一体化叶盘+智能生长的点阵+成本仿真,洞见ACAM赋能正向创新!

如果说技术是驱动人们追求美好生活的最强动力,那么位于德国亚琛的亚琛增材制造中心(ACAM)正是这样的美好使者,通过正向创新赋能价值创造,在全球范围内为制造企业提供欧洲领先科研机构多年来积累的增材制造专业技术,并通过社区、联合研发、以及专业教育服务,帮助企业应对增材制造技术在应用中的挑战。

基于上一篇《Insights l 整体叶盘与锻造+3D打印混合制造,洞见亚琛ACAM深度赋能正向创新》,本期,3D科学谷继续介绍ACAM-亚琛增材制造中心的部分研发成果,以此来感受ACAM-亚琛增材制造中心为增材制造技术在制造中应用落地所开辟的“快车道”。

ACAM_1亚琛增材制造中心

block 通过正向创新赋能价值创造的ACAM

block 面向下一代的一体化叶盘

在全球化和环保意识时代,欧洲航空业面临许多挑战。除了提供安全的旅客出行和实现可持续性发展以及保护环境等目的外,《欧洲Flightpath 2050航空愿景》还提出“欧洲将通过战略性旗舰项目和计划,涵盖从基础研究到全面演示的整个创新过程。”

考虑到这一目标,ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员,来自亚琛工业大学数字化增材生产DAP的涡轮机械专家与Fraunhofer弗劳恩霍夫生产技术研究所IPT合作为航空部门开发可持续的新方法和工具。

创新的发动机概念直接带来资源的节约,通常与复杂的设计和几何形状并驾齐驱,这对传统的制造方法提出了挑战。亚琛的专家仔细研究了一体化叶盘(BLISK)制造的过程链,特别是将增材制造技术激光粉末床熔化(LPBF)作为一种有前途的替代制造方法。

整体叶盘

ACAM_Blade Disk整体叶盘。来源:ACAM亚琛增材制造中心

ACAM_2使用铣削对增材制造的BLISK进行后处理©Fraunhofer IPT。来源:ACAM亚琛增材制造中心

一体化叶盘由镍基超级合金IN 718制成,这种材料很难加工,因此通过原来的铣削加工制造叶片轮廓非常耗时且耗费成本。在激光粉末床熔化(LPBF)金属3D打印加工过程中,通过一层一层地熔化金属粉末,研究人员成功地为叶盘开发了LPBF制造工艺,结果,他们以接近最终形状的轮廓制造了叶盘,尤其是叶片轮廓,从而大大减少了要去除的材料。

此外,他们应用了点阵晶格结构来支撑构建过程中的部件,不仅仅使得后期需要去除的材料显著减少,并且避免了铣削过程中的振动。那些点阵晶格结构由于密度低而可以不费力地去除。ACAM跨学科团队的合作,发展了不同领域专家的专业知识,并确保创新解决方案的发展以应对未来的航空挑战。

block 智能生长的点阵结构

通过激光粉末床熔化(LPBF)增材制造的晶格结构不仅坚固,同时又减轻了重量。不过晶格结构的生成通常需要根据特定应用适应性而进行复杂的设计工作步骤。

为了实现高效,创新的替代方案,ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员亚琛工业大学(RWTH Aachen University)数字增材制造DAP、ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员Fraunhofer弗劳恩霍夫激光技术ILT,ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员Fraunhofer弗劳恩霍夫工业技术研究所IPT以及EXAPT Systemtechnik公司和ModuleWorks公司组成了由BMBF资助的专家团队,成功地开发了智能增长的点阵晶格结构,该结构几乎自动生成,并考虑了材料和机器的特定属性,负载类型和生产限制。

智能点阵

ACAM_3制造的组件展示了智能晶格结构的应用。(c)RWTH DAP

该方法的关键是一种算法,该算法可作为CAD软件智能生成晶格结构的基础。

在第一步中,将几何体积的处理区域划分为多个层。在第二步骤中,这些层通过支柱连接。结果,可以将各个参数应用于每个单独的层以及这些层之间的每个支柱。这意味着该算法允许晶格结构不遵循规则的模式,而是采取任何可自由定义的形状,并分别适应组件体积的外壳。使用这种算法,将来也可以为自由形状的几何体提供智能的点阵结构。

block 虚拟模块仿真

在过去的二十年中,选区激光熔化粉末床金属3D打印技术(LPBF)一直在发展,并成为潜在的批量生产解决方案。

关于增材制造技术的成本,根据欧洲机床工具协会的统计,目前金属增材制造的成本可分为四个构成部分,直接构建成本占40%,粉末材料成本占27%,后处理成本占25%,人工成本占8%。

可以说3D打印要实现更大规模的产业化,设备与材料的价格都需要进一步降低到更为合理的水平。而就设备的发展趋势来看,模块化是选区激光熔化粉末床金属3D打印设备的发展趋势,而模块化的选项如何与成本计算建立有效的对应关系?这是困扰业界的难题。ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员亚琛工业大学数字增材生产DAP的研究人员开发了一种用于LPBF模块化加工仿真计算的创新方法。

在产业化的工业应用中,经济性以及高效率是最重要的发展目标之一。因此,选区激光熔化粉末床金属3D打印技术LPBF设备供应商提供模块化和可扩展的机器设计以及辅助系统是趋势所向。

用户可以根据自己的需要对其所需要的设备进行单独配置。3D科学谷发现这从直观层面带来两方面的节约,一方面节约设备厂商专门开发专用设备的努力,另一方面通过模块化的组合方式,带来经济性以及高效率的发展通道。

但是这些模块以哪种方式对流程链效率产生积极影响?考虑到成本效率,哪些模块最适合给定的用户需求?当前的成本计算工具无法可靠地回答这些问题,尤其是当涉及到模块化系统或混合批次时,成本效率的计算偏差最高可达30%。

因此,ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员亚琛工业大学数字增材生产DAP的研究人员最近开发了一种用于选区激光熔化粉末床金属3D打印LPBF技术的成本计算的创新方法:虚拟模块仿真器方法。

虚拟模块仿真

ACAM_4探究成本与制造的关系。(c)RWTH DAP

虚拟模块仿真器方法使得系统供应商和系统运营商都可以就经济效益和系统模块化程度(用于最佳组合产品的生产)做出可靠的陈述。

根据3D科学谷的市场观察,该方法已集成到整个LPBF数字工艺链中。过程控制由面向服务的体系结构(SOA)中的各个模块实例实现,可以多态实现以对不同的模块行为进行基准测试。此外,可以通过使用参数集对模块进行参数设置。

ACAM_5机器仿真器的体系结构,接口,环境和组件。此UML组件图显示了仿真器的内部组件。(c)RWTH DAP

仿真器计算的构建时间可以通过逐层比较与在双激光LPBF机器上执行的九个实际构建作业的日志时间戳进行验证。该模型的平均绝对百分比误差(MAPE)达到0.28%,相对于一般具有8.2%MAPE3的回归模型而言,有很大的改进。

逐层分析显示平均偏差低于0.2%,标准偏差低于1%,从而几乎可以独立于几何图形预测构建时间。除了可靠的成本效益声明和系统模块化基准测试方法的优点外,几乎精确的构建时间预测还可以优化生产计划和机器利用率。

下一步是什么?将来,仿真研究将使用经过验证的机器模型来研究模型中的各种参数变化及其对制造场景中构建给定零件组合成本的影响。

该模型将能够预测不同机器改进的经济效益,并将此作为优化3D打印构建过程嵌套的工具。由于其OPC UA接口,它可以集成到未来的基于OPC UA的制造执行系统(MES)中,OPC UA 独立于制造商,应用可以用他通信,开发者可以用不同编程语言对他开发,不同的操作系统上可以对他支持。从而建立选区激光熔化粉末床金属3D打印技术的完整虚拟工厂。

这项研究是由德国联邦研究与教育部(BMBF)在行业合作伙伴,ACAM-亚琛增材制造中心的研发成员Fraunhofer弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT和亚琛工业大学RWTH亚琛工业大学DAP数码光子直接生产项目(13N13710)密切合作的框架下资助的。此外,这些研究结果是“汽车增材制造的工业化和数字化(IDAM)”的一部分,该项目也由宝马BMBF资助。

3D科学谷认为,该项目的意义在于将推动选区激光熔化粉末床金属3D打印技术走向对制造业具有经济性和市场吸引力的价格区间,并创造选区激光熔化粉末床金属3D打印设备走向专业化应用的灵活性。

其他案例方面,在ACAM亚琛增材制造中心与德国Kueppers Solutions GmbH(热加工技术领域企业)之间的密切合作下,成功实现的3D打印的工业燃气燃烧器混合装置的案例 。

作为成功合作的一部分,ACAM亚琛增材制造中心在混合装置的设计,模拟,合金选择和功能原型的生产方面为Kueppers Solutions GmbH提供了支持,这是ACAM通过增材制造赋能创新潜力的令人印象深刻的示例。

ACAM_63D打印的工业燃气燃烧器混合装置。来源:ACAM

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