航空裝備電弧熔絲增材制造技術發展及路線規劃圖
航空制造業作為高端技術密集型產業,一直代表著世界各國制造業的發展方向,是一個國家制造業實力和國防工業現代化水平的綜合體現。航空航天高端裝備具有結構復雜、制備工序多、批量小等特點，隨著大飛機、航空發動機、新一代運載火箭等不斷發展，航空航天典型構件產品結構趨向復雜化、大型化，新材料不斷涌現，傳統鍛造、鍛造結合機械加工的制造方法越來越難以滿足上述制造需求，而增材制造技術能夠較好地解決此類問題。
增材制造技術誕生于20世紀80年代末，是一種新型、極具潛力的先進制造技術。增材制造技術從零件的三維CAD模型出發，無需模具即可實現復雜結構金屬構件的材料-結構一體化近凈成形，為航空裝備高性能構件的設計與制造提供新的工藝技術途徑。
增材制造的能量源主要有激光、電子束和電弧，原料分為金屬材料和高分子材料，形式有粉末、液體及絲材。航空航天高端裝備高載荷、極端耐熱、超輕量化和高可靠性的特性決定了金屬材料增材制造將成為航空航天領域重點發展方向。目前，在航空航天領域應用較為廣泛的金屬增材制造工藝主要有激光選區熔化技術（SLM）、激光熔化沉積技術（LMD）、電子束選區熔化技術（EBM）、電子束定向能量沉積技術（EB-DED）、電弧熔絲增材制造技術（WAAM）。WAAM是一種金屬材料近凈成形制造技術，該技術被歐洲航天局視為一種低能耗、可持續的綠色環保制造技術；近年來，隨著增材制造技術向高效率、低成本的方向發展，WAAM越來越受到國內外航空航天工業的重視。
航空裝備WAAM成形關鍵共性技術
1. WAAM用高品質絲材制備技術
WAAM成形所需原材料絲材的直徑受送絲機構的導絲嘴口徑限制。WAAM技術制備航空航天領域用大型構件需要使用同牌號的原材料絲材以確保構件的性能，現階段航空裝備中適用于WAAM技術成形的目標零件所用材料為難變形材料，如ZL114A鋁合金、TiAl金屬間化合物、A-100超高強度鋼等均存在變形抗力大、加工硬化率高、伸長率低及室溫難以變形的問題，采用常規加工方法減徑制備出直徑φ0.8~1.6 mm的絲材具有較大的技術難度，如何實現高品質、細規格及滿足自動送絲系統使用要求的絲材制備是WAAM技術制備航空裝備高性能零件的前提。
2. WAAM技術專用絲材的成分設計及新材料開發
WAAM增材過程中熱源產生的溫度非常高，如TIG電弧最高溫度達到8000 K，而PAW電弧最高溫度則達到24000 K。原材料絲材中的低沸點元素在高溫作用下發生揮發，造成元素燒損，導致成形構件的低沸點元素偏低、化學成分不合格，從而嚴重影響構件的各項性能，嚴重時造成構件報廢。因此，為獲得高質量的WAAM增材構件，需對原材料絲材進行成分設計及優化，開發出適用于WAAM技術專用的直徑φ1.2~1.6 mm的絲材。中國航發北京航空材料研究院3D打印研究與工程技術中心針對航空裝備中常用Al-Mg系、Al-Si系鋁合金及TC11合金進行成分設計、優化，開發出WAAM增材專用Al-Mg-Sc系、Al-Si-Sc-Zr系鋁合金絲材和高Al、O元素含量的TC11合金絲材。
3. 針對WAAM技術的路徑規劃軟件開發
電弧熔絲增材制造技術雖然具有其獨特的優越性，但在實際生產中存在兩個問題：弧坑塌陷導致的形狀誤差和過高的表面粗糙度。解決以上問題的主要方法則是依賴于路徑規劃方式的優化，路徑規劃方式的不同會對零件的幾何形狀精度、表面焊接質量、內部的顯微組織和成形效率等因素造成影響�，F有的增材制造模型分層切片方法主要有光柵掃描式、輪廓偏移式及分型線路徑填充方式，上述路徑規劃方式均是基于單一路徑規劃方式的分析，但由于WAAM成形實際零件的結構復雜性，單一的路徑規劃方式往往不能起到很好的效果，故開發WAAM技術專用的路徑規劃軟件成為新的研究重點。Ding等針對WAAM成形大尺寸、復雜形狀的零件，提出了一種自動生成最優路徑的算法。該算法首先基于分而治之的策略將二維幾何圖形分解成一組凸面多邊形，然后，針對每個凸面多邊形，識別出最優的掃描方向，并結合鋸齒和輪廓模式策略生成連續的掃描路徑。最后，所有單獨的子路徑連接起來形成一條閉合曲線。該算法自動生成的掃描路徑不僅滿足了WAAM的設計要求，還能獲得表面精度更高的成形構件。黃無云開展WAAM增材技術的路徑規劃GUI設計軟件研究，設計了一款能夠將工藝參數與模型設計相結合的路徑規劃軟件，滿足WAAM增材技術的多元化設計需求。
4. WAAM成形過程中在線監控與反饋控制技術
研究表明，WAAM成形過程中氣孔、開裂、變形及未熔合等冶金缺陷嚴重影響構件的成形質量，冶金缺陷的產生與熔池形態不穩定和溫度不均勻分布密切相關。因此，采用視覺傳感、紅外測溫傳感、電參數傳感等對溫度、熔池形狀以及電弧弧長等進行實時監控，進一步設計調控策略，及時調控成形工藝與過程是現階段提高制造精度、確保成形件質量的重要手段。Wu等分別采用熱電偶和紅外高溫計對GTAW電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金過程的基板與層間溫度進行測量。結果表明：隨著沉積層數的增加，基板溫度和層間溫度存在一定的差異，基板溫度快速升高至一定溫度后趨于平緩，而層間溫度則會持續增加對材料成形的穩定性造成影響�；趯娱g溫度的變化，分析熱積累對成形時電弧形狀和熔滴過渡行為的影響，為準確使用層間溫度對WAAM成形工藝優化和控制提供了一定的參考價值。呂飛閱等采用高速攝像儀觀察了電弧熔絲增材制造過程中電弧形態及熔滴過渡行為，分析了在不同工藝參數下熔滴過渡頻率及熔滴尺寸變化規律，發現電弧寬度與洛倫茲力決定熔滴在電弧放電過程中的受力大小，進而決定熔滴尺寸及其過渡頻率。Ouyang等設計了基于TIG增材制造系統的弧長監控系統，該系統采用CCD視覺傳感監控電弧長度，通過調整Z軸的高度實現弧長控制并在沉積過程中調節電弧電流。
WAAM 成形鋁合金構件（a）鋁合金翼肋版;（b）燃料貯箱;（c）艙段件。
航空裝備WAAM成形技術發展路線規劃圖
圖1按照技術成熟度給出了現在至2035年航空裝備WAAM成形技術發展路線規劃圖。
圖1 航空裝備WAAM成形技術發展路線規劃圖
結束語
WAAM是一種基于傳統的電弧熔絲堆焊的增材制造技術，通過計算機系統實現機器人與操作平臺的協同調控，具有沉積效率高、材料利用率高、制備周期短、低成本、柔性高效等特點，在航空高端武器裝備制造上顯示了巨大發展潛力和重要的應用前景。
相較于目前發展較快的激光選區熔化技術，WAAM技術在航空裝備上實現工程化應用還有一定距離，需要國內外不同學科背景的科研團隊共同研究，突破現階段WAAM技術面臨的專用材料創新不足、路徑規劃軟件單一、成形過程在線監控及反饋控制不智能等技術瓶頸，建立WAAM成形大型、中等復雜金屬構件的尺寸精度—微觀組織-力學性能-質量檢測與分析的全流程工藝數據庫，實現金屬構件精準“控形/控性”。
隨著關鍵技術的突破，專用材料的開發、智能裝備、工藝及軟件的制造能力的提升，WAAM技術有望在航空裝備領域大型、中等復雜鋁合金、鈦合金結構件的制造中得到快速和廣泛的應用。
(責任編輯：admin)
Fabric8Labs推出AI芯片定
Titomic又一合作，將與nuF
荷蘭公司將開設3D打印船舶
Chicago Additive推出AMOS
590MHz帶寬+超90%輻射效率
威斯康星大學麥迪遜分校工
突破性生物3D打印
迪拜LEAP 71公司
3D生物打印構建內
《Small Science
南洋理工-劍橋大
清華大學：抗拉強
