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国际金属加工网 2019年08月21日

被称为激光选区熔化的3D打印工艺为金属零部件的增材制造提供了广泛的可能性。相比传统制造方式而言,使用增材制造所生产的零部件内部结构将更为坚固,重量也更轻。而增材制造进一步的优势是将原本多个组件集成到一个组件当中,这种功能集成和较少的后处理工作量可以在整个制造过程中节省大量的成本。CellCore公司将激光选区熔化技术的优势巧妙的应用于航空航天工业,正如此次的火箭引擎案例,通过与SLM Solutions的密切合作,使用镍基高温合金进行3D打印,成功实现了多功能推力室的一体化成型。

由CellCore公司和SLM Solutions公司生产的火箭引擎由推力室、带燃烧室壁的液体推进剂发动机核心部件、燃料入口和带氧化剂入口的喷射头组成。燃烧室里的化学反应产生气体,由于热的积聚而膨胀,然后以巨大的力量喷射出来。因此,驱动火箭所需的推力是利用反冲产生的。在燃烧过程中,燃烧室会产生极高的温度,因此必须冷却壁面以防止其燃烧。为了达到这一目的,液体燃料(如煤油或氢)通过燃烧室壁上的冷却管道向上输送,然后进入喷油头。在那里,燃料与氧化剂混合,并由火花塞点燃。而在传统生产方式中,冷却管道是通过在毛坯上钻孔,随后再通过多个繁琐的工作步骤进行密封得来。

使用激光选区熔化技术时,冷却管道将直接作为设计中的一部分,并在同一生产过程中与整个腔体一起成型。由于火箭引擎的复杂性,使用传统制造工艺不仅成本高昂工序繁琐,整个生产过程至少需要半年的时间。而在3D打印的火箭引擎中,CellCore展示了SLM®技术为航空航天工业提供的可能性,整个打印过程仅需要不到5个工作日的时间,同时还得到了一个经过优化和改进的一体化组件。

一体化的火箭推进引擎,结合喷射器和推力室,将众多的单个部件简化为一个,只有通过激光选区熔化工艺才能实现多功能集成的轻量化结构。CellCore公司所开发的内部结构遍布整个火箭引擎,不能使用传统工艺制造。它不仅适用于传热,而且提高了构件的结构稳定性。这个设计的冷却性能明显优于传统设计,例如集中作用的直角冷却管道,保障并优化了大量使用直角设计和整体稳定性之间的平衡关系,在提高表面反应率的同时也降低了电流电阻,大幅提升了引擎的整体效率。而另一方面,由于将众多额外的功能集于一身,省去了不必要的组件,加之轻量化设计的优势,整个火箭引擎的重量也比传统产品要轻很多。

SLM Solutions公司与CellCore公司的合作在项目的准备阶段就已开始,通过反复的沟通、确认及优化,确保成功制造出这类高度复杂的组件。SLM Solutions技术支持团队针对这种特殊的几何结构进行了参数开发,重点对下表面粗糙度进行了优化。在随后的深入交流中,SLM Solutions的应用工程团队又对零件的摆放方式给出了专业建议,并对零件的关键部位进行了确认及测试,保障零件的各项性能达到最高标准。为了满足航空航天工业对材料的高要求,火箭引擎最终使用镍基高温合金 IN718在SLM®280激光选区熔化设备上进行生产。

IN718是一种沉积硬化的镍铬合金,在700℃的环境下仍具有良好的抗拉、抗疲劳、抗蠕变和抗断强度,是飞机和燃气轮机部件以及许多其他高温应用的重要材料,其中也包括火箭推进引擎。使用传统工艺加工时,硬质材料加工难度大,刀具磨损严重。但是使用增材制造技术则无需担心此类问题,金属粉末将被直接熔化并成型为任意几何形状。

该引擎是使用SLM Solutions公司的SLM®280激光选区熔化设备制造的。SLM®280生产系列提供了一个280×280×365mm的成型舱和专利的多激光技术。它配备了一个粉末供应系统(PSV),不再需要使用粉瓶灌装粉末进行填充原料。在将粉末送入设备之前,粉末经由集成的超声波筛粉系统对其进行处理,确保不会有过大的颗粒或异物进入SLM®过程。PSV和SLM®设备之间的粉末由保护气流进行全自动化输送。在打印工作完成后,首先清理并回收粉末,然后将零件连同基板取出。最后,根据零件要求进行相应的热处理及线切割,并将多余的支撑结构去除。

尽管该引擎的结构复杂,但后处理量却是最小化的,尽可能的避免了刀具磨损。SLM®技术通过减少昂贵、耗时的制造步骤和简化火箭引擎结构节省了可观的成本。激光选区熔化为航空航天公司提供了一个机会,在保障卓越质量要求的同时,通过增加火箭系统的功能,运用轻量化设计和大幅缩短的开发、测试和生产周期,来提高自己的竞争地位。

CellCore GmbH的常务董事安德烈亚斯·克鲁格(Andreas Kruger)对此深信不疑:“这项概念研究显示,增材制造在航空航天领域和其他行业都具有巨大的潜力。我们对SLM®技术的可能性感到印象深刻,当看到由SLM®技术生产的具有高精度、高质量、多功能集成的冷却结构时,这个印象也变得更为深刻了。我们目前正在按照此项目中展现的各项原则开展相关工作,这将为航空发动机或涡轮组件带来巨大的附加值,例如实现温度可控等方面。”


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