金属3Dプリントで高温合金の航空機特殊形状舵軸を製造

出典：中国北方工業集団公司

新世代の戦闘機、無人戦闘プラットフォーム、航空宇宙防衛製品の使用条件はますます厳しくなっています。武器の飛行速度は徐々に増加し、飛行中に厳しい熱的および機械的環境にさらされています。これにより、製品構造の設計と製造に対して、軽量、機能的な構造、迅速な応答、低コストという緊急の製造要件が提示されています。

舵軸製品の全体形状、実際の航空機用高温合金舵軸は、「L」字型の回転異形構造で、2つのジグザグ可変断面中空構造と中間接続構造で構成されています。部品の最大方向寸法は460mm、最大外径は69mmです。従来のプロセスでは、舵軸全体を 3 つのセクションに分割し、それぞれを個別に機械加工、溶接、再機械加工します。工程が複雑で、材料の利用率が低く、製品の初回合格率も低く、製造コストは高いままです。新世代の兵器および装備システムの発展に伴い、厳しい運用条件により、航空機の構造と性能に対する要求が高まっています。従来の構造形態、材料選択、成形工程の集約・分析に基づく革新だけでなく、材料、構造設計、製造工程を高度に統合することも必要です。

積層造形技術は離散的蓄積原理に基づいており、コンピュータグラフィックス処理、デジタル情報と制御、電気機械制御、材料技術を統合し、材料を層ごとに蓄積する方法を使用して、部品の迅速な自由形状製造を実現します。この技術は、製品のプロトタイプの迅速な開発と製造に使用できるだけでなく、複雑な構造と高い信頼性を備えた金属部品の直接製造にも使用できます。レーザー選択溶融成形技術は、金属材料の積層造形技術の代表的な技術です。近年、この技術は継続的な進歩を遂げ、特に急速に発展しています。主に、高温合金、チタン合金、アルミニウム合金などの複雑な構造製品の製造や、小ロットのカスタマイズ生産に使用され、コスト、効率、品質の面で優れた利点があります。高性能金属構造部品へのレーザー選択溶融技術の応用は比較的成熟しており、材料加工の分野で「引き算」から「加算」への革命的な転換を実現し、従来の加工製造方法と比較して明らかな利点があり、大きな発展の見込みがあるラピッドプロトタイピング技術です。

レーザー選択溶融成形技術は、従来の機械加工と溶接製造プロセスに代わるものであり、特殊形状の舵軸の全体構造の一体成形を実現します。一方で、レーザー選択溶融成形プロセスは急速凝固であり、合金構造の粒子が微細化され、部品の強度と可塑性が従来の製造プロセスをはるかに上回ります。一方、ラピッドプロトタイピングは、生産プロセスを効果的に簡素化し、製品の生産サイクルを短縮し、材料の利用率を向上させ、生産効率を高め、生産コストを削減することができます。

そのため、特殊形状舵軸の一体構造のレーザー選択溶融成形技術の研究を行い、特殊形状構造の急速成形を完成させることは、新モデルの開発や積層造形技術の工学応用にとって大きな意義がある。

技術的ソリューション この計画の目的は、航空機の特殊形状舵軸の全体的なラピッドプロトタイピングのためのプロセス方法を提供することです。合理的なプロセスサポート構造により、特殊形状舵軸の全体構造のラピッドプロトタイピングを実現し、複雑なセグメント化された製造プロセス、困難なプロトタイピング、舵軸の合格率の低さなどの問題を解決できます。

実装手順

フローチャート作成の第一歩：モデルの準備 舵軸の3次元モデルを加工し、3つのセクションを合計して全体を構成します。舵軸の長端と短端の外面に2mmの余裕を加え、すべての内面に0.5mmの余裕を加えます。微細加工の基準として、舵軸の表面に0.1mmの深さの「U」字型の基準線を追加します。舵軸の構造特性と成形方向に応じて、舵軸の長端の底部にソリッド加工サポートが追加されます。ソリッドの厚さは20mmで、ソリッドに複数のダイヤモンド形の中空サポートが追加され、成形効率と粉末の利用率が向上します。

舵軸断面構造図

ステップ 2: スライスファイルを準備する 処理された部品モデルをMagicsスライスソフトウェアにインポートし、EOS M290を成形プラットフォームとして選択し、部品をプラットフォームの対角位置に配置して、モデルエラーを修復し、吊り下げられた部品にブロック、リブ、円筒形サポート構造を追加します。ブロックサポートのサイズは6mm×6mm、間隔は0.6mm、リブサポートの厚さは0.3mm、間隔は0.5mm、円筒形サポートの直径は2mmです。部品とサポートをスライスし、GH4169 成形パラメータ、レーザー出力 300W、スキャン速度 950mm/s、スキャン間隔 0.11mm を選択し、スライスファイルを保存します。

サポート構造図

ステップ3: 原材料の準備 成形品の高さに応じてGH4169合金粉末100kgを用意し、120℃で2～4時間真空乾燥させ、乾燥後に200メッシュのふるいで粉末をふるい分けます。

ステップ4: 基板の準備 基板表面は機械加工され、その後サンドブラスト処理されます。基板の表面粗さと平坦度は、使用要件を満たす必要があります。

ステップ5: 印刷機器の準備 スライスしたファイルをEOS M290デバイスにインポートします。成形プラットフォーム、粉末供給システム、粉末収集システムを清掃します。処理済みのGH4169高温合金粉末を粉末供給システムに追加し、アルコールで基板をきれいに拭き、基板を取り付け、基板の周りのネジを締め、操作手順に従って基板を水平にして粉末拡散テストを実行し、圧縮空気と液体アルゴンをオンにして、成形キャビティ内の酸素含有量が0.1％未満になるまで成形キャビティを洗浄します。

ステップ 6: ラピッドプロトタイピング 準備作業が完了したら、機器の成形室を開いて清掃します。成形室内の酸素含有量が0.1％を下回ったら、循環ファンをオンにして風速を4.8に調整します。要件が満たされたら、開始ボタンをクリックして印刷を開始します。成形プロセス中、部品の成形高さや部品の状態などのプロセスパラメータが 60 分ごとに記録されました。

ステップ 7: 後処理 印刷が完了したら、製品を取り出し、部品の表面とサポート内の残留粉末を清掃します。

ステップ8. 熱処理 部品を取り出した後、溶体化＋時効熱処理を施します。溶体化処理：960℃±10℃、2時間保温、空冷または急冷。時効処理：720℃±10℃、8時間保温、炉内を620℃まで冷却、その後620℃±10℃、8時間保温、空冷。

完成したブランク
ステップ9: ワイヤーカット 形成された基板の表面に沿ってワイヤーカットを行い、部品を基板から分離して部品を除去します。

ステップ 10: ウォータージェット切断 ウォータージェット切断法は、部品の底部にあるダイヤモンド形の中空固体支持構造を除去するために使用されます。

ステップ 11: 二次後処理 部品から余分なグリッドとリブサポートを除去し、部品の表面のバリや欠陥を研磨し、部品をサンドブラストし、表面のほこりを清掃し、層間線を除去します。

ステップ12: 特別検査 部品の表面と内部に亀裂、空隙、未溶融欠陥がないことを確認するために、部品に対して X 線検査と蛍光検査を実行します。

ステップ 13: 仕上げ 部品設計図に従い、舵軸表面の周囲の基準線に基づいて舵軸を細かく加工し、最終製品を得ます。

金属3Dプリントで製造された特殊形状舵軸の全体構造加工計画は、積層造形技術の高い柔軟性と迅速な応答性を十分に活用しています。合理的なプロセスサポート構造と配置により、特殊形状舵軸の一体成形が実現されています。部品の強度と可塑性は従来の製造プロセスをはるかに上回り、製造プロセスを簡素化し、生産効率を向上させます。従来の製造プロセスと比較して、ラピッドプロトタイピングによる一体型ラダーシャフト製品の生産サイクルは 50% 短縮され、材料利用率は 30% 向上し、加工コストは 30% 削減され、特定の種類の航空機の独立した開発ニーズを効果的に確保します。

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