金屬3D打印成就高度功能集成的微型渦輪機核心機設計
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。其中的成功案例不勝枚舉，例如業界熟知的GE 3D打印燃油噴嘴，大名鼎鼎的SpaceX、NASA、GE、西門子等等通過3D打印在不斷突破下一代航天器、商業飛機、燃氣輪機等產品的性能極限。
本期，分享的也是一個粉末床選區激光熔化3D打印技術在動力裝備制造中的案例。應用對象是一種增材制造微型渦輪機，這一應用體現了粉末床技術成就復雜產品的優勢，產品開發團隊緊扣這一優勢，提出了創新性的微型渦輪機設計方案。
Aurelius Mk1微型渦輪機分解圖。來源：nTopology
更少的零件集成更多功能
I 設計優化目標
渦輪機制造企業 Sierra Turbines 對于微型渦輪提出了設計優化目標，與當前最先進的微型渦輪機相比，設計優化需達到如下幾點：
- 大修間隔時間延長40倍；
- 推力重量比（或渦輪發電應用的功率重量比）增加；
- 功率相近的機器的單位成本降低。
實現這些目標要求微型渦輪機中的每個組件和系統的效率得到提升。選區激光熔化3D打印技術為這一微型渦輪機核心機的設計帶來了優化空間，開發團隊利用這一技術和面向增材制造的設計獲得了一系列優勢。
I 零件數量減少
增材制造的Aurelius Mk1核心機用一個零件，替代了以往需要61個零件組裝的部件。在傳統設計與制造方式下，61個組裝零件涉及到了不同原材料的生產和運輸，使用不同工藝制造單個零件，以及零件的組裝，異種材料的接頭，對額外密封件或緊固件的依賴等問題。
3D打印的微型渦輪機靜態核心機。來源：nTopology
而增材制造的核心機采用了功能集成的設計，一體化的3D打印零件，無需面對這些問題。這是由于，減少零件數量也減少了零件之間的接頭數量，從而減少了所需的密封件和緊固件。同樣，減少接頭可以消除可能對發動機效率產生負面影響的潛在泄漏路徑。
Aurelius Mk1微型渦輪機的開發設計方表示，VELO3D公司的金屬3D打印技術成就了如此高的設計集成度。根據3D科學谷的市場觀察，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。
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。
I 成就設計自由度
我們前面談到，Aurelius Mk1核心機采用了高度功能集成的設計，那么其中集成了哪些功能呢？
3D科學谷看到，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，產生的環形火焰通過燃燒室內空氣的戰略性渦旋而穩定。
I 設計優化帶來性能提升
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，推力重量比將顯著提高。
此外，在通過增材制造設計實現的軸承應用，制造公差，潤滑和熱管理功能等多方面改進的作用下，預計Aurelius Mk1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。
在未來的微型渦輪機開發中，開發團隊將利用增材制造技術進一步整合功能，例如提高效率的同流換熱器，嵌入式傳感器以及更新穎的絕緣和冷卻幾何形狀。
(責任編輯：admin)
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