金属3D打印技术在飞机发动机涡轮设计中的应用介绍-当达科技

3d打印(AM)并不是用于取代铸造、锻造或机械加工等传统制造工艺,而是在一定的约束条件下提供更大的设计自由度,但基于增材制造的整体部件给日常维护和修理带来了挑战。3d打印为发动机的涡轮设计和生产带来了数字化的灵活性和高效率。

3d打印起源及发展

1952年,日本教授Kojima首次提出将材料逐层增加以制造三维结构实体的想法,这被视作3d打印的起源。

1980年,日本教授Kodama发表了第一份关于光致抗蚀剂聚合快速成形的报告,由于资金问题,没有完成专利的申请。1984年,法国研究人员开发了立体光刻(stereolithography)技术(最早的3D打印技术之一),由于缺乏市场而放弃。美国工程师Charles Hull继续对立体光刻技术开展研究,并于1986年申请了光固化成形(SLA)专利。

1988年,美国大学生Carl Deckard在得克萨斯大学奥斯汀分校的支持下,用两年半的时间开发了选择性激光烧结(SLS)技术,无须任何铸造便可生产出零件。

1989年,机械工程师Scott Crump开发出能自动构建三维物理模型的熔融沉积建模(FDM)技术。

如今,大多数3d打印技术都是基于SLM、SLA、SLS和FDM。

金属3d打印

3d打印可以采用聚合物、陶瓷和金属等多种原材料。金属材料的3d打印技术可根据原料和能源的类型进行分类。其中,粉末床选区熔化(PBF)和定向能量沉积(DED)是用得最多的且最主要的金属材料3d打印技术。

粉末床选区熔化(PBF)

截至2020年,54%的金属3d打印市场采用粉末床选区熔化(PBF)工艺。常见的金属PBF工艺包括直接金属激光烧结(DMLS)、激光选区熔融(SLM)、电子束熔融(EBM)和直接金属激光熔融(DMLM)。DMLS和SLM专门用于金属部件生产,其主要的优势是仅需有限的支撑结构,能打印出复杂的几何形状,无须后处理操作来移除支撑结构。不足是相对昂贵且复杂,受机器尺寸、变形程度和表面粗糙度的限制。SLM是用激光将粉末材料加热到熔点,通过熔融形成固体。较高的表面质量和较低的孔隙率是该工艺的关键优势。而EBM则是采用高能电子束将金属粉末熔融在一起。

定向能量沉积(DED)

定向能量沉积(DED)占金属3d打印市场的16%。DED系统主要采用激光束、电子束、等离子体或电弧作为热源。它选择性地熔化金属丝或粉末,并将其连续添加到构建平台上。DED技术主要用于制造金属部件。该工艺采用机器人焊接工艺,能以较高的沉积速率进行打印,但相对精度较低。

DED可用于具有高沉积速率的无约束构建体,对大中型复杂金属产品具有成本效益,也可用于受损部件的修复。主要有电弧增材制造(WAAM)和电子束增材制造(EBAM)。WAAM技术是一种基于焊丝的DED方法,以电弧作为能量源对焊丝/粉末原料进行熔化。在EBAM中,电子束作为能量源对焊丝/粉末材料进行熔化。

对于金属3d打印工艺的选择主要取决于原材料、零件用途、设备成本、零件所需的表面处理、交付期限等。

金属3d打印优化涡轮设计

金属3d打印具有快速加工和修理、制造自由形状和复杂几何形状以及整合零件的能力,可以从减轻质量、缩短交付期和减少零件数量等三个方面入手对涡轮进行优化设计。

北京南方斯奈克玛涡轮技术公司采用3d打印技术设计、生产了低压涡轮的主要零部件(见图1),包括机匣、叶片、导向器、涡轮盘、轴承座和一体化过渡段,以验证其力学性能。

                                           图1   金属3d打印用于低压涡轮设计

无论是3d打印还是常规生产,最重要的一点是能够表征材料和力学性能,以开发出材料数据库。大多数情况下,力学性能与所用工艺相关,需要进行特殊测试以验证技术成熟度。

实践证明,使用3d打印可将生产时间减少50%～90%,适用于为试验准备零件或为售后按需求生产备件。

例如,采用3d打印思维设计的轴承座(见图2),主要零件的数量从5个减少到1个,质量减轻30%,无螺栓连接,组装或维修时间都明显减少了。螺栓连接通常会在装配过程中引起紧固问题,或造成异物损伤。

                                                图2  轴承座DFAM理念

用增材制造思维设计(DFAM)的包括第一级导向器的涡轮整体机匣(见图3),主要部件从3个减少到1个,质量减轻10%,无螺钉和螺栓,减少了装配时间和供应商数量。

                                          图3  涡轮整体机匣DFAM理念

可见,3d打印能为改善设计、时间、成本和供应链管理提供诸多可能性,但这些因素必须根据项目战略平衡,并考虑客户的意愿。