La calidad interna de las piezas de aleación de titanio formadas por deposición por haz de electrones puede alcanzar el nivel AA después de la detección de defectos por ultrasonidos.
(4) Se puede lograr un procesamiento multifuncional. La potencia de salida del haz de electrones se puede ajustar dentro de un amplio rango, y el movimiento y el enfoque del haz se pueden controlar de manera flexible a través del campo electromagnético, lo que permite movimientos de escaneo complejos de alta frecuencia. Utilizando la tecnología de escaneo de superficies, se puede lograr un precalentamiento de área grande y un enfriamiento lento, y utilizando la tecnología de procesamiento de división de haces múltiples, varios haces pueden funcionar simultáneamente. La soldadura por deposición y de penetración profunda se puede lograr en el mismo equipo. Utilizando la tecnología de procesamiento multifuncional por haz de electrones, se pueden utilizar una variedad de combinaciones de tecnologías de procesamiento de acuerdo con la forma estructural y los requisitos de rendimiento de las piezas para lograr un diseño de optimización colaborativo y la fabricación de múltiples procesos para lograr la optimización de la rentabilidad.
Verbo (abreviatura de verbo) R.Dave y otros del MIT propusieron por primera vez esta tecnología y realizaron una prueba de disco de turbina de aleación Inconel 718. En 2002, K.M. Taminger y otros del Centro de Investigación Langley de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) propusieron la tecnología EBF3, centrándose en la tecnología de formación en condiciones de microgravedad. Durante el mismo período, con el apoyo de la Armada, la Fuerza Aérea, el Departamento de Defensa y otras instituciones, la American Sciaky Company, Lockheed Martin Company y Boeing Company también cooperaban en la investigación, centrándose principalmente en la fabricación de grandes piezas metálicas de aviación. Al formar una aleación de titanio, la velocidad máxima de formación puede alcanzar los 18 kg/h y las propiedades mecánicas cumplen con los requisitos de la norma AMS4999. Lockheed Martin ha optado por utilizar la deposición por haz de electrones en lugar de forjar el larguero de los alerones del avión F-35. Se espera que el coste de las piezas se reduzca entre un 30% y un 60%. Se informa que el avión F-35 equipado con piezas de aleación de titanio por deposición por haz de electrones fue probado a principios de 2013. En 2007, la empresa estadounidense CTC dirigió un equipo integral para desarrollar el "Plan de transición de tecnología de fabricación de metales N-UCAS" para el programa de aviones de combate no tripulados de la Marina, eligiendo la tecnología de deposición por haz de electrones como una solución de fabricación eficiente y de bajo costo para futuras estructuras grandes. . El objetivo es reducir el peso y el coste de las estructuras metálicas de los drones en un 35%.
Imagen: Piezas fabricadas por Sciaky
En 2006, el Instituto de Ingeniería de Fabricación AVIC Beihang comenzó a investigar sobre la tecnología de formación por deposición por haz de electrones y desarrolló equipos de formación por deposición por haz de electrones. El equipo de formación de haz de electrones más grande desarrollado, la cámara de vacío es de 46 m3, el rango de procesamiento efectivo es de 1,5 mx 0,8 mx 3 m, varillaje de cinco ejes y alimentación de alambre de doble canal. Sobre esta base, se estudiaron las propiedades mecánicas de aleaciones de titanio como el acero de ultra alta resistencia TC4, TA15, TC11, TC18, TC21 y A100, y se desarrollaron una gran cantidad de piezas y muestras de aleaciones de titanio. En 2012, se instalaron por primera vez piezas de aleación de titanio formadas mediante fusión por haz de electrones en la estructura de un avión nacional.
Foto: Equipo de formación por deposición por haz de electrones desarrollado por AVIC Beihang Manufacturing Engineering Company.
Formación aditiva por deposición directa por láser
La tecnología de deposición directa por láser es una tecnología de fabricación avanzada basada en tecnología de creación rápida de prototipos y tecnología de revestimiento por láser. Esta tecnología se basa en el principio discreto/apilado. Al superponer el modelo CAD tridimensional de la pieza, se obtiene la información del contorno bidimensional de la sección transversal de cada capa y se genera la ruta de procesamiento. En un entorno de protección de gas inerte, se utilizan láseres de alta densidad de energía como fuentes de calor para fundir y acumular el polvo o alambre alimentado sincrónicamente de acuerdo con una ruta de procesamiento predeterminada capa por capa para lograr la fabricación y reparación directa de piezas metálicas.
Las características de la tecnología de deposición directa por láser son: (1) No requiere molde; (2) Es adecuada para la preparación de materiales metálicos difíciles de procesar; (3) Tiene alta precisión y; puede lograr una forma casi neta de piezas complejas (4) La estructura interna es pequeña y uniforme y las propiedades mecánicas son excelentes (5) Se pueden preparar materiales degradados (6) Las piezas dañadas se pueden reparar rápidamente; La flexibilidad del procesamiento es alta y se puede lograr una rápida conversión de la fabricación de piezas de variedades múltiples y de volumen variable.
En China, el equipo LSF de Xi’anbo es un representante de este tipo de tecnología. Además, las empresas típicas incluyen OPTOMEC en Estados Unidos, BeAM en Francia, Trumpf en Alemania e HYBRID, que ofrece paquetes de fabricación aditiva para empresas de máquinas herramienta CNC.
La tecnología de deposición directa por láser se desarrolló por primera vez en Estados Unidos en la década de 1990. En 1995, los Laboratorios Nacionales Sandia en los Estados Unidos desarrollaron una tecnología rápida de forma casi neta que funde polvo de metal capa por capa a través de un rayo láser para fabricar directamente piezas metálicas densas. Desde entonces, Sandia National Laboratories ha utilizado tecnología de lentes para realizar investigaciones exhaustivas sobre los procesos de formación de superaleaciones a base de níquel, aleaciones de titanio, acero inoxidable austenítico, acero para herramientas, tungsteno y otros materiales metálicos. En 1997, Optomec Design Company obtuvo una licencia para comercializar tecnología de lentes e introdujo un conjunto completo de equipos de deposición directa por láser. Desde 65438 hasta 0995, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. y el Instituto de Investigación Naval financiaron conjuntamente un proyecto llamado "Tecnología de fabricación flexible de aleación de titanio", que fue desarrollado conjuntamente por la Universidad Johns Hopkins, la Universidad Estatal de Pensilvania y MTS Corporation. El objetivo es crear piezas de titanio a gran escala mediante el uso de láseres de dióxido de carbono de alta potencia. Basándose en los resultados de la investigación de este proyecto, MTS creó AeroMet en 1997 en cooperación con la Universidad Johns Hopkins y la Universidad Estatal de Pensilvania. Para mejorar la eficiencia de la deposición y producir piezas grandes de aleación de titanio, AeroMet utiliza un láser de CO2 de 14~18kW y una gran cámara de procesamiento de 3,0m×3,0m×1,2m. La velocidad de deposición de la aleación Ti-6Al-4V alcanza 1~2kg/h. ..AeroMet es fabricado por el ejército de EE. UU. y los tres principales fabricantes de aviones militares de EE. UU. Boeing, Lockheed Martin y Grumman financiaron conjuntamente una investigación sobre tecnología de deposición directa por láser para piezas estructurales de aleación de titanio del fuselaje de aviones, y han completado sucesivamente la deposición directa por láser de aleación de titanio. estructuras. Evaluación del desempeño de componentes y formulación de normas técnicas. En 2002, Aeromet fue el primero en el mundo en implementar la instalación y aplicación de componentes auxiliares de carga de aleación de titanio por deposición directa por láser en F/A-18 y otros aviones.
Desde el "Décimo Plan Quinquenal", con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales, el Programa Nacional 863, el Programa Nacional 973 y el Programa de Preinvestigación de la Asamblea General, muchas instituciones de investigación nacionales, como la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing, la Universidad Politécnica del Noroeste, el Instituto de Investigación de Ingeniería de Fabricación de Aviación AVIC Beihang y otros han llevado a cabo investigaciones sobre tecnología de deposición directa por láser, control de propiedades mecánicas, conjuntos completos de equipos y tecnologías clave para aplicaciones de ingeniería, y han fabricado gran progreso.
Los componentes clave del conjunto del cuerpo del ala VIP C919, las tiras de brida superior e inferior de aleación de titanio, son fabricados por Xi Anbo Laser Forming Technology Co., Ltd. utilizando tecnología de fabricación aditiva de metal (impresión 3D).
Entre las tiras de bridas superior e inferior, la tira de brida superior izquierda, con un tamaño máximo de 3070 mm y un peso máximo de 196 kg, se puede entregar en sólo 25 días, acortando considerablemente el ciclo de desarrollo de componentes clave de la aviación.