Velo3D白皮書：金屬增材制造如何克服核心部件制造的障礙？

導(dǎo)讀：隨著增材制造的不斷成熟和發(fā)展，一個(gè)明顯的趨勢(shì)是金屬增材制造在一些領(lǐng)域的重要性不斷增加。越來(lái)越多的原始設(shè)備制造商開(kāi)始采用金屬增材制造技術(shù)，作為創(chuàng)建幾何形狀復(fù)雜的輕質(zhì)零件的一種方式，以至于該行業(yè)在未來(lái)10年內(nèi)的價(jià)值預(yù)計(jì)將達(dá)到185億美元。然而，這并不意味著金屬增材制造在生產(chǎn)上沒(méi)有挑戰(zhàn)，特別是在涉及到關(guān)鍵的核心部件時(shí)。

在白皮書《Metal in Motion: Redefining CriticalParts Production with Velo3D/運(yùn)動(dòng)中的金屬：用Velo3D重新定義關(guān)鍵部件的生產(chǎn)》中，領(lǐng)先金屬3D打印機(jī)制造商Velo3D為航空航天等行業(yè)探討了先進(jìn)的金屬增材制造如何用于關(guān)鍵核心部件的制造。也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)微型渦輪機(jī)、高壓罐、熱交換器、靜態(tài)混合器和渦輪泵等部件的案例研究，他們介紹了如何通過(guò)金屬增材制造來(lái)克服常見(jiàn)的制造障礙。他們還通過(guò)Launcher、Sierra Turbines和其他公司的案例，深入探討Velo3D端到端解決方案的具體優(yōu)勢(shì)。我們看了一下，以更好地了解核心部件使用金屬3D打印的好處。

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△Velo3D的端到端金屬增材制造解決方案生產(chǎn)的核心部件（圖片來(lái)源：Velo3D）

現(xiàn)有的制造挑戰(zhàn)是什么？

一般來(lái)說(shuō)，制作核心部件的挑戰(zhàn)分為兩個(gè)不同的類別：設(shè)計(jì)和制造。就設(shè)計(jì)而言，這是因?yàn)榱慵�需要�?fù)雜的幾何形狀，并有非常具體的要求。這些都是非常難以通過(guò)傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的。

以熱交換器為例：顧名思義，這是一類廣泛的核心部件，其作用是將熱量從一個(gè)來(lái)源（通常是液體或氣體）轉(zhuǎn)移到另一個(gè)較冷的液體或氣體來(lái)源，而這兩個(gè)來(lái)源不會(huì)混合。它們是發(fā)動(dòng)機(jī)和其他機(jī)械的一個(gè)關(guān)鍵部分，因?yàn)樗鼈兪顾鼈兡軌蛴行У剡\(yùn)行而不會(huì)過(guò)熱。正因?yàn)槿绱�，它們的設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)格。

在論文中，Velo3D解釋說(shuō)："在設(shè)計(jì)中，熱交換器需要在部件的熱側(cè)和冷側(cè)之間有最大的表面積；分隔它們的壁也需要盡可能薄，以允許盡可能多的熱傳遞，同時(shí)保持兩側(cè)的密封。在傳熱所需的表面粗糙度和因不同紋理差異而產(chǎn)生的壓降之間，也必須取得平衡。最后，工程師們面臨著生產(chǎn)具有復(fù)雜內(nèi)部通道和薄而高長(zhǎng)徑比的交換器的挑戰(zhàn)。"當(dāng)然，這不僅僅是熱交換器所特有的。大多數(shù)核心部件都有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，涉及但不限于精確、內(nèi)部幾何形狀和與多個(gè)部件合作。

△金屬增材制造允許更有效地設(shè)計(jì)熱交換器（圖片來(lái)源：《金屬增材制造》）。Velo3D

制造零件也是一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于許多核心部件，傳統(tǒng)的制造涉及許多不同的部件，然后必須仔細(xì)地焊接、釬焊或用螺栓連接。可以理解的是，這不僅需要很長(zhǎng)的時(shí)間，而且可能導(dǎo)致潛在的接頭泄漏，對(duì)于一個(gè)安全關(guān)鍵的部件來(lái)說(shuō)，這顯然是不可能的。

金屬增材制造允許對(duì)零件設(shè)計(jì)進(jìn)行整合，消除了日后可能成為弱點(diǎn)的連接點(diǎn)的問(wèn)題。在Sierra渦輪機(jī)公司的案例中，他們能夠?qū)⑵湮⑿蜏u輪機(jī)的61個(gè)離散部件整合成一個(gè)統(tǒng)一的幾何形狀，其細(xì)節(jié)和特征是任何其他方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這種整合實(shí)際上將功率密度提高了10倍，并使其效率提高了40倍。這導(dǎo)致大修間隔 (TBO) 的性能提高了近 20 倍。

此外，通過(guò)使用增材制造，制造商能夠減少交貨時(shí)間和成本。使用金屬增材制造來(lái)制造熱交換器，可以將12-18個(gè)月的交貨時(shí)間縮短到4周。這不僅有助于提高生產(chǎn)過(guò)程的效率，還能提高供應(yīng)鏈的彈性。

使用金屬增材制造設(shè)計(jì)核心部件

話雖如此，但在創(chuàng)建這些核心部件時(shí)，傳統(tǒng)的金屬增材制造也有其弊端。例如，它通常需要使用支撐結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)可能很難拆除，而且成本很高，以生產(chǎn)具有先進(jìn)幾何形狀的零件。然而，正如白皮書中所示，Velo3D的先進(jìn)金屬增材制造解決方案，已經(jīng)幫助一些公司克服了傳統(tǒng)制造中的這兩個(gè)挑戰(zhàn)，以及傳統(tǒng)增材制造。這一點(diǎn)在Launcher公司的案例中變得很清楚，該公司已成功使用增材制造開(kāi)發(fā)火箭零部件。

△Launcher一直在使用 Velo3D 的解決方案來(lái)創(chuàng)建包括高壓罐在內(nèi)的各種零件（圖片來(lái)源：Velo3D）

Launcher求助于Velo3D，以克服與高壓罐的傳統(tǒng)制造有關(guān)的挑戰(zhàn)。這些核心部件的制造很棘手，因?yàn)樗鼈冃枰獙?duì)尺寸和重量進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還要保持足夠的強(qiáng)度以應(yīng)對(duì)極端環(huán)境條件。與許多其他部件一樣，制造這些部件也很困難，因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝既是手工操作，又是漫長(zhǎng)的，涉及許多部件。此外，將所有部件連接在一起所需的每個(gè)焊縫、接合面和連接點(diǎn)都是一個(gè)潛在的泄漏點(diǎn)。

為了制造高壓罐體，Launcher決定使用Velo3D的端到端先進(jìn)金屬增材制造解決方案和藍(lán)寶石打印機(jī)。雖然傳統(tǒng)的增材制造看起來(lái)比傳統(tǒng)生產(chǎn)更安全，但情況并不一定如此，因?yàn)閭鹘y(tǒng)打印機(jī)在打印時(shí)需要支撐物。這些支撐物很難去除，不僅增加了生產(chǎn)時(shí)間，而且有可能在零件表面造成山谷和山峰，降低疲勞測(cè)試時(shí)的性能。

另一方面，藍(lán)寶石打印機(jī)能夠打印45度以下的角度，而不需要任何支撐。得益于此，有可能創(chuàng)建一個(gè)整合所有部件的油箱設(shè)計(jì)，這包括內(nèi)部管道、支架固定裝置和等距網(wǎng)格。這種整合允許減少重量，當(dāng)你考慮到為火箭制造零件時(shí)需要輕量化時(shí)，這一點(diǎn)很重要。

Velo3D的金屬增材制造系統(tǒng)，包括打印準(zhǔn)備軟件Flow和質(zhì)量保證和驗(yàn)證軟件Assure，使工程師能夠以高質(zhì)量的表面處理打印他們需要的幾何形狀。液體的內(nèi)部通道和流道，以及像壓力容器中的大型空腔，都可以在單一的整體設(shè)計(jì)中打印出來(lái)。而且，由于每次構(gòu)建都有大約1,000個(gè)傳感器產(chǎn)生TB級(jí)的數(shù)據(jù)，每個(gè)部件中的每道激光軌跡都被跟蹤并驗(yàn)證其質(zhì)量。這種設(shè)計(jì)復(fù)雜性和質(zhì)量控制的結(jié)合，使得像Launcher那樣的高壓罐可以在幾天而不是幾個(gè)月內(nèi)完成。

毫無(wú)疑問(wèn)，金屬增材制造在過(guò)去幾年已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，現(xiàn)在它比以往任何時(shí)候都更能成為創(chuàng)建安全關(guān)鍵部件的重要工具。當(dāng)然，當(dāng)涉及到微型渦輪機(jī)和熱交換器等核心部件時(shí)，像Velo3D這樣的解決方案希望能徹底改變這個(gè)行業(yè)。

△Sierra Turbines公司采用金屬增材制造技術(shù)來(lái)制造他們的微型渦輪機(jī)（圖片來(lái)源：Velo3D）