霍尔榜信息， 近日，季华实验室高超峰对涡轮发动机、冬奥会冰刀等增材制造典型案例进行了深入分析。高博士申请了7项发明专利，目前是广东自然科学基金表面项目的主持人。小边整理了高博士当天的分享笔记，供您交流、学习和讨论。
近十年来，增材制造技术有了很大的发展。近年来，无论是从学术界还是企业界，其成果都逐渐喷涌。参照国外，我们已经从最初的模仿者和追随者逐渐成为并驾齐驱，甚至在一些细分领域，我们也处于领先地位。过去，我们都摸着石头过河。现在，展望未来，我们看不到石头。此时，我们需要测试每一位从业者如何走出这条路。也就是说，如何做设备，如何进一步开发和优化工艺和材料。当技术相对成熟时，如何将增材技术大规模推向应用和市场可能是每个员工都在思考的问题。
我们的团队对航空发动机、一些重大燃气轮机、涡轮发动机等关键典型部件进行了验证。比如说，航空发动机的轴承座，它是一种精密级的轴承座，它的加工，结构复杂加工制造难度非常高。我们采用添加剂制造进行设计，避免了传统加工过程中刀具干扰振动的情况，可以实现薄壁、尖角、悬挂等传统加工方法难以实现的极限成形工艺。通过数字模拟分析，优化其成形角度和支撑策略，可以大大提高工艺开发周期，降低成本。
我们利用轴承座悬挂的地方DfAM增材制造的设计理念不仅是强化，也是自身支撑的结构，可以减少支撑的增加，减少后期的大量工作量。这是我们增材思维的概念。
涡轮发动机常用作飞机和大型进口发动机的中央部件。我们用传统的方式加工，材料利用率低，周期长。采用增材制造技术制备，可减少装配，性能优越，材料利用率高，可大大缩短研发周期。此外，我们还打印了航空发动机燃烧室火焰管（镍基合金），使用复杂、高温、高压、高腐蚀环境，包括数百个不同尺寸、结构复杂的孔，包括一次空气喷射孔、二次空气混合喷射孔、冷却空气喷射孔等，传统加工难以实现。我们采用SLM增材制造技术也是可以一体成形，优化了工艺流程，缩短了制造周期，消除了因焊接造成的结构缺陷，提高了结构完整性、尺寸精度和成品率。同时，在满足相同强度要求的前提下，降低构件重量，提高燃油燃烧效率。
航空发动机进气机箱（Al-Si合金)。长度、宽度和高度接近5000。mm内部有大量孔洞薄壁和复杂内流道的大型复杂构件，我们使用了3D印刷技术也可以集成成型，大大缩短了研发周期，满足了模型和设计周期的要求。通过优化不同的角度和支持设计，我们避免了不同壁厚的开裂风险，最终可以成功打印。
案例共享航空滑油热交换器1是航空发动机的重要组成部分，其主要作用是在润滑油和燃料之间传递热能。发动机燃烧室在燃烧过程中会产生大量的热量，不同机械传动部件在运动过程中也会产生一些热量。在流动过程中，润滑油将燃烧室和机械传动的热。通过换热器将热量传递给燃料，一方面是为了防止燃料结晶，另一方面是为了提高燃料的温度，使其尽可能接近燃料点，从而有效地利用热转换的效率。
传统的换热器加工方式，因为是管壳式的，需要焊接装配成千上万的圆管，工艺繁琐，缺陷率高。为了提高换热效率，传统的方法将平直流道改为弯曲流道。虽然改善了换热，但也增加了流动阻力，导致进出口压降损失很大，不利于换热器的正常运行。此外，焊接部位也是弱区，容易开裂失效。因此，我们迫切需要引入一些新技术来准备换热器。
我们的团队介绍了添加剂制造、模拟优化和结构设计的概念。我们做了一个完整的数字分析，即分析原始模型，包括模拟和优化原始模型入口和出口的压力、速度和温度。在优化获取数据的基础上，我们对自己的方案进行了优化设计，通过调整边界条件和网格来验证模拟结果是否可靠。在可靠的前提下，通过优化仿真进一步获得换热系数和压力损失值。在获得此值后，看它是否符合进出口温度和压力的数据，能否满足我们的设计要求。在成功满足所有条件后，我们打印一些典型特征，直到最终打印成品。
在模拟和优化原方案的过程中，我们发现原设计虽然增加了微管的数量，但并没有提高自身的换热系数，压力损失相对较大。针对这一特点，我们制定了自己的计划。从外观和尺寸上看，我们将不规则的形状转化为流线型。此外，我们将直管转化为椭圆管，更符合内部流场流线分布。参数化设计采用增材制造思维，换热管的尺寸和分布随滑油侧流动截面的变化而变化，更符合流体动力学。通过模拟获取数据，压力损失明显低于原计划，出口侧温度满足我们的要求。
案例共享航空滑油热交换器2.采用等截面外观设计，换热器外观模型与长方形状相似，可减少截面变化引起的回流。此外，我们将换热元改为蜂窝状元。蜂窝状元具有纵向支路和横向支路，可增加换热面积。这种设计可以提高换热器的整体结构强度。经过模拟优化获取数据后，发现该设计方案的压力损失符合要求，流量增加，换热系数显著提高。
因此，我们的两种方案主要从压力损失和换热系数两个角度进行优化，得到两种不同的设计模型。方案确定后，我们形成特征部件，最后打印局部模型，以查看内部打印的完整性。经验证后，我们形成了整个热交换器。由于热交换器内部有复杂的孔，我们还设计了粉末排放通道，通过粉末清除和CT我们最终成功地打印了两种不同的换热器模型。
案例分享冬奥会冰刀2，今年初冬奥会成功举办，以武大靖为代表的短道速滑队取得了非常好的成绩，事实上，在这背后3D也参与了印刷技术。当时是我们合作伙伴接手的项目，短道速滑队希望3D将打印技术引入运动员使用的冰刀。为什么要引用这种技术？由于传统冰刀采用传统工艺批量制造，冰刀需要手动调整刀头支架与刀管的连接，调整刀管的弯曲，给予一定的变形，有利于滑动过程，特别是在一些弯曲可以更光滑，但这将是对工程师技术和感觉的考验，一些局限性。假如我们用3D一方面可以减肥，另一方面可以保证弯曲和刚度。因此，我们与合作伙伴讨论，从人体运动学的角度优化冰刀设计，确保3D打印冰刀的刚度可以提高冰刀的稳定性，保证稳定性和刚度，减肥≥10%。
我们的团队优化了原始模型，通过一些模拟减少了一些不需要那么厚的地方，一些需要加强应力集中点，做了很多研究，弯曲分析也做了很多研究，通过静态分析、动力分析和一些拓扑优化分析，最终得到了我们需要的数据和结果。是根据运动员的载荷，对其运动状态进行力分析，原载荷位移、原载荷应力、最大位移和最大应力较大，我们的季华实验室通过六个迭代方案，使原载荷位移、原载荷应力、最大位移和最大应力比原方案大大降低，最终我们成功交付了方案。
案例共享锥形流道3。一个合作伙伴找到了我们，他们有一个特殊的锥形流道。设备内部为空腔，合作伙伴要求内部尽可能光滑，外部尽可能光滑构无所谓，只要流道正常是通的就行。我们当时拿到这个东西评估发现，如果进行一体打印，内部空间需要加支撑，所以它没法一体打印。因合作方对外观质量没有太多的要求，我们对它进行了一个竖直的摆放，加了大量的支撑，最终是成功地给他们打印了三种不同锥形流道的构件。
对于某些机构或单位来说，有些定制化的东西没有大批量的应用，用传统加工方式去做可能也不好做。但是3D打印技术特点就非常明显了，我们可以定制化，可以少量化，只要有图纸，有模型给我就能想办法给打出来。不需要什么模具，也不需要去焊接怎么地。这个需要稍微焊接一点就能够极大地减轻加工的工序，这是3D打印相比传统技术有优势的一点。
案例分享【感应淬火线圈4】。大家比较熟悉，传统的感应淬火线圈是挤压之后把它挤压成管状，然后再进行点焊把缝焊上。因铜管里面是要通冷却水的，这样点焊那个位置就会成为薄弱区，时间长了，可能3-4个月就会漏水失效。我们采用增材思维进行设计复杂异形的结构线圈，它可以是一体成形，内部流道不需要加支撑，也就简单地把外面的支撑去掉，形状也可以任意的进行设计。通过3D打印技术进行一体化成形，最终我们是成功的把这款产品，做到在设备上使用起来。根据合作方反馈结果，3D打印的线圈寿命要比传统方法加工的线圈提高3-4倍，这是一个比较大的突破。虽说3D打印成本有点高，通过提高线圈使用寿命，也是间接降低了成本。因为使用周期长了，寿命长了，成本自然也会降下来。
在设备达到稳定的情况下，想做出一款比较好的产品，我们需要对工艺和材料有比较深度的理解，这是我们开发产品有利的保障。具体在某台设备上，我们需要了解这台设备它成形的能力。比如说，极限的成形尺寸、薄壁、尺寸精度、光斑大小。它的成形孔、柱这些特征件极限的成形能力，成形表面粗糙度的能力，不同材料表面粗糙度的能力，这些都需要我们进行了大量的研究和理解。
针对于铝合金典型构件，它的表面质量比较难以控制。因为它熔池比较大，而且凝固时间也比较大，可能在凝固过程中更容易挂粉和沾粉一些。此外，我们增材制造技术本身，尤其是成形倾斜表面，它还具有一些特殊的独有的一些加工问题，比如说台阶效应。此外，我们倾斜的上表面和下表面分别有不同的热历史，可能上表面稍微容易控制一些，但是下表面因是沿着松散的粉末去散热的，散热困难，所以下表面粗糙度就更难以控制。通过对构件的的上下表面参数以及轮廓参数进行优化之后，我们是可以实现铝合金倾斜上表面粗糙度达到2左右，下表面粗糙度达到4-4.5点左右。
虽然说，我们这个铝合金表面粗糙度做得很亮很光，但其对应的工艺，可能并不一定完全适合我们来成形各种各样的构件。这就说明了一个问题，我们不可能说拿一套工艺参数来吃遍天下。有时候我们调参数会发现，工艺参数有时候是相矛盾的。比如说我们表面打得很亮，有可能尺寸精度就控制不好。如果尺寸精度控制好了，可能我们就没办法把有些极限的特征打出来，有时候这是一种矛盾的状态。就比如说，我们可能为了调表面粗糙度，就是把轮廓的能量密度调的很高，可能对应的成形构件的时候，它的成形能力就不太好。所以，做工艺调试的时候，一定要针对不同的特征有不同的一套工艺参数包。
我们都知道设备的振镜，激光器一般是装在设备的顶部，激光束从振镜照射到基板平台上，平台不同的位置，它的光斑大小和尺寸是不一样的，也就是说我们中心和边缘其实有所区别的。就比如说，我们从中心到边缘，可能它的光斑尺寸是由圆的到椭圆的变化，它会导致在成形过程中对应材料所融化之后，熔池可能是由深变浅，由圆变窄的状态。说明在不同位置，不同对应的成形质量可能有所区别。因为它能量密度也发生了变化，导致它致密度，表面质量都会有所变化。这也给了我们一个提示，针对不同位置，我们稍微去定制化，去优化它的一个成形参数，来保证我们更精确地控制它成形的一致性。或者说给我们设备人员一个提示，我们能不能想办法通过设备的一些组件的加入，使我们这个激光束能够在任何位置都达到一个垂直的状态，这样是可以保证光斑均匀的一致性。
在稳定设备，工艺摸索完之后，我们还要把精力放在材料上面。因为工艺总有局限性，我们不可能把铝合金优化出来钛合金的强度，这是材料的固有属性。因此，我们要对材料本身的机理进行深入的研究。目前我们所用的材料主要还是从传统行业引入过来的，现在很少有专为增材制造而设计的材料。当然，现在国内很多研究人员，研究机构都在做这方面大量的工作。我们季华实验室也在做这方面的工作，通过我们专业的研究人员逐步地深入研究领域，希望能够开发出专为增材制造而设计的材料，这也是我们的目的。
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