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零件数量从61个减少到1个,案例领略3D打印微喷发动机前景

摘要:

  由于可实现十分复杂的产品制造,基于粉末床熔融(PBF)工艺的金属3D打印技术不仅使得复杂产品的制造变得更加可行,而且还创造了更大的围绕着产品生命周期的综合性经济效益。在动力装备方面,PBF技术所成就的产品并不是停留在概念开发阶段,而是已经随着火箭和飞船进入了太空,随着飞机在天空中翱翔,并在发电领域起着“四两拨千斤”般的效益放大作用。3D打印所造就的下一代的产品极大的提升了人类利用资源的水平,这一切已经来到了我们的身边。本期,与网友结合着国际与国内3D打印微型燃气涡轮发动机的案例来领略3D打印所催生的新的商业模式。

  由于可实现十分复杂的产品制造,基于粉末床熔融(PBF)工艺的金属3D打印技术不仅使得复杂产品的制造变得更加可行,而且还创造了更大的围绕着产品生命周期的综合性经济效益。在动力装备方面,PBF技术所成就的产品并不是停留在概念开发阶段,而是已经随着火箭和飞船进入了太空,随着飞机在天空中翱翔,并在发电领域起着“四两拨千斤”般的效益放大作用。3D打印所造就的下一代的产品极大的提升了人类利用资源的水平,这一切已经来到了我们的身边。本期,与网友结合着国际与国内3D打印微型燃气涡轮发动机的案例来领略3D打印所催生的新的商业模式。

block 微能源解决方案的范式改变

block 国际

       Sierra Turbines的使命是改变微能源解决方案的范式,这家公司于2017年在美国加利福尼亚州圣何塞成立。专注于解决辅助动力单元(APU),备用发电机和其他备用发电需求中的紧凑型、功率密集型发电应用,创新的另一个成熟市场是用于无人机系统的动力单元。通过使用制造商VELO3D的金属增材制造(AM)技术,Sierra Turbines将关键组件的零件数量从61个减少到1个,并且还获得了许多重要的性能提升。

Part_Engine_Sierra Turbines

3D打印的微喷发动机核心,前芯被切开以显示复杂的内部结构。来源:Sierra Turbines

       Sierra Turbines从一开始就制定了非常大胆的设计目标,与现有的微型涡轮机相比,实际上是非常雄心勃勃的:不仅仅是零件数量的大幅减少,核心机的大修间隔时间,将实现是市场上现有涡轮机的40倍的目标。

采用增材制造技术为微型涡轮机核心机带来了设计优化空间,从而提升了微型涡轮机性能。与当前先进的涡轮机相比,微型涡轮机开发团队能够创建更具质量效益的结构,预计与现有功率相当的涡轮机相比,推力重量比显著提高。设计开发团队重新考虑了燃烧室中的燃油喷雾和火焰形状。传统设计中,燃料是在围绕燃烧室直径的许多点处喷射的,然后通过控制围绕它们的空气流来稳定这些圆柱状火焰。而在增材制造一体化的核心机中,集成了一个360度喷油嘴,通过该喷油嘴,燃油能够在燃烧室的整个圆周上均等地输送,并在雾化的同时穿过点阵结构,产生环形火焰,获得稳定涡旋。

Part_Engine_Sierra Turbines_23D打印的微喷发动机核心设计。来源:Sierra Turbines

      Sierra Turbines所做的独特事情是将超出95%的微喷发动机通过增材制造来实现生产,并扩大到大规模生产。这似乎违背了业界的信念,通常我们认为当前增材制造仅限于用于原型制造和小批量制造,那么Sierra Turbines的底气何来?发展思路是什么呢?Sierra Turbines的团队在航空航天业增材制造领域拥有丰富的经验,通过VELO3D的设备与质量控制技术,可以简化制造、减轻重量并达到成本目标。采用增材制造技术使得Sierra Turbines将拥有巨大的竞争优势,并且将很快实现规模经济的商业模式。

3D打印带来的竞争优势包括:

- 减少零件数,原来61个独立的零件以结构一体化的单个零件实现制造

- 由于结构一体化,消除了接口并提高了尺寸精度,因此公差更小

-  减少组装工作和后期处理

-  成就自由设计,实现复杂的几何形状

通过VELO3D的设备,Sierra Turbines可以生产薄壁、高纵横比的燃烧器。在制造复杂几何形状时,VELO3D具有令人满意的功能。VELO3D的金属3D打印打印机以其获得专利的SupportFree工艺实现近乎无支撑的产品几何自由度而闻名,该工艺减少了复杂通道,浅悬垂和低角度的支撑结构的必要,这为微型涡轮机核心机带来了实现高度集成设计的可能性。

video cover_VELO3DVELO3D设备优势详细解析

目前,Sierra Turbines的目标之一是为重量小于55磅的小型无人机(UAS)提供动力。由于锂电池的存储量仅为每公斤200瓦,因此无人机在功率密度上已达到极限。Sierra Turbines将功率密度提高了10倍,达到2000 Wh / kg,这使飞行时间和提升能力提高了几个数量级。

这款核心机所采用的3D打印材料为镍超合金,是许多大型燃气轮机燃烧室的首选材料。增材制造使Sierra Turbines能够获得复杂的设计功能,以提高热效率和获得更长的维修间隔,这是前所未有的突破。

目前,Sierra Turbines已与多家无人机制造商签署合作协议,这些无人机将在发布测试数据之前成为其客户。此外,Sierra Turbines打算与AUVSI协会合作,充分利用AUVSI协会广阔的会员网络。借助3D打印的微喷发动机动力装置,无人机可以更安全、更便捷、更频繁、更经济地完成任务。

block 国内

在国内,微型燃气涡轮发动机的零部件结构复杂且微型化,该领域仍需依赖国外的产品和技术。安世亚太联合深圳意动航空科技有限公司取得了微型燃气涡轮发动机增材制造的突破。

report_Printing powertrain_12来源:《3D打印助力动力装备发展报告

安世亚太联合深圳意动航空科技有限公司成功开发了两款全3D打印微型涡喷发动机,10kg级推力的NK-10和50kg级推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超温试验,各项指标满足设计要求,试验中最高转速高于14万rpm,为全3D打印旋转涡轮高温点火实验。

video-cover-_Engine深圳意动全3D打印的微型涡喷发动机高温点火实验

NK10和NK50 两款微型涡喷发动机在多处关键零部件结构设计方面融入了增材设计的概念,减少了发动机零件数量,降低了发动机的整体重量,增加了部分结构件的强度,实现更低成本、更优性能、更长寿命的目标,是满足先进低成本微小型空中武器系统推进动力和车船混合动力以及增程动力需求的先进动力装置。

patent_ACAM_4来源:《3D打印助力动力装备发展报告

安世亚太围绕着“基于正向设计的研制”的市场定位,围绕着金属3D打印技术,通过正向设计、3D打印设备、增材制造解决方案,助力我国航空航天领域的高附加值制造。


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