Cik precīza ir metāla 3D drukāšana sarežģītiem iekšējiem kanāliem gaisa kuģu dzinēju sprauslās?

Inženieri, kas strādā pie lidmašīnu dzinēju degvielas sprauslām, atkārtoti saskaras ar vienu un to pašu problēmu. Iekšējie degvielas un dzesēšanas kanāli ir šauri, ļoti izliekti un bieži sazarojas tā, ka nevar sasniegt neviens parasts urbis vai dzirnavas. Tradicionālais risinājums ir izgatavot sprauslu no vairākiem atsevišķiem gabaliem (bieži vien duci vai vairāk), pēc tam tos lodēt vai sametināt kopā. Katrs savienojums kļūst par iespējamu noplūdes ceļu un noguruma vājo punktu dzinēja darbības galējās temperatūrās un spiedienā.

Sekojošais praktiskais jautājums ir vienkāršs: vai metāla piedevu ražošana var ražot šos kanālus kā vienu gabalu, un kāds ražošanas precizitātes līmenis ir reāls? Šajā rakstā ir apskatīta metāla 3D drukāšanas precizitāte gaisa kuģu dzinēju sprauslām, aptverot izmēru pielaidi, iekšējās virsmas kvalitāti un mazākos funkcionālo kanālu izmērus. Tas balstās uz publicētajiem nozares rezultātiem, tostarp GE LEAP degvielas sprauslu, un izklāsta pēcapstrādes darbības, kas pārvērš drukāto ģeometriju lidojumam gatavā aparatūrā.

Degvielas sprauslām ir jānodrošina precīza izsmidzināšana, vienlaikus izturot augstu temperatūru, vibrāciju un atkārtotu termisko ciklu. Iekšējo ģeometriju, kas to padara iespējamu, nevar izveidot tikai ar atņemšanas procesiem. Tāpēc tradicionālā ražošana balstās uz vairāku daļu konstrukciju: atsevišķas sastāvdaļas tiek apstrādātas vai izlietas, sakrautas, izlīdzinātas un savienotas. Katrs savienojums ir jāpārbauda, ​​un savienojuma rezultātā radušies atlikušie spriegumi var saīsināt noguruma kalpošanas laiku. Gatavais mezgls ir smagāks, to izgatavošana ir dārgāka, un tajā ir vairāk potenciālo atteices punktu.

Iekšējā kanāla metāla 3D drukāšana novērš nepieciešamību pēc šiem savienojumiem, veidojot visu plūsmas tīklu vienā nepārtrauktā procesā. Dizaina brīvība ir skaidra, taču precizitātei joprojām jāatbilst kosmosa prasībām.

Lāzera pulvera slāņa saplūšanas procesi, piemēram, DMLS vai SLM, veido blīvas metāla daļas slāni pa slānim. Galīgā precizitāte ir atkarīga no detaļas izmēra, sakausējuma, uzbūves orientācijas un sekojošās pēcapstrādes ķēdes.

Izmēru tolerance
Izdrukāto izmēru precizitāte parastajiem kosmosa sakausējumiem (Inconel, kobalta-hroms, titāns) parasti ir diapazonā no ±0,1 mm līdz ±0,2 mm jeb aptuveni ±0,1–0,2 % no nominālā izmēra. Mazākas funkcijas un īsāki konstrukcijas augstumi parasti darbojas labāk. Pēc sprieguma samazināšanas termiskās apstrādes un kritisko saskarņu CNC apstrādes uz pieejamām virsmām parasti tiek sasniegtas pielaides no ±0,02 mm līdz ±0,05 mm. Praksē metāla 3D drukātā degvielas sprauslas pielaide ārējiem savienojuma elementiem var atbilst parastajai precīzai apstrādei, tiklīdz tiek veiktas pareizās apdares darbības.

Viens no lauka novērojumiem, ko vērts atzīmēt: detaļas, kas CMM izskatās lieliski uzreiz pēc drukāšanas, pēc termiskās apstrādes var pārvietoties par vairākām milimetru simtdaļām, ja atlikušais spriegums netiek pareizi pārvaldīts. Orientācijai un atbalsta stratēģijai ir tikpat liela nozīme kā pašai mašīnai.

Virsmas raupjums kanālu iekšpusē
Apdrukātas DMLS virsmas raupjums parasti mēra Ra 5–20 μm uz ārējām virsmām, bet augstākas vērtības uz leju vērstām vai atbalsta saskares zonām. Sarežģītu kanālu iekšpusē nelīdzenums bieži ir līdzīgs vai nedaudz lielāks, jo pulvera saķeri un slāņa pakāpienus ir grūtāk kontrolēt. Šī tekstūra palielina plūsmas pretestību un var veicināt koksēšanu degvielas sistēmās. Tāpēc mērķtiecīga pēcapstrāde ir būtiska veiktspējai kritiskām rindkopām.

Mazākais praktiskais kanāla izmērs
Parasti ir pieejami vertikāli vai gandrīz vertikāli kanāli ar diametru 0,8–1,0 mm. Horizontāliem vai cieši izliektiem kanāliem nepieciešama rūpīga orientācija; Diametrus, kas ir mazāki par aptuveni 0,5 mm, ir grūti attīrīt no atlikušā pulvera un droši pārbaudīt. Funkcionālajiem degvielas vai dzesēšanas kanāliem ražošanas kosmosa daļās praktiskais diapazons parasti ir 0,5–1,5 mm atkarībā no sakausējuma un konstrukcijas ierobežojumiem.

Īss salīdzinājums:

Šie diapazoni sniedz reālistisku atbildi uz to, cik precīzs process var būt dzinēja sprauslām un kādi kanālu izmēri ir praktiski izmantojami ražošanā.

Pazīstamākais industriālais piemērs joprojām ir GE LEAP dzinēja degvielas uzgalis. Tradicionāli montēts no aptuveni 20 atsevišķiem gabaliem, kas tika lodēti un metināti, tagad uzgalis tiek ražots kā viena kobalta-hroma sastāvdaļa. Publiskie dati liecina par svara samazinājumu par 25 % un pieckārtīgu izturību, galvenokārt tāpēc, ka tika likvidētas locītavas, kas iepriekš ierobežoja kalpošanas laiku. Desmitiem tūkstošu šo sprauslu ir ražotas sērijveidā, kas apliecina, ka lidmašīnu dzinēju sprauslu metāla 3D drukas precizitāte var apmierināt lidojumu sertifikācijas prasības.

Standartu institūcijas ir formalizētas vērtēšanas metodes. ISO/ASTM 52902 nosaka testa artefaktus izmēru precizitātei un izšķirtspējai. ISO/ASTM 52908 attiecas uz pulvera slāņa kausēšanas metāla detaļu pēcapstrādi, pārbaudi un testēšanu. Šie dokumenti sniedz pircējiem un piegādātājiem vienotu sistēmu pielaides un iekšējā kanāla kvalitātes noteikšanai un pārbaudei.

Iespiestā ģeometrija ir tikai sākumpunkts. Tipiska augstas veiktspējas sprauslu secība ietver:

Atbalsta noņemšana, kam seko spriedzes samazināšanas termiskā apstrāde (un bieži vien karstā izostatiskā presēšana), lai samazinātu atlikušo spriegumu un aizvērtu iekšējo porainību.

Ārējo nulles punktu, atloku un blīvējuma virsmu CNC apstrāde, lai sasniegtu galīgo metāla 3D drukāto degvielas sprauslu pielaidi.

Iekšējā kanāla apdare — abrazīvās plūsmas apstrāde, ķīmiskā pulēšana vai elektroķīmiskās metodes — lai samazinātu DMLS virsmas raupjumu un uzlabotu plūsmu.

Nesagraujošā pārbaude, visbiežāk datortomogrāfija (CT), lai pārbaudītu iekšējo ģeometriju un noteiktu atlikušo pulveri vai defektus, kam seko plūsmas pārbaude reprezentatīvos apstākļos.

Katrs solis tiek kontrolēts un dokumentēts, lai gatavā daļa atbilstu gan izmēru, gan funkcionālajām prasībām. Jebkuras no tām izlaišana ir izplatīts iemesls, kāpēc daļas, kas labi izskatās uz papīra, neizdodas funkcionālos testos.

Klientam, kurš izstrādāja nākamās paaudzes sadedzināšanas kameras sprauslu, bija nepieciešams ļoti izliektu dzesēšanas kanālu tīkls ar diametru no 0,8 mm līdz 1,2 mm, kā arī stingras ārējās saskarnes pielaides. Tradicionālajai vairāku daļu izgatavošanai būtu nepieciešami vairāki lodēšanas savienojumi.

Pirmā prototipa konstrukcija apstiprināja, ka ārējie elementi bija ± 0,15 mm robežās, kā drukāts, bet CT skenēšana atklāja pulvera atlikumu divos no visciešākajiem līkumiem un vietējās sienas biezuma izmaiņas 0,08 mm. Pēc orientācijas pielāgošanas, atbalsta stratēģijas uzlabošanas un kontrolētas abrazīvās plūsmas posma pievienošanas nākamās daļas pilnībā iztīrīja kanālus. Kritiskās montāžas virsmas tika apstrādātas ar CNC līdz ± 0, 03 mm. Plūsmas pārbaude parādīja spiediena kritumu 4 % robežās no projektētā mērķa, un termiskā cikliskums apstiprināja, ka iepriekšējās savienojuma vietās nav plaisu.

Projekts parādīja, ka spējīgs metāla 3D drukas ražotājs var apvienot procesa vadību ar sistemātisku pēcapstrādi, lai nodrošinātu funkcionālu kosmosa aparatūru. Sadarbība ar pieredzējušu metāla 3D drukāšanas rūpnīcu Ķīnā arī ļāva ātri atkārtot pirmos rakstus, pirms tika pāriets uz pielāgotu metāla 3D drukāto detaļu vairumtirdzniecību nelielās sērijās.

Ja darbs ir svarīgs lidojumam vai ir atkarīgs no veiktspējas, piegādātāja novērtējumā ir jāaplūko ne tikai mašīnas zīmols:

Apstipriniet aviācijas un kosmosa kvalitātes sistēmas un materiālu sertifikātus izvēlētajam sakausējumam.

Pieprasiet paraugu pārbaudes paketes, kas ietver izmēru datus, CT rezultātus un iekšējās virsmas raupjuma mērījumus.

Sāciet ar prototipa partiju, nevis pilnu apjomu; tas agri novērš orientācijas un apdares problēmas.

Iepriekš vienojieties par to, kā tiks pārbaudītas pielaides — GD&T, funkcionālie mērītāji vai abi.

Novērtējiet jaudu konsekventam aviācijas un kosmosa metāla 3D drukāšanas pakalpojumam, pieaugot daudzumam.

Uzticams metāla piedevu ražošanas piegādātājs uzskata precizitāti kā pilnīgu procesa ķēdi no pulvera līdz galīgajai pārbaudei.

ESTA ir atzīmēta nozares diskusijās par darbu pie sarežģītām metāla piedevu sastāvdaļām, kas ietver prasīgas iekšējās ģeometrijas. Uzsvars uz procesa dokumentāciju un kontrolētu pēcapstrādi ir atbalstījis projektus, kuriem nepieciešama gan dizaina brīvība, gan izmērāma izmēru kontrole. Šāda atzīšana ir viens praktisks pieredzes rādītājs, novērtējot partnerus aviācijas un kosmosa lietojumiem.

Metāla piedevu ražošana ir pārgājusi no laboratorijas demonstrējumu uz sertificētu ražošanu dažiem visprasīgākajiem komponentiem aviācijā. Ja precizitāti novērtē ar reāliem skaitļiem attiecībā uz pielaidi, virsmas kvalitāti un kanāla izmēru un ja pēcapstrāde tiek plānota no paša sākuma, tehnoloģija nodrošina ģeometrisku brīvību un funkcionālo veiktspēju, ko tradicionālām metodēm ir grūti saskaņot.

Ja jūsu projekts ietver sarežģītus iekšējos plūsmas ceļus, kopīgojiet ģeometriju, materiālu izvēli un galvenos veiktspējas mērķus. Lidmašīnu dzinēju sprauslām sasniedzamās metāla 3D drukas precizitātes praktisku novērtējumu kopā ar procesa ieteikumiem un citātu parasti var sagatavot vienas līdz divu darba dienu laikā.