基于傳感器增材制造的新型航空零件啟發(fā)式模具概念

來源： 長三角G60激光聯(lián)盟

西班牙納瓦拉公立大學(xué)和西班牙巴斯克研究與技術(shù)聯(lián)盟(BRTA)科研人員報(bào)道了基于傳感器增材制造的新型航空零件啟發(fā)式模具概念的研究。相關(guān)研究以“Novel sensorized additive manufacturing-based enlighted tooling concepts for aeronautical parts”為題發(fā)表在《Scientific Reports》上。

本文介紹了基于增材制造的輕型模具概念，旨在開發(fā)先進(jìn)的模具系統(tǒng)，并在航空零件的錨固和制造過程中安裝傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。在模具生產(chǎn)中利用增材制造技術(shù)可在制造靈活性和材料使用方面產(chǎn)生效益。這些概念將傳統(tǒng)的工具系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)式智能工具，改善了制造工藝和零件質(zhì)量。集成傳感器可測量位移、濕度和溫度等變量，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并與精度誤差、達(dá)到的公差和表面光潔度等工藝質(zhì)量變量相關(guān)聯(lián)。

除傳感器集成外，還選擇了定向能電弧熔絲沉積(DED-arc)增材制造技術(shù)進(jìn)行部件制造。研究內(nèi)容包括材料的機(jī)械特性以及通過定向能電弧制造后材料的顯微組織。“為增材制造而設(shè)計(jì)”的原則指導(dǎo)設(shè)計(jì)過程，以有效地利用DED-arc的能力。這些裝有傳感器的炮塔可以在變形和制造航空零件的過程中對炮塔變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。第一步，在規(guī)定的±0.15公差范圍內(nèi)進(jìn)行變形監(jiān)測，從而在炮塔中建立控制點(diǎn)。未來對傳感器數(shù)據(jù)的分析將有助于建立與工藝質(zhì)量變量的相關(guān)性。值得注意的是，應(yīng)用DED技術(shù)后的優(yōu)化版炮塔僅重2.2千克，比原來的6千克版本輕很多。增材制造和使用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)制造夾具，再加上傳感器，可提供有效的信息和控制，提高工藝效率和零件質(zhì)量。這項(xiàng)研究有助于為航空應(yīng)用開發(fā)智能高效的工具系統(tǒng)。

圖 1用于固定航空部件的夾具炮塔位置 (a) CAD 示例，(b) 以前的夾具解決方案和新的擬議解決方案。

圖 2優(yōu)化固定炮塔的流程設(shè)計(jì)。

圖 3采用 DED 技術(shù)制造的鋁合金單壁宏觀結(jié)構(gòu)。

圖 4尺寸和限制：（a）炮塔的基本尺寸、軸向力、錨固限制和有限元分析的基準(zhǔn)面（b）炮塔在拉伸和壓縮驗(yàn)證試驗(yàn)中的情況。

圖 5炮塔的增材制造：(a) 開始制造立柱，(b) 開始制造炮尾，(c) 制造頂板的最后一步，(d) 通過DED 并行制造的坯件。

圖 6安裝在測試臺上的部件，用于0°方向的測試。

圖 7有關(guān)框架設(shè)計(jì)和建模的信息：(a) 鋁型材框架的初步方案，(b) 添加加固件和錨點(diǎn)的簡化模型，(c) 框架所用型材的比較，(d) 鋁型材的有限元模型。

圖 8控制點(diǎn)在重力和荷載作用下的位移：(a) 初始模型，(b) 模型b底部的兩個(gè)支撐，(c) 模型c頂部的加勁桿，(d) 模型d中b和c解決方案的組合。

圖 9控制點(diǎn)在重力和荷載作用下的位移：(a) 初始模型，(b) 模型b底部的兩個(gè)支撐，(c) 模型c頂部的加勁桿，(d) 模型d中b和c的組合方案。

圖 10基于云的軟件應(yīng)用程序截圖。(a) 控制面板屏幕和(b)數(shù)據(jù)屏幕。

本文研究了增材制造設(shè)計(jì)（DfAM）在航空零件傳感器模具中的應(yīng)用。DfAM 需要全面掌握增材制造工藝和技術(shù)。每種增材制造技術(shù)都具有獨(dú)特的能力和局限性，因此必須深入了解所選方法，以確保有效的設(shè)計(jì)策略。對材料進(jìn)行細(xì)致的表征（包括機(jī)械性能和顯微組織完整性）是增材制造技術(shù)的重要組成部分。這種了解使設(shè)計(jì)人員能夠做出正確選擇，為增材制造優(yōu)化設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，對增材制造參數(shù)的細(xì)致考慮，直至逐層生長，也是至關(guān)重要的。選擇適當(dāng)?shù)膶勇窂娇纱_保成功沉積，從而促進(jìn)有利的制造結(jié)果。

DfAM充分利用了增材制造技術(shù)的獨(dú)特功能，使設(shè)計(jì)人員能夠利用其優(yōu)勢來增強(qiáng)設(shè)計(jì)或減輕重量。通過利用增材制造的固有優(yōu)勢，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是傳統(tǒng)制造途徑無法實(shí)現(xiàn)的。值得注意的是，DfAM工藝與確保理想零件結(jié)構(gòu)的重要制造測試相吻合。通過對增材制造的深入了解，設(shè)計(jì)可以選擇合適的測試程序和評估基準(zhǔn)。這一迭代過程對設(shè)計(jì)和制造參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終形成高質(zhì)量的功能部件。

本研究側(cè)重于基于氣體金屬弧焊（GMAW）的DED電弧技術(shù)，以制造炮塔結(jié)構(gòu)，這凸顯了其多方面的復(fù)雜性。作為材料的鋁合金為制造過程提供了支持。安裝傳感器實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)，以便做出正確決策，這有助于航空領(lǐng)域部件的正確定位。材料表征顯示出一致的機(jī)械性能，使合金適合其預(yù)期應(yīng)用。

此外，這項(xiàng)研究還擴(kuò)展到將智能集成到航空部件的夾具中。所提出的方法以輕質(zhì)鋁型材取代傳統(tǒng)的剛性框架，并以有限元建模為基礎(chǔ)。在夾具中安裝傳感器可增強(qiáng)監(jiān)測能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、操作員輔助和歷史分析。這項(xiàng)研究成功地展示了傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于云的軟件如何有助于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、參數(shù)可視化和系統(tǒng)監(jiān)控。

最終，這種整體方法不僅推進(jìn)了DfAM 方法，還展示了增材制造和航空零件制造領(lǐng)域中技術(shù)、設(shè)計(jì)、材料和工藝優(yōu)化之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用。


論文鏈接：
Uralde, V., Veiga, F., Suarez, A. et al. Novel sensorized additive manufacturing-based enlighted tooling concepts for aeronautical parts. Sci Rep 14, 17692 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-68786-w