3D打印技术在军工装备零部件生产中的应用

近几年,3D打印技术不断深入发展,其与传统制造相融合,能够在无模具生产情况下,保证铸件质量、缩短生产周期和降低生产成本。
结合军工企业较多科研研制、单件样机、中小批量、多品种、打仗式生产等特点,迫切需要采用该技术解决传统模具高价、低效的问题;迫切需要通过相关知识介绍和相关案例的展示,引导企业进行相关应用。
以某厂科研和批量为例,介绍相应的方法、质量、成本、生产周期和应用情况,验证工业级3D打印、融合配套技术用于企业的科研和生产,可成为一种较理想的生产方式,对于后续探索和推广应用具有重要意义。
一直以来,存在着一些认为3D打印成本高、不适合用于实际生产的误解,在军工企业这种情况更加严重。但随着客户招标订货、交货周期需求变化,以及单件样机、小批量、多品种、打仗式生产在科研和生产中日益广泛,采用传统的先模具再生产零件的方式,从成本和生产周期方面很难满足发展需要。
从2018年8月开始,笔者所在企业采用几种工业级3D打印设备生产塑料和金属零件,完成了300余种近10000件零件的研发和生产,3D技术发挥了较好作用。
1.工业级3D打印和融合配套技术
3D打印技术已在工业造型、机械制造等诸多领域得到了广泛应用,从产品概念设计样件到功能验证零件,从外饰件到核心功能件,从单一零件到整体打印组装,从打印塑料件到直接打印金属零件。主要成型材料有ABS、PP、PC、石蜡、尼龙玻纤、橡胶、陶瓷、砂、铝基合金、铁基合金、镍基、钛合金等。
3D打印技术有选择性激光烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)、激光选区光固化(SLA)、粘合剂喷射(3DP)等几种主要方式,可针对不同材料和零件特征选用不同的打印方法。融合配套技术主要有硅溶胶熔模精密铸造、石膏型真空增压铸造、电磁低压铸造、砂型差压铸造等。

采用SLS技术配合硅溶胶熔模精密铸造生产铸钢、铸铁、铸钛、铸铜等合金,生产周期为10-15天,尺寸精密优于CT7,光表面粗糙度Ra6.3μm;SLS技术配合石膏型真空增压铸造生产薄壁铝合金、大型铝合金铸件,优点在于造形制壳简单,生产周期为7-12天,尺寸精密优于CT7,光表面粗糙度Ra5.0μm;3DP技术配合电磁低压铸造、砂型差压铸造生产复杂内腔铸件,生产周期为3-5天,尺寸精密优于CT12,光表面粗糙度Ra12.5μm。
3D打印和传统铸造技术融合配套,解决了无模具快速铸造问题,降低了3D打印制造金属类零件成本。
2.3D打印技术在军用装备零部件生产方面的应用
在科研阶段,3D打印技术主要用于产品设计、设计验证、功能验证、样机模型制作、样机生产。采用不同3D打印方法快速生产塑料和金属部件,满足科研阶段不同需要。
在设计产品结构和结构评估时,产品的相对比例、颜色搭配等是否合理,往往在电脑显示中无法很好体现,通过3D打印SLA技术按照要求比例打印出较高强度的塑料(整个打印过程仅需要几个小时或1-2个工作日),再通过喷漆和烤漆等上色手段,装配各部件,最后得到可拆装的产品设计模型(如图)。

在功能验证、招标样机生产时,传统开模具生产各零部件的方法,制作成本和时间成本往往很大,浪费也比较大。采用3D打印SLS、SLA、SLM和3DP技术进行直接或间接生产样机的塑料件和金属件,将零部件的提供时间缩短为10-15个工作日。采用这种工艺方法使得该厂新研某型招标样机顺利生产和交付,整个零件生产和整机装配仅用60天,大部分零件在只有二维零件加工图的情况下,20天内提供合格铸件毛坯。
某些采用3D打印的成本远低于模具成本。经铸件成本核算得知:中大型、中等复杂铸件毛坯需求在30件内,3D打印费用与模具费用相当;小型、复杂铸件毛坯需求在50-100件,3D打印费用与模具费用相当,但生产时间与大小和复杂程度关系不大,生产时间均为10-20个作日。结合某些军品生产特点,采用3D打印方式,优势明显。
该厂对所生产的300余种近10000件零件进行了生产验证,通过外形尺寸、化学成分、机械性能、CT缺陷等检测,整机装配并通过整机实际验证。

在批生产阶段,3D打印技术主要用于复杂结构零部件、中小批量、模具成本高零部件、模具开发前期和复杂内腔等生产情况。结合军品生产特点,3D打印技术在批生产阶段,优势也十分明显。用于复杂结构零部件和模具成本高零部件生产,成本和时间优势更为明显。
在模具开发前期,由于材料收缩、变形、成型工艺合理性等情况的不可预见性,模具开发往往需要几次的尺寸调整,增加了模具的开发成本,生产周期很难确定。采用3D打印技术将模具生产的蜡模、砂型等打印出来,先进行成型性试验,通过试验确定最佳的模具尺寸、反变形量、合理成型工艺等,这种方式既保证了前期小批零件的供给,又大大降低模具开发成本和缩短模具开发周期。模具开发时间将控制在30个工作日内,首批零件20天内提供,大批量在45个工作日内提供。本体为变形和成型工艺无法预见的典型案例,本体SLS打印蜡模和硅溶胶精密铸件毛坯如下图所示。

在复杂内腔零件生产过程中,内腔往往是通过组芯形成,组芯都是人为完成,精度较差,通过3DP进行整体打印,解决了模具整体无法出芯的问题,同时拓宽了研发设计人员思路,增加了复杂内腔零件生产能力。
3.结论
工业级3D打印、融合配套技术用于军工企业的科研和批生产,无疑是一种较好的生产方式,它解决了制造周期长、模具成本高、加工量大、补焊、尺寸不稳定、内部缺陷多、反修次数多等现有制造问题,在新产品开发,单件、小批量/复杂零部件生产方面优势明显。
工业级3D打印、融合配套技术的使用,改变了纯模具生产模式,打破了产品设计人员围绕“先制造再功能”的老旧设计思维,树立围绕“先功能再制造”的崭新开发模式。
工业级3D打印、融合配套技术有利于充分发挥设计人员的想象力,有利于结构合理化、功能结构一体化和轻量化的发展,有利于产品的快速研发和生产。
工业级3D打印、融合配套技术在以兵器为代表的军工企业进行探索和推广应用,具有十分重要的意义。
来源:《世界制造技术与装备市场(WMEM)》
#军民融合# #民企参军# #军工资质#

NASA 航天器一项3D打印制造创新正在转移到民用领域

江苏省激光产业技术创新战略联盟关注

2021-07-07 14:00

根据江苏激光联盟陈长军转载的市场观察,NASA在3D 打印领域使用新型的焊接增材制造已经有很多年的经验。这种被称为超声波增材制造 (UAM) 的技术,还可以用来提高热交换器的可靠性,或者内置感应器在金属零部件中。

而根据NASA,在航天器领域的3D打印制造创新正在转移到民用领域。

▲© NASA....

从航天器到民用

/ 超声波3D打印与热交换器有什么关系?

温度在太空中是一个特别困难的问题,那里的极端情况可能会有数百度的变化。热交换器通过去除多余的热量或吸入更多热量来帮助维持航天器内部的稳定温度。传统上,这些设备包括一根长的蛇形管道,该管道通过支架和环氧树脂连接到金属板上。虽然有效,但它们由许多相互连接的部分组成,引入了许多潜在的故障点。

自2011年以来,Fabrisonic一直在为航空航天、汽车、科研和工业应用生产复杂而精密的金属部件。Fabrisonic是一家与众不同的工业级3D打印机生产商。它的独特之处在于其使用了一种将超声波焊接与CNC结合起来的技术,被称为超声波增材制造(UAM)技术。

▲© NASA

超声波焊接利用声音和摩擦力在金属层之间形成固态结合。它首先将薄箔压在另一个金属部件上,例如底板。恒压和超声波振动会在面对面之间产生摩擦,产生剪切运动,从而提高温度并去除表面氧化物,从而使纯金属与纯金属直接接触。结果是将金属层焊接在一起,甚至不同的金属层也可以粘合成一个整体。

由于金属的粘合温度明显低于其熔化温度,因此需要的热量相对较少。Fabrisonic 可以将大至 6 平方英尺的层快速拼凑在一起,从而可以在几天内创建具有复杂几何形状的零件,而不是传统制造所需的几个月。这缩短了航天器的开发周期并加快了商业部件的制造。

该UAM超声波增材制造工艺能够实现真正冶金学意义上的粘合,并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。Fabrisonic的方法可以同时“打印”多金属材料,而且不会产生不必要的冶金变化。该工艺能够使用成卷的铝或铜质金属箔片制造出带有高度复杂内部通道的金属部件。

通过超声波增材制造,整个热交换器可以制作成一个整体。Fabrisonic的工艺通过将金属与高频振动融合在一起来构建多层金属薄层。为了制造热交换器,在分层金属中雕刻出一个弯曲的通道,然后将其封闭在层下。

新设计取代了原来的含有数十个小部件和接头的设计,可以更加有效的避免在长期任务或极端条件下出现故障。

/ 超声波增材制造用于Cubesat立方体小卫星的故事

立方体卫星可用于各种任务,但它们的小尺寸使得安装所有部件以及管理太空极端温度所需的屏蔽成为一项挑战。

当航天器上的所有东西都需要轻量化时,保护电子元件免受可能摧毁它们的强烈太空辐射是一项挑战。

FBG传感器是一种光纤光栅传感器,可以精准的测量位移、速度、加速度、温度。主要应用在煤矿围岩、桥粱建筑、航空航天、石油化学工业等领域。如果将FBG 传感器嵌入到金属零部件中,这个零部件将成为可以感知温度、速度等变量的智能零部件。

与其他形式的焊接不同,UAM 不会导致不同的金属液化和混合在一起。美国航空航天局(NASA)兰利研究中心与Fabrisonic 公司合作,使用Fabrisonic的UAM 3D打印机将FGB 传感器嵌入到金属零部件中,以长期监测零件的应变。

▲© NASA

新的光纤传感器可以检测金属应变或弱点并预在它们发生之前确定可能的故障。但是使用传统方法制造的金属只能在零件的外部支持这些传感器。为了嵌入它们,制造过程中使用的热量会破坏精密的设备。

Fabrisonic通过超声波焊接测试内置于铝部件内部的传感器的有效性。经过反复试验为这种创新应用找到最佳传感器后,工程师们能够获得有关金属健康和性能的准确、实时数据。由于传感器受到保护,它们可以在恶劣的环境中工作。

/ 打印小零件,向民用领域跨界

一家名为 Ultra Tech 的机器自动化公司与Fabrisonic 合作开发了一种用于空间站的UAM 打印机。与原来的大型的UAM 工艺相比,这种技术通过小型化以制造更小的零件,这是更具成本效益的方法。目前这种小型的 SonicLayer 1200 3D打印机的商业销售已经产生了 100 万美元的收入,其中一个用户在内部生产了 70,000 多个零件。

NASA 在向民用领域转让技术方面有着悠久的历史,从NASA的航天技术孵化出来的民用领域的企业已经形成一定的气候,这也显示了美国NASA对其太空计划进行投资所衍生出来的更广泛的利益。 .

▲ SLM Solutions 推出全新无支撑3D打印技术-FreeFloat,打破选区激光熔化3D打印工艺设计极限。点击图片了解更多SLM Solutions金属增材制造解决方案。

l 文章来源:3D科学谷内容团队,江苏激光联盟陈长军转载

凭借颜值先出圈,“人民五菱”携中高端商务车征程来袭,香不香?
随着消费升级的趋势日益明显,人们的消费观念也在逐渐发生改变,越来越多的消费者在买车时,都会将目光投向了商务车市场,其中,受众度较高的就是中高端商务车。有着“人民需要什么,五菱就造什么”之称的上汽通用五菱,就基于满足人们的实际需要的立足点,打造了一款宜商宜家的的中高端商务车——五菱征程,虽然新车还未上市,但是从日前的官图来看,其高颜值的外观设计就吸引了许多人的关注。今天,我们就来一起具体了解一下吧!
凭借颜值先出圈,“人民五菱”携中高端商务车征程来袭,香不香?
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虽然还未上市,但征程却凭颜值先出圈
在颜值即正义的时代,如何才能吸引用户的目光,设计感一定是其中一个答案。
定位为高端商务车的五菱征程采用了“极简几何”的设计理念,从前脸来看,造型较为方正,倒梯形的进气格栅向两侧延展,红色的五菱LOGO位于正中间,内部横条与大灯组相接,视觉延展性非常出色,彰显出了全新商务格调。
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车身侧面,新车采用了更长的轴距,同时还加入了双贯穿式高腰线设计,在视觉效果上,又进一步增强了车身的视觉长度,给人感觉非常修长自然。而且,车门下方还采用了局部内凹设计,为整车又增添了一丝流动性与灵动感。
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尾部来看,车辆的轮廓也很方正,与前脸设计相互呼应。尾部车顶采用了扰流板设计,中间镶有横向的高位刹车灯,后备厢门上也采用了横向贯穿式线条设计,与车身侧面腰线相连,显得立体感十足。这样的设计一方面有利于提升车内的空间感,另一方面也让视觉效果更显大气。
多彩撞色车身,商务车也能很有范
对于许多年轻用户来说,一方面看中商务车的空间和品质,另一方面又担心会过于成熟稳重。
考虑到消费者对于商务品味的更高诉求,五菱征程在高颜值的基础上还在车身配色上也下足了功夫。新车带来了更加丰富的外观配色,分别为冰川白、波涛银、大地灰、星夜黑,用户可以根据自己的喜好与需求,挑选心仪的车身配色。其中,冰川白、波涛银显得相对柔和,是家用的不错选择;而大地灰、星夜黑,则更具有商务气息,在商务接待场合能够更显端庄大气。
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在车身配色质感的把握上,五菱征程也十分到位。基于纳米级工艺色漆,并融入高反射性闪光材料,经过42道工艺,形成了6层的表面覆盖层,带来更强的流光质感,同时,车漆的耐用性也进一步提升。
此外,五菱征程还公布了“双拼色”概念车身。对于更为追求个性化的用户来说,多元的色彩拼接,分别是高能绿、澎湃蓝、百变棕、机动黄,营造出了更独特、更立体的造型风格,也进一步突出了时尚气息,更加迎合年轻人的喜好。
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空间足够宽敞,配置动力保持期待
单从全新五菱征程的外观来看,高颜值的造型设计,丰富的车身配色,使其在中高端商务车行列,就已经十分瞩目。而征程在其他方面的产品表现,也同样能够带给我们许多惊喜。
在空间方面,新车长宽高分别为5150*1840*1895mm,轴距为3180mm,车身尺寸在同级别市场中也是很有竞争力的,尤其是超5.1米的车长,以及超3.1米的轴距,无论是家庭出行,还是商务接待,乘坐空间和储物空间都非常宽裕,舒适性及实用性都很出色。
凭借颜值先出圈,“人民五菱”携中高端商务车征程来袭,香不香?
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配置方面,根据工信部透露的信息,我们猜测用户还可以选装前雾灯,或选择另一种前格栅等,也可以选择给门窗框装饰黑膜,让整车的个性化气息更加浓郁。此外,后雨刮、后门电热玻璃以及后扰流板等配置,用户也都可以根据喜好进行选配。其他更为具体的配置信息还尚未公布,因此也让我们继续保持期待。
结束语:
在过去,我们对于传统商务车的印象还停留在了其成熟稳重的中庸形象,五菱征程的到来可谓是打破了我们这一想法。从其高颜值的外观,丰富的配色,宽敞实用的空间,我们都能感受到其实力不容小觑。据悉,全新五菱征程将于8月上市,面对竞争激烈的中高端商务车市场,五菱征程能否成为一匹黑马?让我们拭目以待!


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