Kā metāla 3D drukāšana var optimizēt augstas - spiediena vārsta ķermeņu struktūru?

1. Paņemšana garām tradicionālās ražošanas robežām: milzīgas atšķirības ģeometrisko brīvības pakāpes skaitā
Kalšana un apstrāde ir galvenās metodes, ko izmanto, lai padarītu tradicionālos augstos - spiediena vārsta ķermeņus, taču šīm metodēm ir vairāki ierobežojumi, piemēram, cik viegli ir nokļūt instrumentos un cik ātri tās var noņemt materiālu. Izstrādājot sarežģītus plūsmas kanālus, jums bieži ir jāveic tirdzniecība - off. Piemēram, ir jāapstrādā krusts - urbtas ejas hidrauliskajā vārsta korpusā, bet pa labi - leņķa pagriezieni var padarīt šķidruma turbulentu un pasliktināt spiediena zudumu.Metāla 3D drukāšana, no otras puses, var izveidot sarežģītu formu tieši, pievienojot slāņus.
Vairumā gadījumu:
SpaceX oksidētāja vārsta korpuss: Šis vārsta korpuss ir svarīga raķešu enerģijas sistēmu sastāvdaļa. Tam jāspēj rīkoties ar augstu temperatūru un augstu spiedienu. Dizaina komanda izmantoja SLM (selektīvu lāzera kausēšanas) tehnoloģiju, lai apvienotu tradicionālo multi - plūsmas kanāla komponentu montāžu vienā gabalā. Tas lika plūsmas kanāla sienas biezumam no 8 mm līdz 5 mm. Tajā pašā laikā tika izmantota topoloģijas optimizācija, lai samazinātu materiālu non - ielādē - gultņu laukumā. Tas vārsta korpusam padarīja par 40% vieglāku un 15MPA spēcīgāku pēc saspiešanas.
Itālijas uzņēmums AIDRO ir pārveidojis hidrauliskā vārsta bloku, izmantojot 3D drukas tehnoloģiju. Viņi nomainīja tradicionālo krustu - urbšanas plūsmas kanālu ar gludu pārejas izliektu plūsmas kanālu, kas samazina šķidruma spiediena zudumu par 25%, samazina vārsta bloka tilpumu par 30%un sasniedz šoka absorbciju un trokšņa samazināšanu, izmantojot iekšējo režģa struktūru.
Galvenie tehniskie punkti:
Konstrukcijas projektēšana, kas var sevi atbalstīt: paša projektēšana - Atbalsta leņķis no 45 grādiem līdz 55 grādiem padara mazāk ticamu, ka atbalsta struktūra nonāks plūsmas kanāla ceļā. Piemēram, titāna sakausējuma vārsta korpusam ir plūsmas kanāls, kas ir noliekts 45 grādos, lai atbalsta atlikums netiktu uzkrāts, kad tas tiek uzstādīts horizontāli.
Multi - ass kanālu optimizēšana: CFD (skaitļošanas šķidruma dinamikas) simulācijas izmantošana, lai atrastu kanāla labāko izliekuma rādiusu, lai šķidrums turpinātu vienmērīgi plūst ap stūriem. Izmantojot CFD pētījumu, vācu uzņēmums Simsons uzlaboja vārsta plūsmas kanāla izliekuma rādiusu no 3 mm līdz 6 mm, kas spiediena zudumu samazināja par 18%.
Dizains, kas darbojas kopā: Tipisko vārsta ķermeņu apvienošana, kas no vairākām detaļām ir jāsaliek vienas daļas struktūrā, kas samazina uz blīvējošo virsmu skaita . 3 D drukāšana apvieno 10 funkcionējošas detaļas gaisa kājām A380 spoilera hidrauliskā vārsta korpusu, kas samazina noplūdes iespēju par 60%.
2. Viegla un augsta izturība var pastāvēt līdzās: topoloģijas optimizācija noved pie struktūras revolūcijas
Augstajam - spiediena vārsta korpusam jābūt vieglam, bet pietiekami stipram, lai pretotos spiedienam, lai sistēma neizmantotu tik daudz enerģijas. Tradicionālajā dizainā tiek izmantotas empīriskas formulas, lai pārliecinātos, ka visas detaļas ir vienlīdz spēcīgas. No otras puses, metāla 3D drukāšanas un topoloģijas optimizācijas algoritmi var diezgan precīzi pārvaldīt materiālu izplatīšanu.
Vairumā gadījumu:
Liebherr aviācijas hidrauliskā vārsta korpuss: Liebherr izgatavoja titāna sakausējuma hidrauliskā vārsta korpusu Airbus A380. Izmantojot topoloģijas optimizāciju, viņi atbrīvojās no 35% no - slodzes - gultņu materiāliem, kas vārsta korpusu padarīja vieglāku (no 2,8 kg līdz 1,8 kg) un spēcīgāku (no 25 MPa līdz 25 MPa). Vārsta korpuss ir izgatavots ar SLM tehnoloģiju, kas tai piešķir slāņa biezumu 30 μm un RA virsmas raupjumu, kas ir mazāks vai vienāds ar 6,3 μm. Tas atbilst aviācijas pakāpes precīziem standartiem.
CGN kodolenerģijas vārsta korpuss ir izgatavots no 316L nerūsējošā tērauda, ​​un tam ir mainīga blīvuma režģa struktūras dizains. Tas padara to par 28% vieglāku, vienlaikus spējot izturēt 15MPa spiediena. Arī iekšējā plūsmas kanāla virsmas raupjums ir labāks nekā tradicionālajiem apstrādes procesiem.
Svarīgi tehniskie punkti:
Multi - Objektīvās topoloģijas optimizācija: ģenētiskais algoritms vai imitētais atkvēlināšanas algoritms atrod labāko materiāla sadalījumu, izmantojot kā robežas izturību, stīvumu un noguruma dzīvi. Piemēram, platīna blt - S400 var atrast 20 000 optimizētus mezglus vienā slānī un izgatavot vārsta korpusa formas, kas atbilst ASME BPVC specifikācijām.
Gradienta materiāla pielietojums: jūs varat mainīt lāzera jaudu vai skenēšanas ātrumu, lai mainītu materiāla darbību dažādās tās pašas sastāvdaļas daļās. Piemēram, uz vārsta korpusa blīvējuma virsmas laukuma tiek izmantota augsta - strāvas skenēšana, lai tas būtu grūtāks, savukārt zems - Strāvas skenēšana tiek izmantota daļā, kas nesniedz svaru, lai mazinātu atlikušo spriegumu.
Termiskā sprieguma kontrole: Augsts - spiediena vārsta korpuss var mainīt formu visā ražošanas procesā termiskā sprieguma dēļ, tāpēc, lai samazinātu kļūmes, nepieciešama procesa optimizācija. EOS M 400-4 izmanto dinamisku lāzera enerģijas kontroles tehnoloģiju, kas samazina titāna sakausējuma vārsta korpusa siltuma ietekmētās zonas (HAZ) lielumu no 0,5 mm līdz 0,2 mm un samazina atlikušo spriegumu par 40%.
3. kanāla veiktspējas lēciens: izmaiņas no "kanāla" uz "šķidruma vadības sistēmu"
Ir grūti iegūt precīzu kontroli pār šķidruma dinamikas veiktspēju ar tradicionālo vārsta ķermeņa plūsmas kanāla dizainu, jo tas izmanto empīriskas formulas. Inovatīvi dizainparaugi, piemēram, mikrokanāli un biomimētiskās plūsmas kanāli, pārvērš vārsta korpusu no "pasīvā kanāla" uz "aktīvu šķidruma vadības sistēmu".
Vairumā gadījumu:
Domine Fluid Power Servo vārsts ir 3D - drukāts servo vārsts, kuru pārveidoja Lielbritānijas uzņēmums Domin Corporation. Biomimētiskās haizivju ādas plūsmas kanāla dizains padara šķidrumu veido stabilu sienu - piestiprinātu plūsmu vārsta korpusa iekšpusē. Tas samazina turbulento troksni par 12dB un spiediena zudumu no 0,8MPa līdz 0,5MPA.
Renishaw buru laivas hidrauliskais vārsts: Renishaw izgatavoja hidraulisko vārstu Land Rover bāra buriniekam, kas izmanto 3D drukāšanu, lai izveidotu gludu, noapaļotu plūsmas kanālu. Tas padara šķidrumu pārraidi par 15% efektīvāku un palīdz buriniekam ātrāk iziet 0,3 mezglus Copa Amerikā.
Svarīgi tehniskie punkti:
Mikrikanālu izgatavošana: mikrokanālus ar diametru, kas mazāks par 0,5 mm, var izgatavot ar augstu - precīzu lāzera skenēšanu, piemēram, Huashu augsto tehnoloģiju FS121M-8 aprīkojuma 20000 mm/s skenēšanas ātrumu. Piemēram, medicīniskā vārsta korpuss ir 3D drukāts 0,3 mm mikrokanālu, kas padara zāļu sadalījumu precīzāku par ± 2%.
Biomimētiskā plūsmas kanāla dizains: dabā redzamu struktūru izmantošana, kas palīdz šķidrumiem labāk plūst, tādas lapu vēnas un asinsvadu sazarojoties, lai plūsmas kanāli būtu ar zemu pretestību. Pensilvānijas universitāte ražoja Inconel 718 sakausējuma hidraulisko vārstu, kas izmanto biomimētisko fraktāļu plūsmas kanāla dizainu, lai samazinātu spiediena kritumu par 30%.
Multi - Fizikas savienojuma optimizācija: tas ir šķidruma dinamikas, termodinamikas un strukturālās mehānikas izmantošanas process, lai analizētu, kā dažādi lauki mijiedarbojas savā starpā, lai iegūtu vislabāko veiktspēju no plūsmas kanāla un vārsta korpusa konstrukcijas. Piemēram, Simsons izmanto ANSYS Workbench platformu, lai vienlaikus optimizētu spiediena sadalījumu plūsmas kanālā un termisko spriegumu vārsta korpusā.
4. Materiālās inovācijas: vislabākā materiāla izvēle, nevis pieejamākā
Veidojot augstus - spiediena vārsta ķermeņus, jums ir jādomā par daudzām lietām, piemēram, cik spēcīgi tie ir, cik labi tie pretojas korozijai un cik labi viņi iztur augsto temperatūru. Apstrādes tehnoloģija ierobežo tradicionālo materiālu dažādību, bet metāla 3D drukāšana var ātri pārbaudīt un izmantot jaunus materiālus.
Tipiskā gadījumā:
Niķeļa - balstīts augsts - temperatūras sakausējuma vārsta korpuss: GE Aviation izgatavo Inconel 718 sakausējuma vārsta korpusus, izmantojot koncepcijas lāzera M2 tehnoloģiju. Pielāgojot lāzera enerģijas blīvumu (80–120J/mm³), materiāla blīvums tuvojas 99,9% un paliek ar ražas stiprumu 1200MPA pat augstā temperatūrā 650 grādu, kas ir tas, kas aviācijas dzinējiem nepieciešams.
Titāna alumīnija sakausējuma (tial) hidrauliskā vārsta korpuss, kas Platinum Lite un noteikts automašīnu izgatavotājs strādāja kopā, kontrolē un fāzes ļoti precīzi caur 3D drukāšanu. Tas samazina vārsta korpusa blīvumu no 4,5 g/cm³ līdz 3,8 g/cm³, vienlaikus saglabājot tā izturību 450MPa. Tas palīdz padarīt jaunus enerģijas transportlīdzekļus vieglākus.
Galvenie tehniskie punkti:
Jaunu materiālu izgatavošana: Augsta - veiktspējas sakausējumu materiālu izgatavošana, mainot pulvera sastāvu (piemēram, pievienojot SC, Zr un citus elementus). Piemēram, noteikts uzņēmums ir izveidojis 3D drukāšanu - specifisku titāna sakausējumu (Ti-6Al-4V-0,1b), kas ilgst 20% ilgāk nekā parastie materiāli, kad tie ir noguruši.
Drukāšanas tehnoloģija ar vairāk nekā vienu materiālu: vairāk nekā viena lāzera galvas vai sprauslas izmantošana var veikt gradienta pārejas starp dažādiem materiāliem. Piemēram, spēcīga sakausējuma drukāšana (piemēram, stellīta 6) uz vārsta korpusa blīvējuma virsmas un vieglā alumīnija sakausējuma uz galvenā korpusa rada labu kompromisu starp veiktspēju un izmaksām.
Materiālu datu bāzes izveidošana: iestatiet 3D drukāšanas datu bāzi - specifisku materiālu veiktspēju, lai palīdzētu ar dizainu. Piemēram, EOS materiālu datu bāzē ir informācija par 3D drukāšanas procesu un veiktspēju vairāk nekā 200 metāla materiālu veidiem.