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無(wú)需熔模鑄造,金屬3D打印怎樣生產(chǎn)高溫合金渦輪增壓器?

魔猴君  知識(shí)堂   1249天前

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從近年來(lái)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)明顯可見(jiàn),金屬增材制造正在部分替代精密鑄造技術(shù),成為制造復(fù)雜零部件的新方式。以賽車渦輪增壓器為例,該部件要求更復(fù)雜的幾何形狀、幾何特征和材質(zhì),熔模鑄造是以前唯一可用的方法。而基于選區(qū)激光熔化的3D打印技術(shù)為復(fù)雜渦輪增壓器的設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)了全新的方式。本期,將分享的應(yīng)用案例是一種3D打印高溫合金雙壁渦輪增壓器,其設(shè)計(jì)采用了雙壁結(jié)構(gòu),而這種復(fù)雜設(shè)計(jì)是無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)工藝加工出來(lái)的。GF 加工方案通過(guò)軟件、金屬3D打印和后處理設(shè)備,以及專利設(shè)計(jì)的System 3R夾具這三股平行工作流程,為復(fù)雜雙壁渦輪增壓器提供了從設(shè)計(jì)到成品交付的完整增材制造解決方案。

傳統(tǒng)熔模鑄造工藝生產(chǎn)的渦輪增壓器© GF加工方案

增材制造帶來(lái)全新圈速記錄

無(wú)論在賽道上還是在賽道外,速度才是致勝的關(guān)鍵,而風(fēng)馳電掣的背后仰賴的是工程設(shè)計(jì)和制造的支持。

競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化,零件的設(shè)計(jì)與制造也同樣面臨巨大的挑戰(zhàn)。以提速的首要裝備——渦輪增壓器為例,賽車領(lǐng)域的渦輪增壓器有極為復(fù)雜的形狀、幾何特征和材質(zhì)。

熔模鑄造是以前唯一可用的方法,但它的局限性也同樣明顯。

 熔模鑄造中存在的挑戰(zhàn)

 

賽車需要提升競(jìng)爭(zhēng)力,必須在遵循簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)的原則下使關(guān)鍵零件達(dá)到更高的性能,并且需要精確的平衡作用力,這就不可避免地需要頻繁變更設(shè)計(jì),相應(yīng)的也就需要一個(gè)靈活和高效的生產(chǎn)工藝,而這正是工藝繁雜的熔模鑄造是無(wú)法滿足的。工藝環(huán)節(jié)越多,出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)就越高,瑕疵產(chǎn)生機(jī)率越大,生產(chǎn)周期也更長(zhǎng)。

要使渦輪增壓器高效率地工作,必須有效隔熱,用雙壁結(jié)構(gòu)形成空氣間隙,避免內(nèi)部的熱量傳遞到外殼,但是,雙壁結(jié)構(gòu)的問(wèn)題是難以鑄造。

為了保持理想的工作壓力,需要通過(guò)兩個(gè)廢氣門(mén)來(lái)進(jìn)行排氣,鑄造的方法是將主機(jī)殼、兩個(gè)廢氣門(mén)分開(kāi)制造然后再進(jìn)行后續(xù)組裝,這種方式顯著增加成本和重量。

發(fā)動(dòng)機(jī)的減重是另一個(gè)挑戰(zhàn),賽車的平均設(shè)計(jì)時(shí)速超過(guò)200 km/h,減重可以大幅提升性能。

因此,所有零件的壁厚都要盡可能薄,以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量,但是薄壁的鑄件強(qiáng)度又不足。

雖然鑄造工藝也可以成型許多復(fù)雜的內(nèi)部幾何特征或功能面,但是基本上制造周期都比較長(zhǎng)。另外,一些形狀鑄造是無(wú)法成型的,比如封閉式腔體內(nèi)的幾何特征既無(wú)法用鑄造的方法成型,也無(wú)法在后續(xù)加工中成型。因此在前期設(shè)計(jì)渦輪增壓器時(shí)就會(huì)受到鑄造工藝的諸多限制。

熔模鑄造的工藝環(huán)節(jié)繁多,生產(chǎn)周期長(zhǎng)。長(zhǎng)則難以滿足賽車快節(jié)奏的要求。要進(jìn)一步提升性能就需要使用更先進(jìn)的技術(shù),才能使賽車創(chuàng)造全新的圈速記錄。

 增材制造帶來(lái)的新設(shè)計(jì)與性能提升

© GF加工方案

增材制造可以最大化的釋放設(shè)計(jì)自由,使之專注于零件的功能性,工程師在零件的設(shè)計(jì)中可以更接近理想的狀態(tài),并且可以突破工藝的限制將復(fù)雜的組件整合成一個(gè)完整的零件。

傳統(tǒng)制造此渦輪增壓器需要使用三個(gè)零件:主機(jī)殼和一側(cè)的兩個(gè)廢氣門(mén)。這兩個(gè)部件鑄造后,還需要焊接固定雙壁隔熱罩。如果使用增材制造技術(shù),則可將該渦輪增壓器設(shè)計(jì)為一個(gè)單件的零件,一體成型,廢氣門(mén)不需要密封墊或和組裝,而是直接打印一個(gè)完整的殼體。這可以大大簡(jiǎn)化組裝操作,減輕重量。

© GF加工方案

此外,整合后的單件零件還能提高渦輪增壓器的整體可靠性。由于不需要加工公差嚴(yán)格的裝配面,因此,可以減少不同零件間可能發(fā)生的泄漏而導(dǎo)致的失效。通常,還可以改進(jìn)雙壁結(jié)構(gòu)的薄厚,進(jìn)一步減輕重量,同時(shí)可以隔熱,提高性能。

相比熔模鑄造方法,金屬3D打印生產(chǎn)的F1賽車零件為生產(chǎn)企業(yè)提供明顯的時(shí)間成本和制造成本的優(yōu)勢(shì)。越來(lái)越多的高端汽車制造商在生產(chǎn)中采用增材制造技術(shù)快速和可靠地實(shí)現(xiàn)了制造目標(biāo)。


© GF加工方案

GF加工方案通過(guò)軟件、金屬3D打印及后處理設(shè)備,以及專利設(shè)計(jì)的System 3R夾具三股平行工作流,為渦輪增壓器提供從設(shè)計(jì)到成品交付的完整增材制造解決方案。

 如何突破精密鑄造工藝的挑戰(zhàn)

高溫合金雙壁渦輪增壓器增材制造解決方案是由GF 加工方案 AMotion Center 應(yīng)用中心(瑞士)針對(duì)用戶需求開(kāi)發(fā)的。2020年,GF AMotion Center 上海應(yīng)用中心成立,為中國(guó)制造業(yè)用戶推進(jìn)增材制造應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新提供技術(shù)先進(jìn)解決方案的支持。

 


 文章來(lái)源:GF 加工方案

   
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