先進的金屬增材制造如何用于關(guān)鍵核心部件的制造

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(lǐng)域的重要性不斷增加。越來越多的原始設(shè)備制造商開始采用金屬增材制造技術(shù)，作為創(chuàng)建幾何形狀復(fù)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(yù)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(guān)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(guān)鍵部件的生產(chǎn)》中，領(lǐng)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(guān)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

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(shè)計和制造。就設(shè)計而言，這是因為零件需要復(fù)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(guān)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(shè)計要求非常嚴格。

在論文中，Velo3D解釋說：“在設(shè)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(fù)雜內(nèi)部通道和薄而高長徑比的交換器的挑戰(zhàn)?！碑?dāng)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(shè)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。

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(dǎo)致潛在的接頭泄漏，對于一個安全關(guān)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(shè)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(dǎo)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(yīng)鏈的彈性。

使用金屬增材制造設(shè)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(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)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求助于Velo3D，以克服與高壓罐的傳統(tǒng)制造有關(guān)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(yīng)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(shè)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(dāng)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(zhǔn)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(shè)計中打印出來。而且，由于每次構(gòu)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(shè)計復(fù)雜性和質(zhì)量控制的結(jié)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(guān)鍵部件的重要工具。當(dāng)然，當(dāng)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)。

審核編輯 ：李倩