Kiek tikslus yra metalinis 3D spausdinimas sudėtingiems vidiniams kanalams orlaivio variklio purkštukuose?

Inžinieriai, dirbantys su orlaivių variklių degalų purkštukais, ne kartą susiduria su ta pačia problema. Vidiniai kuro ir aušinimo kanalai yra siauri, labai išlenkti ir dažnai šakojasi taip, kad nepasiektų joks įprastas grąžtas ar malūnas. Tradicinis sprendimas yra padaryti antgalį iš kelių atskirų dalių (dažnai keliolikos ar daugiau), tada juos lituoti arba suvirinti kartu. Esant ekstremalioms variklio veikimo temperatūroms ir slėgiams, kiekviena jungtis tampa galimu nuotėkio keliu ir nuovargio silpnąja vieta.

Praktinis klausimas yra paprastas: ar metalo priedų gamyba gali pagaminti šiuos kanalus kaip vientisą gabalą ir koks gamybos tikslumas yra realus? Šiame straipsnyje nagrinėjamas orlaivių variklių purkštukų metalo 3D spausdinimo tikslumas, apimantis matmenų toleranciją, vidinio paviršiaus kokybę ir mažiausius funkcinių kanalų dydžius. Jame remiamasi paskelbtais pramonės rezultatais, įskaitant GE LEAP degalų antgalį, ir aprašomi tolesnio apdorojimo žingsniai, kurie spausdintą geometriją paverčia skrydžiui paruošta aparatine įranga.

Degalų purkštukai turi užtikrinti tikslų purškimą, išlaikant aukštą temperatūrą, vibraciją ir pasikartojančius terminius ciklus. Vidinė geometrija, kuri tai leidžia, negali būti sukurta vien atimantis procesais. Todėl įprastinė gamyba remiasi kelių dalių konstrukcija: atskiri komponentai apdirbami arba liejami, sukraunami, išlygiuojami ir sujungiami. Kiekvieną jungtį reikia patikrinti, o liekamieji įtempimai dėl sujungimo gali sutrumpinti nuovargio tarnavimo laiką. Baigtas mazgas yra sunkesnis, brangesnis gaminti ir turi daugiau galimų gedimo vietų.

Vidinio kanalo metalo 3D spausdinimas pašalina šių jungčių poreikį, nes sukuriamas visas srauto tinklas vienu nepertraukiamu procesu. Projektavimo laisvė yra aiški, tačiau tikslumas vis tiek turi atitikti aviacijos ir kosmoso reikalavimus.

Lazerinio miltelių sluoksnio suliejimo procesai, tokie kaip DMLS arba SLM, sukuria tankias metalines dalis sluoksnis po sluoksnio. Galutinis tikslumas priklauso nuo dalies dydžio, lydinio, konstrukcijos orientacijos ir tolesnio apdorojimo grandinės.

Matmenų tolerancija
Įprastų aviacijos ir kosmoso lydinių (Inconel, kobalto-chromo, titano) matmenų tikslumas paprastai yra nuo ±0,1 mm iki ±0,2 mm arba apie ±0,1–0,2 % vardinio matmens. Mažesnės funkcijos ir trumpesnis pastatymo aukštis paprastai veikia geriau. Po įtempių mažinimo terminio apdorojimo ir CNC apdirbimo kritinėse sąsajose, pasiekiamuose paviršiuose įprastai pasiekiami nuokrypiai nuo ±0,02 mm iki ±0,05 mm. Praktiškai metalinio 3D spausdinto kuro purkštuko išorinių sujungimo savybių tolerancija gali atitikti įprastą precizinį apdirbimą, kai atliekami tinkami apdailos žingsniai.

Verta atkreipti dėmesį į vieną lauko pastebėjimą: dalys, kurios puikiai atrodo ant CMM iškart po spausdinimo, po terminio apdorojimo gali pasislinkti keliomis šimtosiomis milimetro dalimis, jei liekamasis įtempis nėra tinkamai valdomas. Orientacija ir palaikymo strategija yra svarbūs tiek pat, kiek ir pati mašina.

Paviršiaus šiurkštumas kanalų viduje
Atspausdinto DMLS paviršiaus šiurkštumas paprastai matuojamas Ra 5–20 μm ant išorinių paviršių, o didesnės vertės nukreiptose į apačią arba prie atramos kontakto srityse. Sudėtingų kanalų viduje šiurkštumas dažnai būna panašus arba šiek tiek didesnis, nes sunkiau kontroliuoti miltelių sukibimą ir sluoksnio žingsnius. Ši tekstūra padidina srauto pasipriešinimą ir gali paskatinti koksavimą kuro sistemose. Todėl tikslingas tolesnis apdorojimas yra būtinas našumui svarbioms ištraukoms.

Mažiausias praktinis kanalo dydis
Įprastai pasiekiami vertikalūs arba beveik vertikalūs 0,8–1,0 mm skersmens kanalai. Horizontalūs arba sandariai išlenkti kanalai reikalauja kruopštaus orientavimo; Jei skersmuo mažesnis nei 0,5 mm, tampa sunku pašalinti miltelių likučius ir patikimai patikrinti. Funkcinių degalų arba aušinimo kanalų gamybos aviacijos ir kosmoso dalyse praktinis diapazonas paprastai yra 0,5–1,5 mm, atsižvelgiant į lydinio ir konstrukcijos apribojimus.

Trumpas palyginimas:

Šie diapazonai pateikia realų atsakymą į tai, koks tikslus gali būti variklio purkštukų procesas ir kokie kanalų dydžiai yra praktiški gamyboje.

Žinomiausias pramonės pavyzdys išlieka GE LEAP variklio degalų antgalis. Tradiciškai surinktas iš maždaug 20 atskirų dalių, kurios buvo lituotos ir suvirintos, antgalis dabar gaminamas kaip vienas kobalto-chromo komponentas. Vieši duomenys rodo, kad svoris sumažėjo 25 %, o ilgaamžiškumas padidėjo penkis kartus, daugiausia dėl to, kad buvo pašalintos jungtys, kurios anksčiau ribojo gyvenimą. Dešimtys tūkstančių šių purkštukų buvo pagaminta serijiniu būdu, o tai patvirtina, kad orlaivių variklių purkštukų metalo 3D spausdinimo tikslumas gali atitikti skrydžio sertifikavimo reikalavimus.

Standartų institucijos turi formalizuotus vertinimo metodus. ISO/ASTM 52902 apibrėžia matmenų tikslumo ir skiriamosios gebos bandymo artefaktus. ISO/ASTM 52908 susijęs su miltelinio sluoksnio lydyto metalo dalių tolesniu apdorojimu, tikrinimu ir bandymu. Šie dokumentai suteikia pirkėjams ir tiekėjams bendrą sistemą tolerancijos ir vidinio kanalo kokybei nurodyti ir tikrinti.

Atspausdinta geometrija yra tik pradinis taškas. Tipiška didelio našumo purkštukų seka apima:

Atramos pašalinimas, po kurio atliekamas įtempį mažinantis terminis apdorojimas (ir dažnai karštas izostatinis presavimas), siekiant sumažinti liekamąjį įtempį ir uždaryti vidinį poringumą.

Išorinių atskaitos taškų, flanšų ir sandarinimo paviršių CNC apdirbimas, kad būtų pasiekta galutinė metalo 3D spausdinimo kuro purkštuko tolerancija.

Vidinio kanalo apdaila – abrazyvinis apdirbimas srautu, cheminis poliravimas arba elektrocheminiai metodai – siekiant sumažinti DMLS paviršiaus šiurkštumą ir pagerinti srautą.

Neardomasis patikrinimas, dažniausiai kompiuterinė tomografija (KT), skirta patikrinti vidinę geometriją ir aptikti miltelių likučius arba defektus, o po to atliekamas srauto bandymas tipinėmis sąlygomis.

Kiekvienas žingsnis yra kontroliuojamas ir dokumentuojamas, todėl baigta dalis atitinka tiek matmenų, tiek funkcinius reikalavimus. Bet kurio iš jų praleidimas yra dažna priežastis, dėl kurios dalys, kurios gerai atrodo ant popieriaus, nepavyksta atlikti funkcinių testų.

Klientui, kuriamam naujos kartos degimo kameros antgalį, reikėjo labai išlenktų 0,8–1,2 mm skersmens aušinimo kanalų tinklo ir griežtų išorinės sąsajos leistinų nuokrypių. Įprastai kelių dalių gamybai būtų reikėję kelių litavimo jungčių.

Pirmojo prototipo konstrukcija patvirtino, kad išorinės savybės buvo ± 0, 15 mm atstumu, kaip atspausdinta, tačiau kompiuterinė tomografija atskleidė miltelių likučius dviejuose griežčiausiuose posūkiuose ir vietinį sienos storio pokytį 0, 08 mm. Sureguliavus orientaciją, patobulinus palaikymo strategiją ir pridėjus kontroliuojamą abrazyvinio srauto žingsnį, kitos dalys visiškai išvalė kanalus. Kritiniai tvirtinimo paviršiai buvo apdoroti CNC iki ± 0, 03 mm. Srauto bandymas parodė, kad slėgis sumažėjo 4 % nuo projektinio tikslo, o terminis ciklas patvirtino, kad ankstesnėse jungčių vietose įtrūkimų nėra.

Projektas parodė, kad pajėgus metalo 3D spausdinimo gamintojas gali derinti proceso valdymą su sistemingu tolesniu apdorojimu, kad pristatytų funkcionalią aviacijos ir kosmoso įrangą. Bendradarbiavimas su patyrusia metalo 3D spausdinimo gamykla Kinijoje taip pat leido greitai pakartoti pirmuosius gaminius prieš pereinant prie mažų partijų gamybos pagal užsakymą metalo 3D spausdintų dalių didmeninės prekybos.

Atliekant darbą, kuris yra svarbus skrydžiui arba našumui, tiekėjo vertinimas turėtų būti ne tik mašinos prekės ženklas:

Patvirtinkite pasirinkto lydinio aviacijos ir kosmoso kokybės sistemų ir medžiagų sertifikatus.

Prašykite mėginių tikrinimo paketų, kuriuose būtų matmenų duomenys, KT rezultatai ir vidinio paviršiaus šiurkštumo matavimai.

Pradėkite nuo prototipo partijos, o ne nuo viso tūrio; tai anksti išsprendžia orientacijos ir apdailos problemas.

Iš anksto susitarkite, kaip bus tikrinami leistini nuokrypiai – GD&T, funkciniai matuokliai arba abu.

Įvertinkite nuoseklių aviacijos ir kosmoso metalo 3D spausdinimo paslaugų pajėgumus augant kiekiui.

Patikimas metalo priedų gamybos tiekėjas vertina tikslumą kaip visą proceso grandinę nuo miltelių iki galutinio patikrinimo.

ESTA buvo pastebėtas pramonės diskusijose už savo darbą su sudėtingais metalo priedų komponentais, kurie apima sudėtingas vidines geometrijas. Dėmesys proceso dokumentacijai ir kontroliuojamam tolesniam apdorojimui padėjo įgyvendinti projektus, kuriems reikia tiek projektavimo laisvės, tiek išmatuojamo matmenų valdymo. Toks pripažinimas yra vienas praktinių patirties rodiklių vertinant partnerius aviacijos ir kosmoso reikmėms.

Metalo priedų gamyba perėjo nuo demonstravimo laboratorijoje prie sertifikuotos kai kurių reikliausių aviacijos komponentų gamybos. Kai tikslumas įvertinamas realistiškais skaičiais, atsižvelgiant į toleranciją, paviršiaus kokybę ir kanalo dydį, ir kai nuo pat pradžių planuojamas tolesnis apdorojimas, technologija suteikia geometrinę laisvę ir funkcines savybes, kurias tradiciniai metodai sunkiai suderina.

Jei jūsų projektas apima sudėtingus vidinius srauto kelius, pasidalykite geometrija, medžiagų pasirinkimu ir pagrindiniais veiklos tikslais. Praktinis pasiekiamo metalo 3D spausdinimo tikslumo orlaivių variklių purkštukams įvertinimas kartu su proceso rekomendacijomis ir citata paprastai gali būti parengtas per vieną ar dvi darbo dienas.