無需熔模鑄造，金屬3D打印怎樣生產高溫合金渦輪增壓器？

魔猴君  知識堂   1351天前

從近年來技術發展的趨勢明顯可見，金屬增材制造正在部分替代精密鑄造技術，成為制造復雜零部件的新方式。以賽車渦輪增壓器為例，該部件要求更復雜的幾何形狀、幾何特征和材質，熔模鑄造是以前唯一可用的方法。而基于選區激光熔化的3D打印技術為復雜渦輪增壓器的設計與制造帶來了全新的方式。本期，將分享的應用案例是一種3D打印高溫合金雙壁渦輪增壓器，其設計采用了雙壁結構，而這種復雜設計是無法通過傳統工藝加工出來的。GF 加工方案通過軟件、金屬3D打印和后處理設備，以及專利設計的System 3R夾具這三股平行工作流程，為復雜雙壁渦輪增壓器提供了從設計到成品交付的完整增材制造解決方案。

傳統熔模鑄造工藝生產的渦輪增壓器© GF加工方案

增材制造帶來全新圈速記錄

無論在賽道上還是在賽道外，速度才是致勝的關鍵，而風馳電掣的背后仰賴的是工程設計和制造的支持。

競爭日趨白熱化，零件的設計與制造也同樣面臨巨大的挑戰。以提速的首要裝備——渦輪增壓器為例，賽車領域的渦輪增壓器有極為復雜的形狀、幾何特征和材質。

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

賽車需要提升競爭力，必須在遵循簡潔設計的原則下使關鍵零件達到更高的性能，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計，相應的也就需要一個靈活和高效的生產工藝，而這正是工藝繁雜的熔模鑄造是無法滿足的。工藝環節越多，出錯風險就越高，瑕疵產生機率越大，生產周期也更長。

要使渦輪增壓器高效率地工作，必須有效隔熱，用雙壁結構形成空氣間隙，避免內部的熱量傳遞到外殼，但是，雙壁結構的問題是難以鑄造。

為了保持理想的工作壓力，需要通過兩個廢氣門來進行排氣，鑄造的方法是將主機殼、兩個廢氣門分開制造然后再進行后續組裝，這種方式顯著增加成本和重量。

發動機的減重是另一個挑戰，賽車的平均設計時速超過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，以減輕發動機的重量，但是薄壁的鑄件強度又不足。

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

熔模鑄造的工藝環節繁多，生產周期長。長則難以滿足賽車快節奏的要求。要進一步提升性能就需要使用更先進的技術，才能使賽車創造全新的圈速記錄。

 增材制造帶來的新設計與性能提升

© GF加工方案

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

傳統制造此渦輪增壓器需要使用三個零件：主機殼和一側的兩個廢氣門。這兩個部件鑄造后，還需要焊接固定雙壁隔熱罩。如果使用增材制造技術，則可將該渦輪增壓器設計為一個單件的零件，一體成型，廢氣門不需要密封墊或和組裝，而是直接打印一個完整的殼體。這可以大大簡化組裝操作，減輕重量。

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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格的裝配面，因此，可以減少不同零件間可能發生的泄漏而導致的失效。通常，還可以改進雙壁結構的薄厚，進一步減輕重量，同時可以隔熱，提高性能。

相比熔模鑄造方法，金屬3D打印生產的F1賽車零件為生產企業提供明顯的時間成本和制造成本的優勢。越來越多的高端汽車制造商在生產中采用增材制造技術快速和可靠地實現了制造目標。

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GF加工方案通過軟件、金屬3D打印及后處理設備，以及專利設計的System 3R夾具三股平行工作流，為渦輪增壓器提供從設計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？

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 應用中心（瑞士）針對用戶需求開發的。2020年，GF AMotion Center 上海應用中心成立，為中國制造業用戶推進增材制造應用，實現產品創新提供技術先進解決方案的支持。

 文章來源：GF 加工方案