基于传感器增材制造的新型航空零件启发式模具概念

来源： 长三角G60激光联盟

西班牙纳瓦拉公立大学和西班牙巴斯克研究与技术联盟(BRTA)科研人员报道了基于传感器增材制造的新型航空零件启发式模具概念的研究。相关研究以“Novel sensorized additive manufacturing-based enlighted tooling concepts for aeronautical parts”为题发表在《Scientific Reports》上。

本文介绍了基于增材制造的轻型模具概念，旨在开发先进的模具系统，并在航空零件的锚固和制造过程中安装传感器进行实时监测和控制。在模具生产中利用增材制造技术可在制造灵活性和材料使用方面产生效益。这些概念将传统的工具系统转变为主动式智能工具，改善了制造工艺和零件质量。集成传感器可测量位移、湿度和温度等变量，从而进行数据分析，并与精度误差、达到的公差和表面光洁度等工艺质量变量相关联。

除传感器集成外，还选择了定向能电弧熔丝沉积(DED-arc)增材制造技术进行部件制造。研究内容包括材料的机械特性以及通过定向能电弧制造后材料的显微组织。“为增材制造而设计”的原则指导设计过程，以有效地利用DED-arc的能力。这些装有传感器的炮塔可以在变形和制造航空零件的过程中对炮塔变形进行实时监测和控制。第一步，在规定的±0.15公差范围内进行变形监测，从而在炮塔中建立控制点。未来对传感器数据的分析将有助于建立与工艺质量变量的相关性。值得注意的是，应用DED技术后的优化版炮塔仅重2.2千克，比原来的6千克版本轻很多。增材制造和使用轻质结构制造夹具，再加上传感器，可提供有效的信息和控制，提高工艺效率和零件质量。这项研究有助于为航空应用开发智能高效的工具系统。

图 1用于固定航空部件的夹具炮塔位置 (a) CAD 示例，(b) 以前的夹具解决方案和新的拟议解决方案。

图 2优化固定炮塔的流程设计。

图 3采用 DED 技术制造的铝合金单壁宏观结构。

图 4尺寸和限制：（a）炮塔的基本尺寸、轴向力、锚固限制和有限元分析的基准面（b）炮塔在拉伸和压缩验证试验中的情况。

图 5炮塔的增材制造：(a) 开始制造立柱，(b) 开始制造炮尾，(c) 制造顶板的最后一步，(d) 通过DED 并行制造的坯件。

图 6安装在测试台上的部件，用于0°方向的测试。

图 7有关框架设计和建模的信息：(a) 铝型材框架的初步方案，(b) 添加加固件和锚点的简化模型，(c) 框架所用型材的比较，(d) 铝型材的有限元模型。

图 8控制点在重力和荷载作用下的位移：(a) 初始模型，(b) 模型b底部的两个支撑，(c) 模型c顶部的加劲杆，(d) 模型d中b和c解决方案的组合。

图 9控制点在重力和荷载作用下的位移：(a) 初始模型，(b) 模型b底部的两个支撑，(c) 模型c顶部的加劲杆，(d) 模型d中b和c的组合方案。

图 10基于云的软件应用程序截图。(a) 控制面板屏幕和(b)数据屏幕。

本文研究了增材制造设计（DfAM）在航空零件传感器模具中的应用。DfAM 需要全面掌握增材制造工艺和技术。每种增材制造技术都具有独特的能力和局限性，因此必须深入了解所选方法，以确保有效的设计策略。对材料进行细致的表征（包括机械性能和显微组织完整性）是增材制造技术的重要组成部分。这种了解使设计人员能够做出正确选择，为增材制造优化设计。与此同时，对增材制造参数的细致考虑，直至逐层生长，也是至关重要的。选择适当的层路径可确保成功沉积，从而促进有利的制造结果。

DfAM充分利用了增材制造技术的独特功能，使设计人员能够利用其优势来增强设计或减轻重量。通过利用增材制造的固有优势，可以优化设计，这是传统制造途径无法实现的。值得注意的是，DfAM工艺与确保理想零件结构的重要制造测试相吻合。通过对增材制造的深入了解，设计可以选择合适的测试程序和评估基准。这一迭代过程对设计和制造参数进行微调，最终形成高质量的功能部件。

本研究侧重于基于气体金属弧焊（GMAW）的DED电弧技术，以制造炮塔结构，这凸显了其多方面的复杂性。作为材料的铝合金为制造过程提供了支持。安装传感器实时提供数据，以便做出正确决策，这有助于航空领域部件的正确定位。材料表征显示出一致的机械性能，使合金适合其预期应用。

此外，这项研究还扩展到将智能集成到航空部件的夹具中。所提出的方法以轻质铝型材取代传统的刚性框架，并以有限元建模为基础。在夹具中安装传感器可增强监测能力，实现实时数据采集、操作员辅助和历史分析。这项研究成功地展示了传感器网络和基于云的软件如何有助于实时数据收集、参数可视化和系统监控。

最终，这种整体方法不仅推进了DfAM 方法，还展示了增材制造和航空零件制造领域中技术、设计、材料和工艺优化之间错综复杂的相互作用。


论文链接：
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