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透过火箭燃料箱增材制造挑战,理解智能控制技术的价值

     多年来 ,粉末床激光选区熔融 (L-PBF) 金属增材制造已从关键应用的原型设计发展到批量生产,并不断面临生产更复杂的几何形状、 满足更高的质量要求及产量需求的挑战。为应对这些挑战,业界不仅需要创新的机器硬件,而且需要改进曝光策略并引入新的软件功能。

      在过去,工艺监测主要用于识别成型过程中的中断问题,然后将其与零部件特性相关联。这些数据还可用于改进工艺参数或零部件方向,以便进行零部件成型的下一次迭代。

如今,工业级增材制造设备企业EOS的成型控制软件—Smart Fusion闭环智能熔融技术将工艺监测提升到了全新水平。近日,EOS 在《Smart Fusion实践指南》中揭示了这一技术。

EOS_L-PBF© EOS

block Smart Fusion技术工作原理

    Smart Fusion 软件使用来自EOSTATE Exposure 光学断层扫描 (OT) 监控系统的图像来确定最佳能量输入,从而管理零部件的热特性。Smart Fusion 闭环智能熔融技术可用于生成此前无法成型的几何形状 ,从而明显改善成型能力,且不会对成型时间和材料特性产生任何负面影响。此外 ,Smart Fusion 可以显著减少支撑结构 ,从而缩短成型时间、 后处理时间并减少材料浪费 ,使基于LPBF 工艺的直接金属激光熔融(DMLS) 增材制造技术更具可持续性。

      EOSTATE Exposure OT 可⽤于监测零部件每⼀层的热⾏为。然后,控制器会确定维持均匀热分布所需的激光功率校正因⼦。在下⼀层中,会考虑这些校正因⼦,并相应地调整激光功率。这⼀过程将以约100 µm的极⾼光学分辨率逐层重复。因此,获得正确零部件所需的迭代次数将减少到1,并且能够尽可能减少⽀撑结构。

EOS_L-PBF_1

block 案例

零部件的一般信息及挑战

EOS Smart Fusion 闭环智能熔融技术实现工艺改进的典型案例之一是在 EOS M 300-4 金属增材制造系统中用Ti6Al4V钛合金生产Launcher火箭燃料箱。

该燃料箱是航天器推进系统的关键组件,用于储存推动航天器进入太空的燃料。为进入太空,需要使用八个燃料箱为轨道卫星运载 工具和平台提供燃料。图1显示了通过EOS 技术增材制造的燃料箱模型以及连接在 EOS M 300-4 成型基板上的成型零部件。

EOS_L-PBF_2图1. Launcher燃料箱:增材制造模型、 3D打印零部件和带有切割盖的成品零部件。

该零部件的成型主要面临两个挑战:燃料箱盖具有10°- 0° 的悬垂角度,以及需要尽可能少地使用支撑结构来生产该零部件。必须在满足所有功能要求的同时解决这两个挑战 。该燃料箱的直径为290mm,高度为400mm ,需要利用 EOS M 300-4 增材制造系统的全部成型空间。

其壁厚小于3mm,在变形和几何精度方面十分具有挑战性。

图2 显示了该燃料箱的内部截面-无支撑结构的悬垂部分以黄色 ( 10 度) 和红色 (0 度)高亮显示。

EOS_L-PBF_3图2 Launcher 燃料箱的横截面视图 – 查看盖子的内部。黄色表示燃料箱的 10 度悬垂部分 ,红色表示燃料箱的 0 度闭合部分。

block 成型工艺

EOS 的Smart Fusion 闭环智能融合工艺改进了热管理,可在不产生人为延迟的情况下生产燃料箱 , 并且可以构建无支撑的10°-0 ° 悬垂部分 , 而标准工艺只能构建30至40度的悬垂部分且在照射期间会产生额外的处理延迟。该燃料箱的支撑结构只是为了将其固定在基板上。

测试结果显示,其表面光洁度均匀,没有开放的表面孔隙且几何形状稳定 , 如图3所示。

EOS_L-PBF_4图3. 燃料箱的内壁表面和横截面。

Smart Fusion 闭环智能熔融是全新的增材制造解决方案,可解决工程师和业界所面临的多种挑战。借助该技术,工程师能够构建难以成型的几何形状、减少浪费并提高成品质量。这项新技术将在未来得到进一步发展、为行业带来更大便利,并使工程师能够创造出更加创新和复杂的设计。

→ 构建难以成型的几何形状

借助Smart Fusion,工程师能够设计和制造具有复杂几何设计的零部件 ,例如极端的悬垂结构、 极薄的内壁或圆顶结构 ,从而开辟全新的应用领域。

→ 对成型时间没有负面影响

与其他解决方案不同,Smart Fusion不会影响成型时间。Smart Fusion 不会产生额外的等待或冷却时间。

→ 提高机器利用率

Smart Fusion 减少了对支撑结构的需求,从而提高了机器利用率, 可以更高效地利用资源并降低生产成本。

→ 减少浪费

通过减少对支撑结构的需求,Smart Fusion 还减少了制造过程中产生的废物量,既环保又具有成本效益。

→ 灵活设计

借助 Smart Fusion,工程师可以更加灵活地进行设计。这意味着可以针对更多应用开展生产制造并实现积极的业务案例,同时可以在不改变设计的情况下使更多传 统应用变得更加可行。

→ 缩短产品上市时间

Smart Fusion 包含自动化功能,可帮助工程师更快地找到正确的参数 , 从而缩短 新产品的上市时间,这对于需要保持竞争力的企业而言至关重要。

→ 降低单件成本

(CPP) 使增材制造对于供应链整合更具吸引力。该技术因此将在制造业中得到更广泛的采用和更广泛的使用。

(责任编辑:admin)