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    鉑力特3D打印助力中國航發出品高度集成化的發動機

    來源:3D科學谷 2019-11-11 16:16

    慧正資訊:飛機上的零件每減輕一點重量就將使飛機節省大量的燃油消耗,以一架起飛重量達65噸的波音737 飛機為例,如果機身減輕一磅(約0.45千克),每年將節省數十萬美元燃油成本。

    在前不久舉行的第十八屆北京航展中,中國航發集團展示了中國航發增材制造發動機項目所取得的輕量化發動機設計成果。選區激光熔化金屬3D打印技術助力中國航發增材制造發動機項目制造了多個零部件,實現了發動機零件結構集成化設計,并實現了一體化打印。

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    實現減重目標

    中國航發增材制造發動機項目中的增材制造發動機零部件由鉑力特使用BLT-S310設備制造。項目主要有兩個創新點:

    1. 建立了基于增材制造技術的發動機零件集成化設計技術,通過該集成化技術,研制了一型基于增材制造技術的高度集成化的小型渦噴發動機,零件集成率高達81%,降低發動機裝配難度,提高發動機的可靠性和維修性;

    2. 建立面向增材制造和拓撲優化技術的零件輕量化設計技術,在創新結構空心離心葉輪、空心渦輪軸及空心渦輪盤等優化設計有了重大突破,并采用增材制造工藝實現了空心轉子件的加工制備。

    其中,導向器蒸發管組件、尾噴管均為薄壁結構,傳統加工方式為多個零件組裝而成,現采用3D打印工藝,可直接實現多個零件一體化成形;渦輪軸是空腔結構,鉑力特在項目過程中對渦輪軸進行了零件特征識別、設計區域劃分、拓撲優化計算和模型重構,實現了整體結構減重約19%。

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    同時,鉑力特還完成了離心葉輪、葉輪盤等零部件的增材制造工作,葉輪盤較薄部位的厚度為0.8mm,鉑力特采取尺寸補償控制葉片精度,將偏差控制在0.1mm以內,此葉輪盤零件經超轉破裂試驗,轉速可達到122000r/min。此外,鉑力特還在項目中協助解決了葉片及流道的尺寸控制問題。

    在整個項目中,鉑力特充分考慮客戶需求及航空發動機在結構、性能、工藝、強度、剛度、重量等各方面的要求,開展發動機零件結構集成化、輕量化設計研究,實現復雜零件一體化打印,助力中航發實現“與采用傳統加工工藝的發動機相比,發動機本體零件數減少50%以上,發動機本體減輕質量不低于15%”的項目目標。

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    在中國航發增材制造發動機項目中,實現發動機減重是重要目標。根據3D科學谷的市場研究,3D打印帶來了通過結構設計層面上達到輕量化的可行性。具體來說,3D打印通過結構設計層面實現輕量化的主要途徑有四種:中空夾層/薄壁加筋結構、鏤空點陣結構、一體化結構實現、異形拓撲優化結構。

    以上項目中的發動機零部件,在使用傳統加工方式制造時由多個零件組裝而成,而選區激光熔化3D打印工藝可直接實現多個零件一體化成形,這是3D打印技術實現發動機輕量化的重要途徑之一。鉑力特在前不久展示了為中國深藍航天液氧煤油試車發動機所制造的3D打印推力室,推力室的冷卻管道直接作為設計中的一部分,在同一生產過程中與整個腔體一起成型,這也是金屬3D打印技術在實現功能集成、一體化零件方面的典型應用。

    金屬3D打印已經成為航空和航空航天領域的一項關鍵技術,因為它的優勢與該行業的關鍵需求保持一致,包括減輕重量、節省燃料、提高運營效率、部件整合、加速上市時間和減少對零部件的存儲要求。

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