在航空航天領(lǐng)域,經(jīng)常會使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機產(chǎn)生推力。雖然理論上內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)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(fā)動機,這些部件必須經(jīng)過精心設(shè)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(qū),在這里有噴射進(jìn)來并燃燒的霧化燃油。一秒鐘之內(nèi),更多更冷的空氣流通過外襯套孔進(jìn)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(shè)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??偠灾?,可能需要超過25個環(huán)節(jié)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?。?.8/1毫米厚)的耐高溫合金連續(xù)沖裁、切割成一定尺寸、熱壓和手工釬焊,然后進(jìn)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(shè)置平臺和操作每個子部件。
由于受到成本和時間的限時,現(xiàn)有的制造技術(shù)所涉及的環(huán)節(jié)是有限的,所以很難制造出很復(fù)雜的零部件。現(xiàn)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(jīng)正式將3D打印技術(shù)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(gòu)正在嘗試使用各種增材制造技術(shù)制造完整的發(fā)動機,比如冷噴技術(shù)、直接激光熔融(DLM),同時使用的是市場上現(xiàn)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(shù),燃?xì)鉁u輪發(fā)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(shè)計,以提高燃燒效率,可以更容易地制造和進(jìn)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(dá)0.1mm)和其低表面粗糙度(Ra <7 / 8um),SLM技術(shù)非常適合這方面的應(yīng)用。相應(yīng)地電子束熔融技術(shù)的表面粗糙度就高了一點,其典型的Ra ≥40/ 50um。
就發(fā)動機燃燒室這個案例來說,SLM可以用來進(jìn)行測試一次性的新穎設(shè)計或制造備件用于維修。此外,基于粉末床的SLM技術(shù)也可以作為一種可靠的生產(chǎn)工藝去制造非常規(guī)或難以制造的設(shè)計。
SLM制造的零部件仍然需要進(jìn)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(dāng)然,在CAD設(shè)計時可以考慮到后處理的需要,以減少不必要的支撐結(jié)構(gòu),或者在關(guān)鍵部分限制使用支撐。此外,了解零部件如何才能高效運轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的。 例如,燃燒室內(nèi)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(dāng)Ra> 3 / 5um時,其空氣熱動力學(xué)運動是不可預(yù)知的。
因此,如果需要的話,就算加上表面后處理,比如高品質(zhì)的超聲波研磨(最終Ra <0.05um)3D打印仍然是一個時間上和經(jīng)濟(jì)上可行的解決方案。由于可以進(jìn)行臺架實驗,因此一個完整的燃燒室設(shè)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(shù)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(chǎn)設(shè)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(tǒng)的制造方式便宜20?30%。
綜上所述,在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃燒室的制造中使用選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)要比傳統(tǒng)制造方式縮短超過5個月的生產(chǎn)周期和節(jié)省高達(dá)30%的制造成本。而這只是在制造階段,在設(shè)計和原型階段使用該技術(shù)可以加快零部件設(shè)計的迭代,同樣可以大幅降低成本和減少時間。
轉(zhuǎn)載請注明出處。