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3D新聞

3D打印技術SLM制造航空發動機零件應用研究

星之球激光 來源:天工社2014-08-18 我要評論(0 )   

在航空航天領域,經常會使用燃氣渦輪發動機產生推力。雖然理論上內燃機的結構很簡單,主要由壓縮機、燃燒室和渦輪機組成。但在實踐中,作為飛機和火箭的發動機,這些部...

       在航空航天領域,經常會使用燃氣渦輪發動機產生推力。雖然理論上內燃機的結構很簡單,主要由壓縮機、燃燒室和渦輪機組成。但在實踐中,作為飛機和火箭的發動機,這些部件必須經過精心設計和使用昂貴的材料,實際在運行中能夠承受高溫高壓。

燃燒室將少量空氣鼓入混合區,在這里有噴射進來并燃燒的霧化燃油。一秒鐘之內,更多更冷的空氣流通過外襯套孔進來,沿著腔室壁將溫度降低至與渦輪機入口匹配的水平。

燃燒室的效能如何主要依賴于它的設計、其表面粗糙度、以及其材料和機械性能。通常來說,燃燒室襯套的制造要花5?8個月時間制造。總而言之,可能需要超過25個環節才能組裝出每個燃燒室,每個燃燒室由六個單獨的零部件組成的。

每個零部件都使用很薄(0.8/1毫米厚)的耐高溫合金連續沖裁、切割成一定尺寸、熱壓和手工釬焊,然后進行表面拋光和最后檢查。燃油噴嘴、旋流器和湍流生成裝置等通常在后面的階段才焊接。這需要合格的人力去操作和安裝,設置平臺和操作每個子部件。

由于受到成本和時間的限時,現有的制造技術所涉及的環節是有限的,所以很難制造出很復雜的零部件。現在,由于3D打印的靈活性,能夠一步完成所有的制造過程。美國宇航局(NASA)、歐洲空間局和GE公司都已經正式將3D打印技術用于制造高附加值的零部件,比如火箭的燃料噴嘴。還有一些私營公司和公共研究機構正在嘗試使用各種增材制造技術制造完整的發動機,比如冷噴技術、直接激光熔融(DLM),同時使用的是市場上現有的金屬粉末材料。

在粉末床上使用選擇性激光熔融(SLM)技術,燃氣渦輪發動機的燃燒室只需要45—65小時即可完成。 此外,通過反直覺重新設計,以提高燃燒效率,可以更容易地制造和進行臺架實驗,有可能使用定制或外界的粉末。因其固有的高分辨率(可達0.1mm)和其低表面粗糙度(Ra <7 / 8um),SLM技術非常適合這方面的應用。相應地電子束熔融技術的表面粗糙度就高了一點,其典型的Ra ≥40/ 50um。

就發動機燃燒室這個案例來說,SLM可以用來進行測試一次性的新穎設計或制造備件用于維修。此外,基于粉末床的SLM技術也可以作為一種可靠的生產工藝去制造非常規或難以制造的設計。

SLM制造的零部件仍然需要進行后處理:切割掉打印他們時使用的基材、除去支撐、清洗掉粉末和表面后處理。當然,在CAD設計時可以考慮到后處理的需要,以減少不必要的支撐結構,或者在關鍵部分限制使用支撐。此外,了解零部件如何才能高效運轉是至關重要的。 例如,燃燒室內壁表面粗糙度的增加可以使空氣流可更高效地冷卻外襯套。而臺架實驗實際上是比建模和仿真(需要6個月)更便宜和更快的方法,因為當Ra> 3 / 5um時,其空氣熱動力學運動是不可預知的。

因此,如果需要的話,就算加上表面后處理,比如高品質的超聲波研磨(最終Ra <0.05um)3D打印仍然是一個時間上和經濟上可行的解決方案。由于可以進行臺架實驗,因此一個完整的燃燒室設計所需的仿真、制造模具時間(6個月)可以完全淘汰。

因此,讓我們計算一下,使用SLM技術制造一個燃燒室,如果使用耐高溫鎳基合金粉末(每100公斤80—100美元)和大型SLM生產設備,如EOS M400(市場價140萬歐元)或Concept Xline 1000R(市場價150萬歐元),氬惰性氣體(每8瓶500—1000美元),仍然要比傳統的制造方式便宜20?30%。

綜上所述,在燃氣渦輪發動機燃燒室的制造中使用選擇性激光熔融(SLM)技術要比傳統制造方式縮短超過5個月的生產周期和節省高達30%的制造成本。而這只是在制造階段,在設計和原型階段使用該技術可以加快零部件設計的迭代,同樣可以大幅降低成本和減少時間。

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