航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復方法與流程

本發明涉及一種航空器損傷修復方法，特別涉及一種航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復方法。

背景技術：

航空器是指通過機身與空氣的相對運動(不是由空氣對地面產生的反作用)而獲得空氣動力升空飛行的任何機器，主要包括飛艇、飛機、滑翔機、旋翼機、直升機、撲翼機、傾轉旋翼機等。航空器的應用非常廣泛，在軍事上，可用于武器、反潛、運輸兵員；在民用上，可用于貨運、客運、農業、氣象、空中探測等。而航空器在長期服役過程中，其結構件通常會發生腐蝕、磨損等不同形式的損傷,尤其是在沿海地區和海島地區高鹽、高濕環境下，航空器極易出現鹽蝕、疲勞裂紋、摩擦磨損等常規損傷以及撞傷、破孔等非常規損傷，當此類情況發生時，在短時間內把航空器恢復到可執行任務的最佳狀態，可以確保任務執行的安全性和可靠性，因此對航空器結構件快速修復技術的基本要求是快速高效并適合在外場條件下使用。

基于增材制造的再制造技術，如激光熔覆，可通過按需定域添加修復材料實現損傷處的直接修復，相比常規的受損區域整體切割再以膠接、鉚接等工藝輔助的“減強度”處理方式，具有修復強度高、柔性高等優勢，是一種理想的零部件損傷快速修復方法。

文獻“Blown powder deposition of 4047aluminum on 2024aluminum substrates.Manufacturing Letters 7(2016):11-14.”公開了一種基于激光增材制造技術的2024鋁合金受損件修復方法，該方法使用對激光吸收率較高的特制4047鋁合金粉末作為修復原材料，首先通過專用送粉機構將4047鋁合金粉末輸送至待修復區域的2024鋁合金基體表面并鋪覆均勻，再通過激光燒結可以在基體表面形成一個熔池，然后不斷重復鋪粉與激光燒結的步驟，可以實現修復材料與基體材料間的重熔冶金結合。然而，目前基于激光增材制造技術的修復方法均需要高功率激光器和大型高能源設備的支持，占用空間較大，對外場應用環境的要求較為苛刻；另一方面，該方法需要以特制的金屬粉末作為修復原材料，故對補給的依靠較大，尤其是針對航空器中常用的鋁合金材料，其對激光反射率較高，且化學性質活潑，在使用激光增材制造對其進行修復時較困難，所以基于激光增材制造技術的修復方法在航空器外場快速修復的應用中具有諸多局限性。

技術實現要素：

為了克服現有航空器損傷修復方法實用性差的不足，本發明提供一種航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復方法。該方法具體步驟是金屬熔體在其內部壓力作用下，通過噴嘴噴射出單顆均勻的微米級金屬熔滴，并基于離散堆積原理，控制均勻金屬微熔滴按照指定軌跡的逐點、逐層定向堆積，進而完成受損金屬零件的快速修復成型。該修復方法無需大型能源設備，無需專用原材料，可實現包括活潑金屬在內的多材質受損件原位修復，且修復設備便攜，工序簡單，成本低廉，可完成航空器損傷的原位柔性快速修復，實用性強。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、采用噴砂工藝或酸堿腐蝕方法對航空器的待修復區域20進行預處理，去除表面的氧化層和雜質。

步驟二、通過真空吸盤2將金屬微滴噴射3D打印原位快速修復裝置吸附固定在航空器受損件1表面，調節快速鎖緊伸縮桿13、真空吸盤快速鎖緊萬向節3和伸縮桿快速鎖緊萬向節14，使得二維激光輪廓掃描儀19位于待修復區域20的正上方。

步驟三、二維激光輪廓掃描儀19配合X軸10或Y軸11的一維直線運動，獲得待修復區域20的三維輪廓數據，通過數據處理，獲得金屬微熔滴的沉積路徑控制程序與液滴沉積位置的定位信息。

步驟四、通過導軌15、伺服電機16、絲杠17和滑塊18的匹配工作使得金屬熔滴發生器8移動至航空器受損件1待修復區域20的正上方，完成工位的切換。

步驟五、通過X軸10與Y軸11的匹配運動，根據步驟三中獲得的液滴沉積位置定位信息，將噴嘴6對焦至初始液滴的沉積位置，通過Z軸12運動使得噴嘴6距離待修復區域20表面10-15mm。

步驟六、通過柔性密封罩7將金屬熔滴發生器8與待修復區域20進行連通式包裹，再通過密封膠帶4對包裹的空間進行密封處理。

步驟七、根據航空器受損件1的基體材質，選擇金屬或者合金材料作為修復的原材料放入金屬熔滴發生器8中，并對金屬熔滴發生器8進行密封處理。

步驟八、通過氣閥5對步驟六中完成的密封空間進行抽氣處理，將其內部氣體完全抽空，再充滿99.999％的高純氬氣，保證其內部工作環境的氧氣含量和水汽含量均低于10PPM，即在噴嘴6與待修復區域20間形成一個局部密閉的低氧、低水工作環境，防止在修復過程中發生氧化現象，破壞修復精度。

步驟九、開啟金屬熔滴發生器8的內部加熱裝置，控制工藝參數，通過金屬熔滴發生器8按需噴射出金屬熔滴21，再按照步驟三中獲得的金屬微熔滴沉積路徑控制程序，配合X軸10、Y軸11和Z軸12的協調匹配三維運動，進行逐點、逐層修復成型，直至修復結束。

所述二維激光輪廓掃描儀19在掃描的過程中激光掃描直線長度一直大于該掃描方向上的待修復區域20的截面長度。

所述柔性密封罩7根據待修復區域20的實際尺寸做相應選取調整，且如果損傷已貫穿航空器受損件1，則需要同時對航空器受損件1的另一側做同樣的密封處理。

所述金屬熔滴發生器8內部加熱溫度需要根據實際修復材料確定，一方面需要保證將原材料進行完全熔化，另一方面仍需保證熔滴沉積過程中實現與基體材料間的微域重熔冶金結合。此外，金屬熔滴發生器噴8射出的熔滴尺寸需根據實際修復需要，進行噴嘴尺寸選擇與工藝參數匹配調控。

本發明的有益效果是：該方法具體步驟是金屬熔體在其內部壓力作用下，通過噴嘴噴射出單顆均勻的微米級金屬熔滴，并基于離散堆積原理，控制均勻金屬微熔滴按照指定軌跡的逐點、逐層定向堆積，進而完成受損金屬零件的快速修復成型。該修復方法無需大型能源設備，無需專用原材料，可實現包括活潑金屬在內的多材質受損件原位修復，且修復設備便攜，工序簡單，成本低廉，可完成航空器損傷的原位柔性快速修復，實用性強。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復方法用裝置示意圖。

圖2是本發明航空器損傷金屬微滴噴射3D打印原位快速修復方法快速修復過程示意圖。

圖中，1-航空器受損件；2-真空吸盤；3-真空吸盤快速鎖緊萬向節；4-密封膠帶；5-氣閥；6-噴嘴；7-柔性密封罩；8-金屬熔滴發生器；9-轉接支架；10-X軸；11-Y軸；12-Z軸；13-快速鎖緊伸縮桿；14-伸縮桿快速鎖緊萬向節；15-導軌；16-伺服電機；17-絲杠；18-滑塊；19-二維激光輪廓掃描儀；20-待修復區域；21-金屬熔滴。

具體實施方式

以下實施例參照圖1-2。

實施例1：大型運輸機7075鋁合金結構件表面腐蝕坑類損傷修復。

本實施例在應用時，首先使用噴砂工藝(或酸堿腐蝕方法)對大型運輸機航空器受損件1上的待修復區域20腐蝕坑進行預處理，去除其表面的氧化層與雜質，通過真空吸盤2將金屬微滴噴射3D打印原位快速修復裝置吸附固定在航空器受損件1表面，通過調節快速鎖緊伸縮桿13和相應的真空吸盤快速鎖緊萬向節3和伸縮桿快速鎖緊萬向節14，使得二維激光輪廓掃描儀19位于待修復區域20的正上方，然后采用二維激光輪廓掃描儀19配合X軸10或Y軸11的一維直線運動獲得待修復區域20腐蝕坑的三維輪廓數據，通過數據處理，獲得7075鋁合金微熔滴的沉積路徑控制程序，同時獲取初始金屬熔滴的沉積位置定位信息，然后通過伺服電機16控制絲杠17帶動滑塊18在導軌15上做線性運動，由于金屬熔滴發生器8與二維激光輪廓掃描儀19均安裝至轉接支架9上，且在安裝過程中保證兩者在導軌15軸線方向上具有具體的相對位置關系，故很容易通過導軌15、伺服電機16、絲杠17和滑塊18的匹配工作使得金屬熔滴發生器8移動至二維激光輪廓掃描儀19完成掃描工作時的原位置，便于實現兩個工位的切換，通過控制X軸10與Y軸11的協調匹配運動，使得噴嘴6定位對焦至控制程序設定的初始金屬熔滴沉積位置處，控制Z軸12運動使得噴嘴6移動至待修復區域20腐蝕坑表面上方10-15mm處，然后將市場供應態的7075鋁合金棒料進行適當切割處理，使其能夠放入金屬熔滴發生器8中，再對表面的氧化層和雜質進行處理，放入金屬熔滴發生器8中進行密封處理，使用柔性密封罩7和密封膠帶4將金屬熔滴發生器8與待修復表面20進行局部密封，通過氣閥5首先對此密封空間進行抽氣處理，并將其內部氣體完全抽空，然后通入99.999％的高純氬氣，開啟金屬熔滴發生器8的內部加熱，控制加熱溫度達到800℃至850℃，采用直徑400μm的噴嘴6進行噴射液滴，控制工藝參數使得噴射出的金屬熔滴21直徑在500±20μm，結合X軸10、Y軸11與Z軸12的協調匹配，完成待修復區域20腐蝕坑的金屬熔滴填充原位修復成型。

實施例2：小型無人機2024鋁合金蒙皮表面劃痕裂紋類損傷修復。

本實施例在應用時與實施例1的工藝過程基本相同，不同之處主要是由于應用對象是小型無人機，其體積較小，故無法使用真空吸盤2將整個金屬微滴噴射3D打印原位快速修復裝置吸附固定在小型無人機航空器受損件1的表面，此時可以將真空吸盤2更換為支撐座，然后通過快速鎖緊伸縮桿13的調節，使得整個修復裝置架空在小型無人機上方，其次在本實施例中采用的原材料為2024鋁合金，故需要對熔滴發生器內部的加熱溫度做出相應調整，對于2024鋁合金，通常需要控制加熱溫度達到750℃至800℃，此外，由于損傷的形式是表面劃痕裂紋類損傷，而該類損傷的特征尺寸通常較小，故需要使用分辨率更高的二維激光輪廓掃描儀19，同時需要使用尺寸更小的(200μm直徑)噴嘴6進行噴射沉積，控制工藝參數使得噴射出的液滴直徑在300±10μm，進而完成小型無人機2024鋁合金蒙皮表面劃痕裂紋類損傷修復。