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金属3D打印加速发动机零件的产品开发

快速原型设计对于任何初创公司来说都很重要,Lumenium知晓快速迭代会影响发动机的性能并缩短上市时间。这就是为什么该公司正在寻找比线材放电加工(EDM)和内部数控机床更具成本效益、更快速的方法来构建发动机装配零件原型,其找到了Desktop Metal的Studio系统。

大约一年前,总部位于马萨诸塞州的Desktop Metal向大众推出了备受期待的金属3D打印机:Desktop Metal Studio System和Desktop Metal Production System。在过去的这个冬天,该公司将Studio Systems运送到其首批先锋计划客户,其中包括弗吉尼亚州初创公司Lumenium LLC。

据悉,Lumenium正在努力开发一系列内燃机,并在新时代为发动机重塑内燃机。该创业公司的新颖设计-反向位移不对称旋转(IDAR)发动机将有助于实现这一目标,其以独特的几何形状和能力产生强大而有效的内燃。

IDAR发动机部件需要低热膨胀、高尺寸精度和动态载荷下的强度,以在内燃机(ICE)的极端应力和热量下承受很大压力。此外,这些部件必须轻量化以实现高效率和良好的整体功率密度。

快速原型设计对于任何初创公司来说都很重要,Lumenium知晓快速迭代会影响发动机的性能并缩短上市时间。这就是为什么该公司正在寻找比线材放电加工(EDM)和内部数控机床更具成本效益、更快速的方法来构建发动机装配零件原型,其找到了Desktop Metal的Studio系统。

虽然价值3500亿美元的ICE市场有三种典型的引擎类别,但现在增加了IDAR引擎。但这并不容易-它的组件必须承受1500°C的燃烧温度、1500 psi的动态负载条件和燃烧力。

根据Desktop Metal的一项新案例研究,“设计具有极高性能要求的复杂产品导致了多代发动机设计,每个发动机都有一个长期的设计、原型设计和迭代的概念阶段。执行频繁设计迭代的能力对最终发动机性能具有显著的有益影响。每一代IDAR引擎的全部开发周期需要三到五年的时间。确定一种更快、更具成本效益的原型开发方法对于IDAR引擎开发至关重要,并且在满足其他机械性能要求的同时,轻型零件的能力直接影响发动机性能。”

每个月,Lumenium制造大约20个原型零件,其中95%在内部采用线切割加工和5轴CNC加工,其他5%通常是圆形零件,被送到外面的机器商店。但是,这些原型零件的100%交货则需要接近一个月,如果不能缩短时间,这会妨碍初创公司快速迭代其发动机设计的能力。

除了成本高外,机加工还存在另一个问题,其无法提供多种选择来制造轻质零件。对于像Lumenium这样的公司来说,这是一个问题,因为发动机的重量减轻50%可以使其功率输出和RPM增加一倍。早期的IDAR发动机版本由轻质铝块加工而成。但是这种金属随着温度的升高而膨胀,所以Lumenium决定用钢材打印发动机零部件,其热膨胀系数比铝小68%。

Lumenium选择使用Desktop Metal的3D打印机来满足苛刻的发动机要求并实现复杂的几何形状零件。另外,DM Studio System 可以3D打印带闭孔填充物的部件,可以根据重量和强度要求进行调整。

该初创公司提交了三个部分:鞍架、摇臂和连杆,以用于初始基准测试。这些装配在IDAR发动机子组件中的部件需要具有尺寸精度、低传热和热膨胀性,并且能够承受1,500PSI的动态负载条件和燃烧力。金属3D打印帮助这家公司实现了这一目标,速度比机加工更快,成本更低,但案例研究侧重于鞍架载体。

水平孔需要内部支撑结构来保持大多数基于挤压的3D打印工艺的形状,但Lumenium能够修改设计并将圆孔更改为泪珠形状,而不需要支撑结构。

此外,鞍座托架在顶部和底部边缘具有与摆臂相配合的锯齿,以帮助发动机部件承受发动机力。这些锯齿不能单独使用3D打印,但是初创公司能够选择性地将顶部和底部特征的壳厚度调整到5.2毫米,所以在加工期间填充物不会暴露。

3D打印部件需要重要的后处理步骤,包括数控加工和线切割加工。但与仅加工的零件相比,步骤数量减少了,步骤本身也更容易完成。

对于鞍座托架以及其他两个部件,使用Studio系统进行生产可以降低成本:鞍座托架的单件成本从980美元下降到148美元,部件质量从1,158克下降到933克。

根据案例研究,“组件内每个部件的设计和功能都非常重要,因此快速优化和迭代的能力会直接影响整个发动机的性能。先前的加工每个原型部件的方法(无论是内部加工还是外部加工车间)都是耗时且昂贵的。3D打印的鞍座、摆臂和连杆展示了缩短时间和节约成本的益处。

使用Desktop Metal的3D打印解决方案,Lumenium能够将其产品开发时间缩短25%。


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