全球首架自主研发超音速飞机包含大量3D打印零件 增材过程监控系统需求愈发迫切

发布时间:2021-04-02浏览次数:49

Boom Supersonic是一家成立于2014年的初创企业,其既定目标是实现商业航空的超音速飞行。经过六年发展,该公司于2020年10月7日推出了XB-1“超音速验证机”,成为有史以来第一架自主研发的超音速飞机。

图片1.png 

XB-1定制的复合结构包括3700多个零件,包括起落架、飞行控制执行器和冷却系统等。为了解决制造演示机的艰巨任务,Boom大量采用3D的金属3D打印技术来降低成本并缩短生产时间。

XB-1上装载有21个VELO 3D打印的金属零件,包含大量的钛合金薄壁结构。钛具有极高的耐热性,但如果冷却速度过快,则会变脆并易于开裂。尽管传统技术避免了这个问题,但采用机械加工或铸造也几乎无法制造飞机薄壁零件,这也成为使用3D打印背后的驱动力之一。

金属3D打印的成品零件需要经过热处理和/或热等静压处理来提高疲劳寿命。当飞机在起飞和着陆时零件会周期性地加载,超音速飞行也引入了许多不同的现象和压力。在很多情况下,飞机的整体结构会围绕部件弯曲引起应变,当具有不同热膨胀系数的零件相互安装时,也会产生很大的应力(碳复合材料、铝合金和钛合金)。将这些3D打印部件设计的非常薄而且灵活,实际上可以减轻一些此类问题。

由于金属3D打印具有复杂的物理冶金过程,现行的技术手段很难确保加工工艺的可重复性和质量一致性,这一点极大限制了激光增材制造的广泛应用,尤其是航空航天领域的高附加值零部件的批量生产。

质量保证和过程监控一直以来都是金属3D打印技术的热门研究,有效、可靠的质量保证手段是增材制造用户最重要的需求。

目前行业领先的增材制造设备商均采用过程监控技术解决这一问题, EOS的EOSTATE模块,SLM solutions的QAS模块,Renishaw的InfiniAM模块,以及Concept Laser的QMmeltpool模块等,国内在该领域的发展稍显不足。

为了保障航空航天领域对高附加值产品增材制造过程的可追溯性、工艺可重复性和性能一致性的要求,西安空天机电智能制造有限公司(简称西空智造)推出了一款国产激光增材过程监控系统。该系统包含粉末床在线监控模块和熔池在线监控模块,针对激光粉末床熔融工艺的关键点进行监控。

图片2.png


粉末床监控模块可以实现铺粉状态的在线识别,打印精度的实时分析以及零件打印结果的三维重构;不仅可用于质量监测,还可兼容适应性加工以及零件嫁接。熔池监控模块一方面可以实时监测熔池是否失稳,另一方面可作为工艺策略优化的定量化指针以及熔池熔化凝固的热力学/动力学分析工具。此外,在线监控也是打印过程闭环控制以及智能化的基础。以下为西空智造在线监控系统模块的详细介绍:

1 粉床模块

1.1 产品简介

粉床监控模块主要用于实时监视、分析、评估和控制激光选取融化(Laser selective melting,SLM)设备铺粉质量。自动抓取激光扫描和铺粉结束时刻图像,智能识别各类铺粉缺陷,诊断铺粉异常(包括传动故障、送粉量不足、刮刀损伤、过烧等);采取相应的闭环控制措施(重铺粉、重扫描、停机报警等),确保打印过程中铺粉均匀性和稳定性,提高零件成型质量。

图片3.png

1.2 功能介绍

l 旁轴成像实时校正系统,修正相机畸变;

l 实时监控记录铺粉后和激光扫描后粉末床状态;

l 粉末床缺陷实时智能检测、标记、反馈;

l 过程历史数据便捷查看,全过程原始数据可追溯导出;

l 形成粉末床铺粉质量统计报告。

1.3 典型案例

案例1  提供原始数据供用户二次分析,如工艺优化。

图片4.png 

不同工艺参数及对应成型试块图像

案例2  零件质量追溯和问题分析,如某型号用零件表面出现裂纹

图片5.png 

案例3  铺粉质量的自诊断和自动控制,如检测到零件漏出缺陷超阈值,进行重铺粉操作

图片6.png

 案例4 提供缺陷重构三维模型,为离线检测(如X射线)提供支持。

图片7.png

 三维重构 (左-零件  右-缺陷)

熔池模块

2.1 产品简介

熔池监控模块主要用于实时监视、分析和评估SLM设备熔池信息。高速采集打印过程中熔池等离子体辐射和熔池形貌数据,结合激光扫描路径形成二维热图;通过熔池特征分析、提取,实现模型和缺陷三维重构。是工艺开发、质量追溯、缺陷分析的重要资源。

图片8.png 

2.2 功能介绍

同轴光路实时采集、显示和存储熔池辐射强度信号和形貌图像;

每层熔池形貌图像、辐射强度信号回放、查看;

自动形成激光扫描后每层切片的温度分布热图;

每层缺陷标记和分类,识别温度过高,熔池失稳、飞溅过大等典型缺陷;

零件不同位置全过程原始数据(熔池强度信号和形貌图像)索引和导出;

实现工程粉末床熔池质量统计报告。

2.3 典型案例

案例1  原始数据供用户二次分析,如研究工艺参数-熔池状态-缺陷或性能映射关系。

图片9.png

 

案例2  基于熔池特征的二维热图,便于用户进行质量追溯,

图片10.png 

案例3 基于熔池特征的三维热图,为离线检测(射线、CT等)提供技术参考。

3 功率模块

3.1 产品简介

功率监控模块分别从激光器输出端、监控适配器、焦平面三处实测激光功率值,实时分析和评估SLM设备输出功率特性;可实现激光器实际输出功率实时监测;功率异常部位快速定位;长期工作功率衰减特性分析、提醒、报警和预测。

 

3.2 功能介绍

输入功率与实际功率离线标定;

激光器输出端、监控适配器、焦平面共3处进行实际激光功率值监测及存储;

功率监测历史回放和查看;

激光器功率特性实时分析和评价;

功率失稳超阈值时,提示和警告;

激光器长期工作功率衰减特性分析和预测。

系统集成

图片11.png

 

 

:文章部分内容来源于腾讯新闻。


你觉得这篇文章怎么样?

0 0
标签:全部
网友评论

管理员

该内容暂无评论

美国网友

西安空天机电智能制造有限公司微信扫码 关注我们

  • 24小时咨询热线

    24小时咨询热线029-85839199

  • 电话

    移动电话18629525689

Copyright © 2018 西安空天机电智能制造有限公司 地址:西安市国家民用航天产业基地航创路1123号慧谷创新园B栋 备案号:ICP备20011141号 网站地图百度 / 谷歌

技术支持:黑侠网络 [黑侠建站] 统计代码放置