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無需熔模鑄造,金屬3D打印怎樣生產(chǎn)高溫合金渦輪增壓器?

魔猴君  知識堂   1196天前

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從近年來技術(shù)發(fā)展的趨勢明顯可見,金屬增材制造正在部分替代精密鑄造技術(shù),成為制造復雜零部件的新方式。以賽車渦輪增壓器為例,該部件要求更復雜的幾何形狀、幾何特征和材質(zhì),熔模鑄造是以前唯一可用的方法。而基于選區(qū)激光熔化的3D打印技術(shù)為復雜渦輪增壓器的設(shè)計與制造帶來了全新的方式。本期,將分享的應用案例是一種3D打印高溫合金雙壁渦輪增壓器,其設(shè)計采用了雙壁結(jié)構(gòu),而這種復雜設(shè)計是無法通過傳統(tǒng)工藝加工出來的。GF 加工方案通過軟件、金屬3D打印和后處理設(shè)備,以及專利設(shè)計的System 3R夾具這三股平行工作流程,為復雜雙壁渦輪增壓器提供了從設(shè)計到成品交付的完整增材制造解決方案。

傳統(tǒng)熔模鑄造工藝生產(chǎn)的渦輪增壓器© GF加工方案

增材制造帶來全新圈速記錄

無論在賽道上還是在賽道外,速度才是致勝的關(guān)鍵,而風馳電掣的背后仰賴的是工程設(shè)計和制造的支持。

競爭日趨白熱化,零件的設(shè)計與制造也同樣面臨巨大的挑戰(zhàn)。以提速的首要裝備——渦輪增壓器為例,賽車領(lǐng)域的渦輪增壓器有極為復雜的形狀、幾何特征和材質(zhì)。

熔模鑄造是以前唯一可用的方法,但它的局限性也同樣明顯。

 熔模鑄造中存在的挑戰(zhàn)

 

賽車需要提升競爭力,必須在遵循簡潔設(shè)計的原則下使關(guān)鍵零件達到更高的性能,并且需要精確的平衡作用力,這就不可避免地需要頻繁變更設(shè)計,相應的也就需要一個靈活和高效的生產(chǎn)工藝,而這正是工藝繁雜的熔模鑄造是無法滿足的。工藝環(huán)節(jié)越多,出錯風險就越高,瑕疵產(chǎn)生機率越大,生產(chǎn)周期也更長。

要使渦輪增壓器高效率地工作,必須有效隔熱,用雙壁結(jié)構(gòu)形成空氣間隙,避免內(nèi)部的熱量傳遞到外殼,但是,雙壁結(jié)構(gòu)的問題是難以鑄造。

為了保持理想的工作壓力,需要通過兩個廢氣門來進行排氣,鑄造的方法是將主機殼、兩個廢氣門分開制造然后再進行后續(xù)組裝,這種方式顯著增加成本和重量。

發(fā)動機的減重是另一個挑戰(zhàn),賽車的平均設(shè)計時速超過200 km/h,減重可以大幅提升性能。

因此,所有零件的壁厚都要盡可能薄,以減輕發(fā)動機的重量,但是薄壁的鑄件強度又不足。

雖然鑄造工藝也可以成型許多復雜的內(nèi)部幾何特征或功能面,但是基本上制造周期都比較長。另外,一些形狀鑄造是無法成型的,比如封閉式腔體內(nèi)的幾何特征既無法用鑄造的方法成型,也無法在后續(xù)加工中成型。因此在前期設(shè)計渦輪增壓器時就會受到鑄造工藝的諸多限制。

熔模鑄造的工藝環(huán)節(jié)繁多,生產(chǎn)周期長。長則難以滿足賽車快節(jié)奏的要求。要進一步提升性能就需要使用更先進的技術(shù),才能使賽車創(chuàng)造全新的圈速記錄。

 增材制造帶來的新設(shè)計與性能提升

© GF加工方案

增材制造可以最大化的釋放設(shè)計自由,使之專注于零件的功能性,工程師在零件的設(shè)計中可以更接近理想的狀態(tài),并且可以突破工藝的限制將復雜的組件整合成一個完整的零件。

傳統(tǒng)制造此渦輪增壓器需要使用三個零件:主機殼和一側(cè)的兩個廢氣門。這兩個部件鑄造后,還需要焊接固定雙壁隔熱罩。如果使用增材制造技術(shù),則可將該渦輪增壓器設(shè)計為一個單件的零件,一體成型,廢氣門不需要密封墊或和組裝,而是直接打印一個完整的殼體。這可以大大簡化組裝操作,減輕重量。

© GF加工方案

此外,整合后的單件零件還能提高渦輪增壓器的整體可靠性。由于不需要加工公差嚴格的裝配面,因此,可以減少不同零件間可能發(fā)生的泄漏而導致的失效。通常,還可以改進雙壁結(jié)構(gòu)的薄厚,進一步減輕重量,同時可以隔熱,提高性能。

相比熔模鑄造方法,金屬3D打印生產(chǎn)的F1賽車零件為生產(chǎn)企業(yè)提供明顯的時間成本和制造成本的優(yōu)勢。越來越多的高端汽車制造商在生產(chǎn)中采用增材制造技術(shù)快速和可靠地實現(xiàn)了制造目標。


© GF加工方案

GF加工方案通過軟件、金屬3D打印及后處理設(shè)備,以及專利設(shè)計的System 3R夾具三股平行工作流,為渦輪增壓器提供從設(shè)計到成品交付的完整增材制造解決方案。

 如何突破精密鑄造工藝的挑戰(zhàn)?

高溫合金雙壁渦輪增壓器增材制造解決方案是由GF 加工方案 AMotion Center 應用中心(瑞士)針對用戶需求開發(fā)的。2020年,GF AMotion Center 上海應用中心成立,為中國制造業(yè)用戶推進增材制造應用,實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新提供技術(shù)先進解決方案的支持。

 


 文章來源:GF 加工方案

   
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