金属增材制造系统加速初创型企业新发动机的原型设计

文章来源:MM《现代制造》 点击数:352 发布时间:2019-11-20
Desktop Metal的Studio系统演示了为Lumenium的IDAR发动机在制作原型和改进零件方面节省了时间及成本。
金属增材制造系统加速初创型企业新发动机的原型设计

快速原型化的能力是初创型企业的一大优势,它们通常需要快速地对部分功能和设计进行升级,以尽可能快地将产品推向市场。来自Desktop Metal的金属增材制造的Studio系统帮助一家初创行企业生产出一种新型内燃机原型零件的方法,比传统的机械加工方法速度更快、成本更低,且它还帮助这家企业改善了零件的整体情况。

Lumenium是一家总部位于Virginia的初创型企业,其研发了一系列的新型内燃机,该企业将其逆位移不对称旋转(IDAR)的发动机描述为一种用于产生强大且高效内燃的新型设计。它的几何结构可帮助一台小型且轻型的发动机的有效输出比传统的内燃机消耗更少的燃料,且产生更低的排放。

Lumenium每月大约生产20个IDAR发动机的原型零件,其大部分零件(约95%)是在室内使用五轴数控加工和线切割所加工制造的(图1)。加工这些零件所需的复杂几何形状涉及复杂的刀具路径,有时需要80多种不同的加工操作。每个加工操作过程都需要重新编程,这通常涉及自定义夹具和一名操作人员来重新组合部件。一名操作人员花费数周时间来完成一项复杂的工作,而一些部件还需要外部供应商提供后处理服务,这些都会使生产时间增加超过三周。剩下5%的原型零件,通常是传统的圆形零件,会立即送到外部加工车间进行加工,这一过程平均需要三周的时间,而较长的交付时间限制了企业在设计迭代方面的能力,也可能会影响发动机的性能。

图1 Lumenium每月为其IDAR发动机生产大约20个原型零件,包括这个装配,其中含有一个鞍座托架、摆臂和连杆,摆臂安装在发动机中
图1 Lumenium每月为其IDAR发动机生产大约20个原型零件,包括这个装配,其中含有一个鞍座托架、摆臂和连杆,摆臂安装在发动机中

除了较长的交货时间和较高的成本外,机械加工还限制了轻量化零件的选择。重量对发动机性能而言至关重要,发动机重量减少50%可以使额定发动机转速(RPM)和功率输出增加一倍。使用传统的加工方法,减轻重量的方式是选择较轻的材料或改变零件的几何形状。这些都不是Lumenium的选择。像铝这样的较轻型材料在发动机运转的高温下会膨胀,对于发动机零件来说,钢材料应该是更好的选择,原因就在于它的耐热性更好。改变零件的几何形状会加工过程更加耗时且复杂,且结构中可能会出现问题。

增材制造方式可以生产满足发动机要求的零件,且可以处理复杂的零件几何形状,如提高性能的内部冷却通道。Lumenium选择探究Desktop Metal的Studio系统的使用,将在其现有的工作场所引进金属增材制造作为一种潜在方法,用于复杂部件的设计迭代和功能的原型制作。

Studio系统是一个由三部分组成的金属制造解决方案,对于办公环境是安全的。首先,采用类似于熔融沉积建模(FDM)打印机的方式,该打印机结合金属进行加热并将其挤压到构建板上,一层一层地对零件进行打印成形,并提供功能原型所需的分辨率和精度。当零件被打印出来后,脱胶机准备将零件烧结。然后将它们放入熔炉中,除去剩余的粘合剂并将金属颗粒熔合在一起(图2)。

图2 Desktop Metal的Studio系统可对Lumenium的鞍座托架、摆臂和连杆的金属原型进行3D打印。Studio系统包括3D打印机、脱胶机和加热炉,它们都可以在办公环境中安全地使用
图2 Desktop Metal的Studio系统可对Lumenium的鞍座托架、摆臂和连杆的金属原型进行3D打印。Studio系统包括3D打印机、脱胶机和加热炉,它们都可以在办公环境中安全地使用

因为打印机使用金属棒而非金属粉末,低排放的脱胶机不需要外部通风,这使得在办公环境中使用该打印机是安全的(图3)。该Studio系统还可以打印闭孔填充的金属部件,这是一种内部晶格结构。用户可以使用该系统的Fabricate软件调整填充间距,以满足强度和重量的要求。带有填充物的零件在保持强度的同时具有较低的热传导,并且降低了零件的重量,这使得Lumenium能够用钢制造出轻量化的部件。Fabricate软件还允许用户有选择地调整填充周围外壳的厚度,这样就不会在加工过程中溢出。

图3 Studio系统使用金属结合棒代替金属粉末,3D打印机加热和挤压金属棒,一层一层地塑造零件。当零件打印好后,脱胶机和熔炉将粘合剂除去,并将金属颗粒熔合在一起
图3 Studio系统使用金属结合棒代替金属粉末,3D打印机加热和挤压金属棒,一层一层地塑造零件。当零件打印好后,脱胶机和熔炉将粘合剂除去,并将金属颗粒熔合在一起
图4 3D打印的鞍座托架装配有摆臂和连杆,与机械加工的鞍座托架相比,其成本降低了74%,生产速度加快额43%。由于采用了闭孔填充,3D打印的鞍座托架的重量也比机械加工的鞍座托架轻了39%
图4 3D打印的鞍座托架装配有摆臂和连杆,与机械加工的鞍座托架相比,其成本降低了74%,生产速度加快额43%。由于采用了闭孔填充,3D打印的鞍座托架的重量也比机械加工的鞍座托架轻了39%

Lumenium向Desktop Metal提交了三个原型零件以进行初始的基准测试。这些部件(鞍座托架、摆臂和连杆)装配在IDAR发动机的一个组件中。在Studio系统进行3D打印之前,公司做了一些设计上的修改以使零件适应工艺流程。对于这三个零件,经证明,Studio系统比机械加工更快且成本更低。例如,3D打印的鞍座托架比机械加工的鞍座托架节省了74%的成本、43%的时间和39%的重量(图4)。

该系统还减少了加工操作的次数。Lumenium对3D打印零件进行了后处理,包括机加工和线切割加工。在编程中,印刷零件的后处理所需的夹具更少,因此与机械加工的零件所需的后处理相比,其所需步骤更少,且更容易执行。对于鞍座托架,Lumenium对其关键表面进行了加工,在顶部和底部添加了锯齿,并钻孔和打钉孔。

由于IDAR发动机是一个复杂产品,具有很高的性能要求,所以它经历了多代的升级,每代都有长达3~5年的设计、原型制作和迭代的阶段。产生符合机械性能要求的轻量化零件的频繁迭代的能力提高了发动机的整体性能。Lumenium公司表示,Studio系统能够快速地生产原型零件,这可以将其设计迭代减少一半,且可能对产品的开发周期和收入模式产生重大的影响。