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无需熔模铸造,金属3D打印怎样生产高温合金涡轮增压器?

魔猴君  知识堂   5天前

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从近年来技术发展的趋势明显可见,金属增材制造正在部分替代精密铸造技术,成为制造复杂零部件的新方式。以赛车涡轮增压器为例,该部件要求更复杂的几何形状、几何特征和材质,熔模铸造是以前唯一可用的方法。而基于选区激光熔化的3D打印技术为复杂涡轮增压器的设计与制造带来了全新的方式。本期,将分享的应用案例是一种3D打印高温合金双壁涡轮增压器,其设计采用了双壁结构,而这种复杂设计是无法通过传统工艺加工出来的。GF 加工方案通过软件、金属3D打印和后处理设备,以及专利设计的System 3R夹具这三股平行工作流程,为复杂双壁涡轮增压器提供了从设计到成品交付的完整增材制造解决方案。

传统熔模铸造工艺生产的涡轮增压器© GF加工方案

增材制造带来全新圈速记录

无论在赛道上还是在赛道外,速度才是致胜的关键,而风驰电掣的背后仰赖的是工程设计和制造的支持。

竞争日趋白热化,零件的设计与制造也同样面临巨大的挑战。以提速的首要装备——涡轮增压器为例,赛车领域的涡轮增压器有极为复杂的形状、几何特征和材质。

熔模铸造是以前唯一可用的方法,但它的局限性也同样明显。

 熔模铸造中存在的挑战

 

赛车需要提升竞争力,必须在遵循简洁设计的原则下使关键零件达到更高的性能,并且需要精确的平衡作用力,这就不可避免地需要频繁变更设计,相应的也就需要一个灵活和高效的生产工艺,而这正是工艺繁杂的熔模铸造是无法满足的。工艺环节越多,出错风险就越高,瑕疵产生机率越大,生产周期也更长。

要使涡轮增压器高效率地工作,必须有效隔热,用双壁结构形成空气间隙,避免内部的热量传递到外壳,但是,双壁结构的问题是难以铸造。

为了保持理想的工作压力,需要通过两个废气门来进行排气,铸造的方法是将主机壳、两个废气门分开制造然后再进行后续组装,这种方式显著增加成本和重量。

发动机的减重是另一个挑战,赛车的平均设计时速超过200 km/h,减重可以大幅提升性能。

因此,所有零件的壁厚都要尽可能薄,以减轻发动机的重量,但是薄壁的铸件强度又不足。

虽然铸造工艺也可以成型许多复杂的内部几何特征或功能面,但是基本上制造周期都比较长。另外,一些形状铸造是无法成型的,比如封闭式腔体内的几何特征既无法用铸造的方法成型,也无法在后续加工中成型。因此在前期设计涡轮增压器时就会受到铸造工艺的诸多限制。

熔模铸造的工艺环节繁多,生产周期长。长则难以满足赛车快节奏的要求。要进一步提升性能就需要使用更先进的技术,才能使赛车创造全新的圈速记录。

 增材制造带来的新设计与性能提升

© GF加工方案

增材制造可以最大化的释放设计自由,使之专注于零件的功能性,工程师在零件的设计中可以更接近理想的状态,并且可以突破工艺的限制将复杂的组件整合成一个完整的零件。

传统制造此涡轮增压器需要使用三个零件:主机壳和一侧的两个废气门。这两个部件铸造后,还需要焊接固定双壁隔热罩。如果使用增材制造技术,则可将该涡轮增压器设计为一个单件的零件,一体成型,废气门不需要密封垫或和组装,而是直接打印一个完整的壳体。这可以大大简化组装操作,减轻重量。

© GF加工方案

此外,整合后的单件零件还能提高涡轮增压器的整体可靠性。由于不需要加工公差严格的装配面,因此,可以减少不同零件间可能发生的泄漏而导致的失效。通常,还可以改进双壁结构的薄厚,进一步减轻重量,同时可以隔热,提高性能。

相比熔模铸造方法,金属3D打印生产的F1赛车零件为生产企业提供明显的时间成本和制造成本的优势。越来越多的高端汽车制造商在生产中采用增材制造技术快速和可靠地实现了制造目标。


© GF加工方案

GF加工方案通过软件、金属3D打印及后处理设备,以及专利设计的System 3R夹具三股平行工作流,为涡轮增压器提供从设计到成品交付的完整增材制造解决方案。

 如何突破精密铸造工艺的挑战

高温合金双壁涡轮增压器增材制造解决方案是由GF 加工方案 AMotion Center 应用中心(瑞士)针对用户需求开发的。2020年,GF AMotion Center 上海应用中心成立,为中国制造业用户推进增材制造应用,实现产品创新提供技术先进解决方案的支持。

 


 文章来源:GF 加工方案

   

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