無需熔模鑄造，金屬3D打印怎樣生產(chǎn)高溫合金渦輪增壓器？

魔猴君  知識堂   1208天前

從近年來技術(shù)發(fā)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(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)是無法通過傳統(tǒng)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(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(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。

競爭日趨白熱化，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)

賽車需要提升競爭力，必須在遵循簡潔設(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。

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)的問題是難以鑄造。

為了保持理想的工作壓力，需要通過兩個(gè)廢氣門來進(jìn)行排氣，鑄造的方法是將主機(jī)殼、兩個(gè)廢氣門分開制造然后再進(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。另外，一些形狀鑄造是無法成型的，比如封閉式腔體內(nèi)的幾何特征既無法用鑄造的方法成型，也無法在后續(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。長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。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(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。越來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)。

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GF加工方案通過軟件、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）針對用戶需求開發(fā)的。2020年，GF AMotion Center 上海應(yīng)用中心成立，為中國制造業(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。

 文章來源：GF 加工方案