零件數(shù)量從61個(gè)減少到1個(gè)，案例領(lǐng)略3D打印微噴發(fā)動機(jī)前景
魔猴君 行業(yè)資訊 1575天前
由于可實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的產(chǎn)品制造，基于粉末床熔融（PBF）工藝的金屬3D打印技術(shù)不僅使得復(fù)雜產(chǎn)品的制造變得更加可行，而且還創(chuàng)造了更大的圍繞著產(chǎn)品生命周期的綜合性經(jīng)濟(jì)效益。在動力裝備方面，PBF技術(shù)所成就的產(chǎn)品并不是停留在概念開發(fā)階段，而是已經(jīng)隨著火箭和飛船進(jìn)入了太空，隨著飛機(jī)在天空中翱翔，并在發(fā)電領(lǐng)域起著“四兩撥千斤”般的效益放大作用。3D打印所造就的下一代的產(chǎn)品極大的提升了人類利用資源的水平，這一切已經(jīng)來到了我們的身邊。本期，與網(wǎng)友結(jié)合著國際與國內(nèi)3D打印微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的案例來領(lǐng)略3D打印所催生的新的商業(yè)模式。
微能源解決方案的范式改變
國際
Sierra Turbines的使命是改變微能源解決方案的范式，這家公司于2017年在美國加利福尼亞州圣何塞成立。專注于解決輔助動力單元（APU），備用發(fā)電機(jī)和其他備用發(fā)電需求中的緊湊型、功率密集型發(fā)電應(yīng)用，創(chuàng)新的另一個(gè)成熟市場是用于無人機(jī)系統(tǒng)的動力單元。通過使用制造商VELO3D的金屬增材制造（AM）技術(shù)，Sierra Turbines將關(guān)鍵組件的零件數(shù)量從61個(gè)減少到1個(gè)，并且還獲得了許多重要的性能提升。
3D打印的微噴發(fā)動機(jī)核心，前芯被切開以顯示復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。來源：Sierra Turbines
Sierra Turbines從一開始就制定了非常大膽的設(shè)計(jì)目標(biāo)，與現(xiàn)有的微型渦輪機(jī)相比，實(shí)際上是非常雄心勃勃的：不僅僅是零件數(shù)量的大幅減少，核心機(jī)的大修間隔時(shí)間，將實(shí)現(xiàn)是市場上現(xiàn)有渦輪機(jī)的40倍的目標(biāo)。
采用增材制造技術(shù)為微型渦輪機(jī)核心機(jī)帶來了設(shè)計(jì)優(yōu)化空間，從而提升了微型渦輪機(jī)性能。與當(dāng)前先進(jìn)的渦輪機(jī)相比，微型渦輪機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建更具質(zhì)量效益的結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)與現(xiàn)有功率相當(dāng)?shù)臏u輪機(jī)相比，推力重量比顯著提高。設(shè)計(jì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)重新考慮了燃燒室中的燃油噴霧和火焰形狀。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，燃料是在圍繞燃燒室直徑的許多點(diǎn)處噴射的，然后通過控制圍繞它們的空氣流來穩(wěn)定這些圓柱狀火焰。而在增材制造一體化的核心機(jī)中，集成了一個(gè)360度噴油嘴，通過該噴油嘴，燃油能夠在燃燒室的整個(gè)圓周上均等地輸送，并在霧化的同時(shí)穿過點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生環(huán)形火焰，獲得穩(wěn)定渦旋。
3D打印的微噴發(fā)動機(jī)核心設(shè)計(jì)。來源：Sierra Turbines
Sierra Turbines所做的獨(dú)特事情是將超出95％的微噴發(fā)動機(jī)通過增材制造來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，并擴(kuò)大到大規(guī)模生產(chǎn)。這似乎違背了業(yè)界的信念，通常我們認(rèn)為當(dāng)前增材制造僅限于用于原型制造和小批量制造，那么Sierra Turbines的底氣何來？發(fā)展思路是什么呢？Sierra Turbines的團(tuán)隊(duì)在航空航天業(yè)增材制造領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，通過VELO3D的設(shè)備與質(zhì)量控制技術(shù)，可以簡化制造、減輕重量并達(dá)到成本目標(biāo)。采用增材制造技術(shù)使得Sierra Turbines將擁有巨大的競爭優(yōu)勢，并且將很快實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的商業(yè)模式。
3D打印帶來的競爭優(yōu)勢包括：
- 減少零件數(shù)，原來61個(gè)獨(dú)立的零件以結(jié)構(gòu)一體化的單個(gè)零件實(shí)現(xiàn)制造
- 由于結(jié)構(gòu)一體化，消除了接口并提高了尺寸精度，因此公差更小
- 減少組裝工作和后期處理
- 成就自由設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀
通過VELO3D的設(shè)備，Sierra Turbines可以生產(chǎn)薄壁、高縱橫比的燃燒器。在制造復(fù)雜幾何形狀時(shí)，VELO3D具有令人滿意的功能。VELO3D的金屬3D打印打印機(jī)以其獲得專利的SupportFree工藝實(shí)現(xiàn)近乎無支撐的產(chǎn)品幾何自由度而聞名，該工藝減少了復(fù)雜通道，淺懸垂和低角度的支撐結(jié)構(gòu)的必要，這為微型渦輪機(jī)核心機(jī)帶來了實(shí)現(xiàn)高度集成設(shè)計(jì)的可能性。
3D設(shè)備優(yōu)勢詳細(xì)解析
目前，Sierra Turbines的目標(biāo)之一是為重量小于55磅的小型無人機(jī)（UAS）提供動力。由于鋰電池的存儲量僅為每公斤200瓦，因此無人機(jī)在功率密度上已達(dá)到極限。Sierra Turbines將功率密度提高了10倍，達(dá)到2000 Wh / kg，這使飛行時(shí)間和提升能力提高了幾個(gè)數(shù)量級。
這款核心機(jī)所采用的3D打印材料為鎳超合金，是許多大型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的首選材料。增材制造使Sierra Turbines能夠獲得復(fù)雜的設(shè)計(jì)功能，以提高熱效率和獲得更長的維修間隔，這是前所未有的突破。
目前，Sierra Turbines已與多家無人機(jī)制造商簽署合作協(xié)議，這些無人機(jī)將在發(fā)布測試數(shù)據(jù)之前成為其客戶。此外，Sierra Turbines打算與AUVSI協(xié)會合作，充分利用AUVSI協(xié)會廣闊的會員網(wǎng)絡(luò)。借助3D打印的微噴發(fā)動機(jī)動力裝置，無人機(jī)可以更安全、更便捷、更頻繁、更經(jīng)濟(jì)地完成任務(wù)。
國內(nèi)
在國內(nèi)，微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且微型化，該領(lǐng)域仍需依賴國外的產(chǎn)品和技術(shù)。安世亞太聯(lián)合深圳意動航空科技有限公司取得了微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)增材制造的突破。
來源：《3D打印助力動力裝備發(fā)展報(bào)告》
安世亞太聯(lián)合深圳意動航空科技有限公司成功開發(fā)了兩款全3D打印微型渦噴發(fā)動機(jī)，10kg級推力的NK-10和50kg級推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超溫試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)中最高轉(zhuǎn)速高于14萬rpm，為全3D打印旋轉(zhuǎn)渦輪高溫點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。
深圳意動全3D打印的微型渦噴發(fā)動機(jī)高溫點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)
NK10和NK50 兩款微型渦噴發(fā)動機(jī)在多處關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面融入了增材設(shè)計(jì)的概念，減少了發(fā)動機(jī)零件數(shù)量，降低了發(fā)動機(jī)的整體重量，增加了部分結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)更低成本、更優(yōu)性能、更長壽命的目標(biāo)，是滿足先進(jìn)低成本微小型空中武器系統(tǒng)推進(jìn)動力和車船混合動力以及增程動力需求的先進(jìn)動力裝置。
來源：《3D打印助力動力裝備發(fā)展報(bào)告》
