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激光聯盟

西班牙納瓦拉公立大學和西班牙巴斯克研究與技術聯盟(BRTA)科研人員報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)先進的模具系統，并在航空零件的錨固和制造過程中安裝傳感器進行實時監(jiān)測和控制。在模具生產中利用增材制造技術可在制造靈活性和材料使用方面產生效益。這些概念將傳統的工具系統轉變?yōu)橹鲃邮街悄芄ぞ�，改善了制造工藝和零件質量。集成傳感器可測量位移、濕度和溫度等變量，從而進行數據分析，并與精度誤差、達到的公差和表面光潔度等工藝質量變量相關聯。

除傳感器集成外，還選擇了定向能電弧熔絲沉積(DED-arc)增材制造技術進行部件制造。研究內容包括材料的機械特性以及通過定向能電弧制造后材料的顯微組織。“為增材制造而設計”的原則指導設計過程，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行實時監(jiān)測和控制。第一步，在規(guī)定的±0.15公差范圍內進行變形監(jiān)測，從而在炮塔中建立控制點。未來對傳感器數據的分析將有助于建立與工藝質量變量的相關性。值得注意的是，應用DED技術后的優(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結構制造夾具，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量。這項研究有助于為航空應用開發(fā)智能高效的工具系統。

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計。

圖 3采用 DED 技術制造的鋁合金單壁宏觀結構。

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面（b）炮塔在拉伸和壓縮驗證試驗中的情況。

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有關框架設計和建模的信息：(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基于云的軟件應用程序截圖。(a) 控制面板屏幕和(b)數據屏幕。

本文研究了增材制造設計（DfAM）在航空零件傳感器模具中的應用。DfAM 需要全面掌握增材制造工藝和技術。每種增材制造技術都具有獨特的能力和局限性，因此必須深入了解所選方法，以確保有效的設計策略。對材料進行細致的表征（包括機械性能和顯微組織完整性）是增材制造技術的重要組成部分。這種了解使設計人員能夠做出正確選擇，為增材制造優(yōu)化設計。與此同時，對增材制造參數的細致考慮，直至逐層生長，也是至關重要的。選擇適當的層路徑可確保成功沉積，從而促進有利的制造結果。

DfAM充分利用了增材制造技術的獨特功能，使設計人員能夠利用其優(yōu)勢來增強設計或減輕重量。通過利用增材制造的固有優(yōu)勢，可以優(yōu)化設計，這是傳統制造途徑無法實現的。值得注意的是，DfAM工藝與確保理想零件結構的重要制造測試相吻合。通過對增材制造的深入了解，設計可以選擇合適的測試程序和評估基準。這一迭代過程對設計和制造參數進行微調，最終形成高質量的功能部件。

本研究側重于基于氣體金屬弧焊（GMAW）的DED電弧技術，以制造炮塔結構，這凸顯了其多方面的復雜性。作為材料的鋁合金為制造過程提供了支持。安裝傳感器實時提供數據，以便做出正確決策，這有助于航空領域部件的正確定位。材料表征顯示出一致的機械性能，使合金適合其預期應用。

此外，這項研究還擴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鋁型材取代傳統的剛性框架，并以有限元建模為基礎。在夾具中安裝傳感器可增強監(jiān)測能力，實現實時數據采集、操作員輔助和歷史分析。這項研究成功地展示了傳感器網絡和基于云的軟件如何有助于實時數據收集、參數可視化和系統監(jiān)控。

最終，這種整體方法不僅推進了DfAM 方法，還展示了增材制造和航空零件制造領域中技術、設計、材料和工藝優(yōu)化之間錯綜復雜的相互作用。


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