零件數量從61個減少到1個，案例領略3D打印微噴發動機前景
魔猴君 行業資訊 1514天前
由于可實現十分復雜的產品制造，基于粉末床熔融（PBF）工藝的金屬3D打印技術不僅使得復雜產品的制造變得更加可行，而且還創造了更大的圍繞著產品生命周期的綜合性經濟效益。在動力裝備方面，PBF技術所成就的產品并不是停留在概念開發階段，而是已經隨著火箭和飛船進入了太空，隨著飛機在天空中翱翔，并在發電領域起著“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品極大的提升了人類利用資源的水平，這一切已經來到了我們的身邊。本期，與網友結合著國際與國內3D打印微型燃氣渦輪發動機的案例來領略3D打印所催生的新的商業模式。
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），備用發電機和其他備用發電需求中的緊湊型、功率密集型發電應用，創新的另一個成熟市場是用于無人機系統的動力單元。通過使用制造商VELO3D的金屬增材制造（AM）技術，Sierra Turbines將關鍵組件的零件數量從61個減少到1個，并且還獲得了許多重要的性能提升。
3D打印的微噴發動機核心，前芯被切開以顯示復雜的內部結構。來源：Sierra Turbines
Sierra Turbines從一開始就制定了非常大膽的設計目標，與現有的微型渦輪機相比，實際上是非常雄心勃勃的：不僅僅是零件數量的大幅減少，核心機的大修間隔時間，將實現是市場上現有渦輪機的40倍的目標。
采用增材制造技術為微型渦輪機核心機帶來了設計優化空間，從而提升了微型渦輪機性能。與當前先進的渦輪機相比，微型渦輪機開發團隊能夠創建更具質量效益的結構，預計與現有功率相當的渦輪機相比，推力重量比顯著提高。設計開發團隊重新考慮了燃燒室中的燃油噴霧和火焰形狀。傳統設計中，燃料是在圍繞燃燒室直徑的許多點處噴射的，然后通過控制圍繞它們的空氣流來穩定這些圓柱狀火焰。而在增材制造一體化的核心機中，集成了一個360度噴油嘴，通過該噴油嘴，燃油能夠在燃燒室的整個圓周上均等地輸送，并在霧化的同時穿過點陣結構，產生環形火焰，獲得穩定渦旋。
3D打印的微噴發動機核心設計。來源：Sierra Turbines
Sierra Turbines所做的獨特事情是將超出95％的微噴發動機通過增材制造來實現生產，并擴大到大規模生產。這似乎違背了業界的信念，通常我們認為當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？發展思路是什么呢？Sierra Turbines的團隊在航空航天業增材制造領域擁有豐富的經驗，通過VELO3D的設備與質量控制技術，可以簡化制造、減輕重量并達到成本目標。采用增材制造技術使得Sierra Turbines將擁有巨大的競爭優勢，并且將很快實現規模經濟的商業模式。
3D打印帶來的競爭優勢包括：
- 減少零件數，原來61個獨立的零件以結構一體化的單個零件實現制造
- 由于結構一體化，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
- 成就自由設計，實現復雜的幾何形狀
通過VELO3D的設備，Sierra Turbines可以生產薄壁、高縱橫比的燃燒器。在制造復雜幾何形狀時，VELO3D具有令人滿意的功能。VELO3D的金屬3D打印打印機以其獲得專利的SupportFree工藝實現近乎無支撐的產品幾何自由度而聞名，該工藝減少了復雜通道，淺懸垂和低角度的支撐結構的必要，這為微型渦輪機核心機帶來了實現高度集成設計的可能性。
3D設備優勢詳細解析
目前，Sierra Turbines的目標之一是為重量小于55磅的小型無人機（UAS）提供動力。由于鋰電池的存儲量僅為每公斤200瓦，因此無人機在功率密度上已達到極限。Sierra Turbines將功率密度提高了10倍，達到2000 Wh / kg，這使飛行時間和提升能力提高了幾個數量級。
這款核心機所采用的3D打印材料為鎳超合金，是許多大型燃氣輪機燃燒室的首選材料。增材制造使Sierra Turbines能夠獲得復雜的設計功能，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已與多家無人機制造商簽署合作協議，這些無人機將在發布測試數據之前成為其客戶。此外，Sierra Turbines打算與AUVSI協會合作，充分利用AUVSI協會廣闊的會員網絡。借助3D打印的微噴發動機動力裝置，無人機可以更安全、更便捷、更頻繁、更經濟地完成任務。
國內
在國內，微型燃氣渦輪發動機的零部件結構復雜且微型化，該領域仍需依賴國外的產品和技術。安世亞太聯合深圳意動航空科技有限公司取得了微型燃氣渦輪發動機增材制造的突破。
來源：《3D打印助力動力裝備發展報告》
安世亞太聯合深圳意動航空科技有限公司成功開發了兩款全3D打印微型渦噴發動機，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，各項指標滿足設計要求，試驗中最高轉速高于14萬rpm，為全3D打印旋轉渦輪高溫點火實驗。
深圳意動全3D打印的微型渦噴發動機高溫點火實驗
NK10和NK50 兩款微型渦噴發動機在多處關鍵零部件結構設計方面融入了增材設計的概念，減少了發動機零件數量，降低了發動機的整體重量，增加了部分結構件的強度，實現更低成本、更優性能、更長壽命的目標，是滿足先進低成本微小型空中武器系統推進動力和車船混合動力以及增程動力需求的先進動力裝置。
來源：《3D打印助力動力裝備發展報告》
