利用工艺仿真与多激光粉床熔融技术制造涡轮排气外壳“H型部件”

GKN Aerospace、Ansys与Additive Industries开展合作，以展示他们在生产大型航空发动机组件领域的协作能力。H型部件是一种支持未来发动机平台的相关体系化应用技术开发的概念性应用，它是涡轮风扇发动机内涡轮排气外壳总成的一部分，并且已被确定为增材制造 (AM)潜在商业案例的备选产品。这样的组件有助于GKN Aerospace在整个制造业价值链中建立AM能力，且符合未来的发动机需求。

为了满足GKN Aerospace在质量和精度方面的要求，本次合作评估了Additive Industries大型框架MetalFAB1系统的全扫描区域多激光粉床熔融技术，以及Ansys的先进AM工艺仿真与几何补偿工具。此次三方合作范围涵盖了价值链的以下方面：

部件识别、工程要求、后处理、测试与检查

工艺标定、仿真、验证和生成补偿零件几何结构

支撑设计，利用搭载4台全场激光器的动态激光分配(DLA)工具进行加工准备，使用Metal1FAB1自动化AM系统生产零件

涡轮排气外壳H型部件

与单激光设备相比，H型部件组件作为一个商业案例更能体现增材的优势，可通过零件合并、减少用材并提高加工速度，但是从几何结构角度看，这是一项重大挑战。明显的材料悬垂、薄壁、从薄到厚的熔化区过渡以及整体零件尺寸，这些都使零件打印极具挑战。

AM组件将根据现有组件的典型几何要求进行基准测试，即所需的表面轮廓容差为 /-1mm。

Additive Industries生成了初始加工方案和支撑设计，并在本案例研究中使用了单个零件设置。Ansys使用这个初始设置作为输入，结合在之前标定流程中获得的各向同性固有应变值进行工艺仿真。为了验证这一初始分析，该零件在MetalFAB1上生产，随后由GKN Aerospace使用装有CMS108激光线扫描器的Hexagon Metrology Romer Arm进行扫描，以便与基准模型进行比较。

该过程证明了加工零件与仿真之间在变形的面积和幅度方面都具有良好的相关性，其中存在高达3mm的变形，远超零件所需的表面轮廓容差。

用于仿真的加工设置

使用补偿模型制造的H型部件

3D扫描结果与基准CAD模型比较（热处理后）

由于垂直法兰上出现的极端变形，在生成最终补偿模型进行生产之前，建立了二次迭代支撑设计。使用线切割前结果生成变形补偿几何结构，尽管仍然可以预测到叶片中部的较大变形，但是由于新的支撑臂限制了运动，垂直法兰上的变形减少。

H型部件在补偿前的总变形

方向变形（横向）还预测了变形线，这些变形线可能与在几何结构上部观察到的应力收缩线相关。收缩线也可以通过对新的支撑设计进行仿真来预测，但是收缩线的大小比设计迭代1要小得多。因此，补偿过程可以缩小收缩线的大小，使变形限定在特定的设计容差范围内。

补偿零件在MetalFAB1系统上生产，然后再次使用激光线扫描器进行扫描，以便与标称模型进行比较。将扫描结果与标称CAD模型进行比较，结果表明，现在加工的补偿零件符合 /-1mm容差要求。

自动粉末去除后，直接将H型部件从MetalFAB1交换模块中移除

3D扫描结果与基准CAD模型比较（最终零件）

该合作项目清晰地证明了多激光粉床熔融与工艺仿真结合后的强大功能，展示了提升大型航空航天组件几何精度所需的工作流程。

通过利用Additive Industries MetalFAB1系统的4激光全扫描区域功能，结合Ansys工艺仿真软件，可以使用最少的支撑和锚定特性在规定的航空航天容差范围内生产大型零件，这是无法通过其他方式实现的。该项目表明，工艺仿真方法及随后的几何补偿进一步解锁了批量生产大型航空航天零件的潜力。