3D-печать и нанесение покрытий на термостойкие объекты, такие как блиски турбины или лопасти

material metal-printing applications

Можно ли напечатать на 3D-принтере осевую турбину радиусом 2 - 4 дюйма (50 - 100 мм), способную выдерживать температуру около 800 - 1000°С и скорость вращения 100 - 120х 103об/мин?

Насколько это дорого? Дешевле ли фрезеровать такую турбину из цельного куска сплава?

Какие технологии и материалы следует использовать?

Подходят ли сплавы инконеля для 3D-печати?

Существуют ли титановые сплавы, пригодные для этой задачи? Я читал, что титан редко используется в быстро вращающихся деталях из-за его способности воспламеняться, если происходит механический сбой и вращающиеся лопасти касаются корпуса. Есть ли у титановых сплавов еще этот недостаток?

Можно ли сделать диск из титана и лопасти из Инконеля и сварить их (учитывая тепловое расширение)?

Как лезвия или блиски могут быть покрыты керамикой?

Спасибо!

, 👍5

Обсуждение

Добро пожаловать в 3D Printing SE, это отличная тема, которая не слишком много здесь появилась на 3D Printing SE! Однако здесь слишком много вопросов в одном вопросе. Пожалуйста, подумайте о том, чтобы разбить это на другие вопросы, чтобы избежать закрытия этого сообщения из-за "неясных вопросов, которые задает пользователь"., @tbm0115


4 ответа


Лучший ответ:

2

Вы задаете очень интересные вопросы! Во-первых, при исследовании таких тем, как эта, вам гораздо больше повезет использовать в качестве поискового термина "аддитивное производство", а не "3D-печать". В профессиональной промышленной среде "3D-печать" - это не тот термин, который действительно используется для описания производства, о котором вы говорите.

Селективное лазерное плавление - это аддитивный производственный процесс, наиболее подходящий для металлических аэрокосмических деталей. Сплавы инконеля могут быть обработаны (например, IN718 является одним из самых простых) наряду с титаном (почти исключительно Ti6Al4V). Что касается производства турбинных лопаток и аналогичных деталей, то вам может показаться интересным следующее: Аддитивное производство - прорыв с 3D-печатью лопаток газовых турбин.

Титан обычно не используется в высокотемпературных секциях газовых турбин, но будет использоваться в более крупных и холодных компонентах, таких как лопасти вентилятора, где соотношение прочности и веса является преимуществом (меньшая масса для вращения = лучшая топливная экономичность).

Покрытие высокотемпературных компонентов никелевого суперсплава обычно выполняется электронно-лучевым физическим осаждением из паровой фазы (EBPVD) или термическим распылением, таким как высокоскоростное кислородное топливо (HVOF); каждый процесс имеет определенные характеристики, которые диктуют, когда / где он используется.

Это только поверхностный ответ на ваши вопросы, но здесь невозможно ответить полностью!

(Мой опыт: аспирант с использованием селективного лазерного плавления аэрокосмических сплавов)


,

Спасибо за ваш ответ! Тем не менее, есть одна важная вещь, которую я хотел бы знать: насколько дорого аддитивное производство по сравнению с измельчением такого рода продукта?, @Eugene

Это очень трудно оценить. В целом, стоимость изготовления лопатки турбины с помощью аддитивного производства (АМ) будет выше, чем с помощью литья (традиционный метод изготовления). Однако AM может повысить ценность за счет сложности, например, внутренних охлаждающих каналов или решетчатых конструкций для минимизации веса. Так что на самом деле это анализ затрат и выгод, а не прямая калькуляция затрат. (Грубый пример) обработка внешней формы лопатки турбины с помощью фрезерования с ЧПУ может стоить 10% от стоимости детали AM. Однако даже увеличение топливной экономичности на 1% в течение срока службы компонентов сводит эту стоимость на нет., @samcs640

Общий ответ - почти всегда дешевле придерживаться обычного производства (например, фрезерования), но цель состоит в том, чтобы использовать преимущества AM для улучшения (повышения ценности) вашего компонента. Брать существующий CAD-файл и просто печатать его бессмысленно - используйте принципы "дизайна для аддитивного производства", чтобы действительно использовать эту технологию., @samcs640

В чем разница в проектировании * для AM *? Какие особые функции для этого нужны? Или речь идет о том, чтобы подумать о том, как улучшить конструкцию компонентов, используя новые доступные методы производства?, @Eugene

Насколько тонкими могут быть охлаждающие каналы? Рассматривая микротурбины с mi .. хорошо, мини-турбины с мини-блисками с мини-лопастями? Обычные лезвия имеют что-то 0,1-0,2 мм, АФАИК. Mini-s понадобится что-то в 10 раз тоньше., @Eugene

DfAM охватывает огромный спектр тем, достаточных для того, чтобы получить целую степень. Я изо всех сил пытаюсь найти для вас источник с открытым доступом, но статья в Википедии дает хорошую основу (https://en.wikipedia.org/wiki/Design_for_Additive_Manufacturing ). Для мини-турбин, скорее всего, вы будете поддерживать температуру сгорания достаточно низкой, чтобы предотвратить необходимость в чрезмерных каналах охлаждения (т.е. В пределах рабочей температуры материала). Повышение температуры преследует лучшую эффективность, это то, чем вам, вероятно, придется пожертвовать., @samcs640

Можно ли заказать изготовление нестандартной детали (по сути, турбинного блиска или лопастей) у Siemens или другой надежной компании?, @Eugene

Где можно учиться, чтобы получить высшее образование в области AM? Сколько времени это займет у человека с неинженерным образованием? Какие существуют профессии?, @Eugene


2

Это зависит в первую очередь от экономики и желаемого срока службы. Совершенно очевидно, что вам нужен материал, прочность и температура плавления которого превышают эксплуатационные характеристики. Определение различных пределов прочности на разрыв (сдвиг, изгиб и т.д.) Является инженерной проблемой, а не производственной проблемой как таковой.
Далее рассмотрим время производства и стоимость 3D-печати по сравнению с некоторым типичным процессом сборочной линии. Почти всегда 3D-подход проигрывает при больших количествах сборок.
Проектирование и эксплуатация подобных устройств может быть чрезвычайно опасным делом. Требуются очень жесткие допуски. Этот сайт описывает трудности, начиная с выбора материала, переходя к допускам и так далее. Я не думаю, что ты захочешь заниматься этим в своем подвале.

,

2

Я бы подумал, что это определенно возможно, стальные 3D-принтеры, скорее всего, способны печатать с необходимой точностью (у меня был опыт проектирования и печати стволов для пистолетов в рамках исследовательского проекта в области судебной медицины), но имейте в виду, что в большинстве процессов, о которых я знаю, вам понадобится перейти на пост-продакшн и провести некоторую полировку или доработку поверхности, особенно для применения в турбинах, где эти температуры уже высоки и любые дефекты поверхности не помогут долговечности.

В противном случае я бы просто убедился, что вы используете материал, который соответствует вашим спецификациям. Вероятно, легче найти чрезвычайно надежные и прочные материалы для фрезерования, но теоретически 3D-печать была бы возможна.

С финансовой точки зрения, хотя у меня нет никакого опыта сравнения затрат на этот конкретный вид компонента, фрезерование, скорее всего, будет дешевле, если вы сможете найти кого-то, кто будет производить единичные партии продукции.

Личное мнение: я бы пошел с фрезерованием. У меня был большой опыт работы с 3D-печатью, и я убежденный сторонник ее достоинств, но, учитывая отсутствие личных знаний о том, как 3D-печатная турбина будет работать в долгосрочной перспективе, и о последствиях отказа чего-то вращающегося на этих скоростях, я был бы склонен пойти традиционным путем. производственный маршрут.

,

Я не знаю, но подозреваю, что единственным оправданием коммерческой 3D-печати такого рода конструкций является достижение внутренних деталей - для вентиляции/охлаждения, а уровень точности управления технологическим процессом делает небольшие количества непрактичными., @Sean Houlihane


1

Некоторые компании уже находятся в движении с этой идеей. Помнится, я слышал, что Пратт, Уитни и Боинг печатают на 3D-принтере несколько небольших воздушных пленок.

Преимущества заключаются в том, что они могут производить более сложные, более эффективные детали без хлопот контроля качества, дорогостоящего ремонта / технического обслуживания и меньшего количества рук на своих собственных деталях и процессах.

Чаще всего деталь из металлического сплава "печатается" с использованием SLA или SLS (обычно), но она более или менее просто скрепляется. Склеивание производится либо с помощью лазерного спекания, либо с помощью какой-либо формы эпоксидной смолы для этих типов печатных процессов. На данный момент эта деталь практически бесполезна для аэрокосмических целей, потому что вы можете просто разломать ее руками, так как она очень хрупкая.

Как только металл склеивается в нужной форме, он попадает в печь, где либо затвердевает спеченный материал, либо эпоксидная смола заменяется другим металлом, таким как бронза или никель. Также во время этой операции деталь подвергается термической обработке для получения желаемой структуры материала. Изменения, происходящие с материалом во время этого процесса, могут помочь установить его прочность и термостойкость.

Быстрый поиск в Google по теме "3D-печать Inconel" дает пару компаний, которые могут печатать на 3D-принтере "экзотические" металлы, такие как титан и инконель. Скорее всего, если 3D-принтер может обрабатывать инконель, он может печатать большинство других аэрокосмических материалов.

3D-печать экзотических материалов на данный момент - это просто склеивание песка и выпечка его в духовке.

,

Спасибо вам за ответ. Проблема изготовления мини-блисков заключается в том, что вы не можете сделать никаких воздушных каналов для охлаждения воздуха, так как это требует отдельного производства лопастей, и даже в этом случае очень сложно изготовить такие лопасти в мини-размере. Без охлажденных лопастей нельзя преодолеть некоторый порог эффективности. Вторая часть моего вопроса заключалась в том, сделаны ли какие-либо газовые (газовые, а не паровые!) турбины из титановых сплавов. Вы что-нибудь знаете об этом?, @Eugene

Извините, я лично ничего не знаю на эту тему. Я уверен, что там есть какие-то титановые сплавы, но материаловедение сейчас растет так быстро, что трудно отследить, какие материалы сейчас используются. Но если я что-нибудь найду, то дам тебе знать., @tbm0115