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金屬3D打印如何克服核心部件制造的障礙?

導讀:隨著增材制造的不斷成熟和發(fā)展,一個明顯的趨勢是金屬增材制造在一些領域的重要性不斷增加。越來越多的原始設備制造商開始采用金屬增材制造技術,作為創(chuàng)建幾何形狀復雜的輕質(zhì)零件的一種方式,以至于該行業(yè)在未來10年內(nèi)的價值預計將達到185億美元。然而,這并不意味著金屬增材制造在生產(chǎn)上沒有挑戰(zhàn),特別是在涉及到關鍵的核心部件時。

在白皮書《Metal in Motion: Redefining CriticalParts Production with VELO3D/運動中的金屬:用Velo3D重新定義關鍵部件的生產(chǎn)》中,領先金屬3D打印機制造商Velo3D為航空航天等行業(yè)探討了先進的金屬增材制造如何用于關鍵核心部件的制造。也就是說,通過對微型渦輪機、高壓罐、熱交換器、靜態(tài)混合器和渦輪泵等部件的案例研究,他們介紹了如何通過金屬增材制造來克服常見的制造障礙。他們還通過Launcher、Sierra Turbines和其他公司的案例,深入探討Velo3D端到端解決方案的具體優(yōu)勢。我們看了一下,以更好地了解核心部件使用金屬3D打印的好處。

白皮書鏈接:

https://velo3d.com/white_papers/metal-in-motion-redefining-critical-parts-production/?&utm_source=3dnatives&utm_medium=paid&utm_campaign=sp-2022-07-15-emea_metal_in_motion_sponsored_send-lead_gen

△Velo3D的端到端金屬增材制造解決方案生產(chǎn)的核心部件(圖片來源:Velo3D)

現(xiàn)有的制造挑戰(zhàn)是什么?

一般來說,制作核心部件的挑戰(zhàn)分為兩個不同的類別:設計和制造。就設計而言,這是因為零件需要復雜的幾何形狀,并有非常具體的要求。這些都是非常難以通過傳統(tǒng)方法實現(xiàn)的。

以熱交換器為例:顧名思義,這是一類廣泛的核心部件,其作用是將熱量從一個來源(通常是液體或氣體)轉(zhuǎn)移到另一個較冷的液體或氣體來源,而這兩個來源不會混合。它們是發(fā)動機和其他機械的一個關鍵部分,因為它們使它們能夠有效地運行而不會過熱。正因為如此,它們的設計要求非常嚴格。

在論文中,Velo3D解釋說:"在設計中,熱交換器需要在部件的熱側(cè)和冷側(cè)之間有最大的表面積;分隔它們的壁也需要盡可能薄,以允許盡可能多的熱傳遞,同時保持兩側(cè)的密封。在傳熱所需的表面粗糙度和因不同紋理差異而產(chǎn)生的壓降之間,也必須取得平衡。最后,工程師們面臨著生產(chǎn)具有復雜內(nèi)部通道和薄而高長徑比的交換器的挑戰(zhàn)。"當然,這不僅僅是熱交換器所特有的。大多數(shù)核心部件都有設計挑戰(zhàn),涉及但不限于精確、內(nèi)部幾何形狀和與多個部件合作。

△金屬增材制造允許更有效地設計熱交換器(圖片來源:《金屬增材制造》)。Velo3D


制造零件也是一個挑戰(zhàn)。對于許多核心部件,傳統(tǒng)的制造涉及許多不同的部件,然后必須仔細地焊接、釬焊或用螺栓連接??梢岳斫獾氖牵@不僅需要很長的時間,而且可能導致潛在的接頭泄漏,對于一個安全關鍵的部件來說,這顯然是不可能的。

金屬增材制造允許對零件設計進行整合,消除了日后可能成為弱點的連接點的問題。在Sierra渦輪機公司的案例中,他們能夠?qū)⑵湮⑿蜏u輪機的61個離散部件整合成一個統(tǒng)一的幾何形狀,其細節(jié)和特征是任何其他方法都無法實現(xiàn)的。這種整合實際上將功率密度提高了10倍,并使其效率提高了40倍。這導致大修間隔 (TBO) 的性能提高了近 20 倍。

此外,通過使用增材制造,制造商能夠減少交貨時間和成本。使用金屬增材制造來制造熱交換器,可以將12-18個月的交貨時間縮短到4周。這不僅有助于提高生產(chǎn)過程的效率,還能提高供應鏈的彈性。

使用金屬增材制造設計核心部件

話雖如此,但在創(chuàng)建這些核心部件時,傳統(tǒng)的金屬增材制造也有其弊端。例如,它通常需要使用支撐結構,而這些結構可能很難拆除,而且成本很高,以生產(chǎn)具有先進幾何形狀的零件。然而,正如白皮書中所示,Velo3D的先進金屬增材制造解決方案,已經(jīng)幫助一些公司克服了傳統(tǒng)制造中的這兩個挑戰(zhàn),以及傳統(tǒng)增材制造。這一點在Launcher公司的案例中變得很清楚,該公司已成功使用增材制造開發(fā)火箭零部件。

△Launcher一直在使用 Velo3D 的解決方案來創(chuàng)建包括高壓罐在內(nèi)的各種零件(圖片來源:Velo3D)

Launcher求助于Velo3D,以克服與高壓罐的傳統(tǒng)制造有關的挑戰(zhàn)。這些核心部件的制造很棘手,因為它們需要對尺寸和重量進行優(yōu)化,同時還要保持足夠的強度以應對極端環(huán)境條件。與許多其他部件一樣,制造這些部件也很困難,因為傳統(tǒng)工藝既是手工操作,又是漫長的,涉及許多部件。此外,將所有部件連接在一起所需的每個焊縫、接合面和連接點都是一個潛在的泄漏點。

為了制造高壓罐體,Launcher決定使用Velo3D的端到端先進金屬增材制造解決方案和藍寶石打印機。雖然傳統(tǒng)的增材制造看起來比傳統(tǒng)生產(chǎn)更安全,但情況并不一定如此,因為傳統(tǒng)打印機在打印時需要支撐物。這些支撐物很難去除,不僅增加了生產(chǎn)時間,而且有可能在零件表面造成山谷和山峰,降低疲勞測試時的性能。

另一方面,藍寶石打印機能夠打印45度以下的角度,而不需要任何支撐。得益于此,有可能創(chuàng)建一個整合所有部件的油箱設計,這包括內(nèi)部管道、支架固定裝置和等距網(wǎng)格。這種整合允許減少重量,當你考慮到為火箭制造零件時需要輕量化時,這一點很重要。

Velo3D的金屬增材制造系統(tǒng),包括打印準備軟件Flow和質(zhì)量保證和驗證軟件Assure,使工程師能夠以高質(zhì)量的表面處理打印他們需要的幾何形狀。液體的內(nèi)部通道和流道,以及像壓力容器中的大型空腔,都可以在單一的整體設計中打印出來。而且,由于每次構建都有大約1,000個傳感器產(chǎn)生TB級的數(shù)據(jù),每個部件中的每道激光軌跡都被跟蹤并驗證其質(zhì)量。這種設計復雜性和質(zhì)量控制的結合,使得像Launcher那樣的高壓罐可以在幾天而不是幾個月內(nèi)完成。

毫無疑問,金屬增材制造在過去幾年已經(jīng)取得了長足的進步,現(xiàn)在它比以往任何時候都更能成為創(chuàng)建安全關鍵部件的重要工具。當然,當涉及到微型渦輪機和熱交換器等核心部件時,像Velo3D這樣的解決方案希望能徹底改變這個行業(yè)。

△Sierra Turbines公司采用金屬增材制造技術來制造他們的微型渦輪機(圖片來源:Velo3D)



來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shendujiedu/43134.html