Velo3D白皮書：金屬增材制造如何克服核心部件制造的障礙,？

導讀：隨著增材制造的不斷成熟和發(fā)展，一個明顯的趨勢是金屬增材制造在一些領域的重要性不斷增加,。越來越多的原始設備制造商開始采用金屬增材制造技術,，作為創(chuàng)建幾何形狀復雜的輕質(zhì)零件的一種方式，以至于該行業(yè)在未來10年內(nèi)的價值預計將達到185億美元,。然而,，這并不意味著金屬增材制造在生產(chǎn)上沒有挑戰(zhàn)，特別是在涉及到關鍵的核心部件時,。

在白皮書《Metal in Motion: Redefining CriticalParts Production with Velo3D/運動中的金屬：用Velo3D重新定義關鍵部件的生產(chǎn)》中,，領先金屬3D打印機制造商Velo3D為航空航天等行業(yè)探討了先進的金屬增材制造如何用于關鍵核心部件的制造。也就是說,，通過對微型渦輪機,、高壓罐、熱交換器,、靜態(tài)混合器和渦輪泵等部件的案例研究,，他們介紹了如何通過金屬增材制造來克服常見的制造障礙。他們還通過Launcher,、Sierra Turbines和其他公司的案例,，深入探討Velo3D端到端解決方案的具體優(yōu)勢。我們看了一下,，以更好地了解核心部件使用金屬3D打印的好處,。

白皮書鏈接：https://velo3d.com/white_papers/metal-in-motion-redefining-critical-parts-production/?&utm_source=3dnatives&utm_medium=paid&utm_campaign=sp-2022-07-15-emea_metal_in_motion_sponsored_send-lead_gen

△Velo3D的端到端金屬增材制造解決方案生產(chǎn)的核心部件（圖片來源：Velo3D）

現(xiàn)有的制造挑戰(zhàn)是什么？

一般來說,，制作核心部件的挑戰(zhàn)分為兩個不同的類別：設計和制造,。就設計而言，這是因為零件需要復雜的幾何形狀,，并有非常具體的要求,。這些都是非常難以通過傳統(tǒng)方法實現(xiàn)的。

以熱交換器為例：顧名思義,，這是一類廣泛的核心部件,，其作用是將熱量從一個來源（通常是液體或氣體）轉移到另一個較冷的液體或氣體來源，而這兩個來源不會混合,。它們是發(fā)動機和其他機械的一個關鍵部分,，因為它們使它們能夠有效地運行而不會過熱,。正因為如此，它們的設計要求非常嚴格,。

在論文中,，Velo3D解釋說："在設計中，熱交換器需要在部件的熱側和冷側之間有最大的表面積,；分隔它們的壁也需要盡可能薄,，以允許盡可能多的熱傳遞，同時保持兩側的密封,。在傳熱所需的表面粗糙度和因不同紋理差異而產(chǎn)生的壓降之間,，也必須取得平衡。最后,，工程師們面臨著生產(chǎn)具有復雜內(nèi)部通道和薄而高長徑比的交換器的挑戰(zhàn),。"當然，這不僅僅是熱交換器所特有的,。大多數(shù)核心部件都有設計挑戰(zhàn),，涉及但不限于精確、內(nèi)部幾何形狀和與多個部件合作,。

△金屬增材制造允許更有效地設計熱交換器（圖片來源：《金屬增材制造》）,。Velo3D

制造零件也是一個挑戰(zhàn)。對于許多核心部件,，傳統(tǒng)的制造涉及許多不同的部件,，然后必須仔細地焊接、釬焊或用螺栓連接,�,？梢岳斫獾氖牵�這不僅需要很長的時間,，而且可能導致潛在的接頭泄漏,，對于一個安全關鍵的部件來說，這顯然是不可能的,。

金屬增材制造允許對零件設計進行整合,，消除了日后可能成為弱點的連接點的問題。在Sierra渦輪機公司的案例中,，他們能夠?qū)⑵湮⑿蜏u輪機的61個離散部件整合成一個統(tǒng)一的幾何形狀,，其細節(jié)和特征是任何其他方法都無法實現(xiàn)的。這種整合實際上將功率密度提高了10倍,，并使其效率提高了40倍。這導致大修間隔 (TBO) 的性能提高了近 20 倍,。

此外,，通過使用增材制造,，制造商能夠減少交貨時間和成本。使用金屬增材制造來制造熱交換器,，可以將12-18個月的交貨時間縮短到4周,。這不僅有助于提高生產(chǎn)過程的效率，還能提高供應鏈的彈性,。

使用金屬增材制造設計核心部件

話雖如此,，但在創(chuàng)建這些核心部件時，傳統(tǒng)的金屬增材制造也有其弊端,。例如,，它通常需要使用支撐結構，而這些結構可能很難拆除,，而且成本很高,，以生產(chǎn)具有先進幾何形狀的零件。然而,，正如白皮書中所示,，Velo3D的先進金屬增材制造解決方案，已經(jīng)幫助一些公司克服了傳統(tǒng)制造中的這兩個挑戰(zhàn),，以及傳統(tǒng)增材制造,。這一點在Launcher公司的案例中變得很清楚，該公司已成功使用增材制造開發(fā)火箭零部件,。

△Launcher一直在使用 Velo3D 的解決方案來創(chuàng)建包括高壓罐在內(nèi)的各種零件（圖片來源：Velo3D）

Launcher求助于Velo3D,，以克服與高壓罐的傳統(tǒng)制造有關的挑戰(zhàn)。這些核心部件的制造很棘手,，因為它們需要對尺寸和重量進行優(yōu)化,，同時還要保持足夠的強度以應對極端環(huán)境條件。與許多其他部件一樣,，制造這些部件也很困難,，因為傳統(tǒng)工藝既是手工操作，又是漫長的,，涉及許多部件,。此外，將所有部件連接在一起所需的每個焊縫,、接合面和連接點都是一個潛在的泄漏點,。

為了制造高壓罐體，Launcher決定使用Velo3D的端到端先進金屬增材制造解決方案和藍寶石打印機,。雖然傳統(tǒng)的增材制造看起來比傳統(tǒng)生產(chǎn)更安全,，但情況并不一定如此，因為傳統(tǒng)打印機在打印時需要支撐物,。這些支撐物很難去除,，不僅增加了生產(chǎn)時間,，而且有可能在零件表面造成山谷和山峰，降低疲勞測試時的性能,。

另一方面,，藍寶石打印機能夠打印45度以下的角度，而不需要任何支撐,。得益于此,，有可能創(chuàng)建一個整合所有部件的油箱設計，這包括內(nèi)部管道,、支架固定裝置和等距網(wǎng)格,。這種整合允許減少重量，當你考慮到為火箭制造零件時需要輕量化時,，這一點很重要,。

Velo3D的金屬增材制造系統(tǒng)，包括打印準備軟件Flow和質(zhì)量保證和驗證軟件Assure,，使工程師能夠以高質(zhì)量的表面處理打印他們需要的幾何形狀,。液體的內(nèi)部通道和流道，以及像壓力容器中的大型空腔,，都可以在單一的整體設計中打印出來,。而且，由于每次構建都有大約1,000個傳感器產(chǎn)生TB級的數(shù)據(jù),，每個部件中的每道激光軌跡都被跟蹤并驗證其質(zhì)量,。這種設計復雜性和質(zhì)量控制的結合，使得像Launcher那樣的高壓罐可以在幾天而不是幾個月內(nèi)完成,。

毫無疑問,，金屬增材制造在過去幾年已經(jīng)取得了長足的進步，現(xiàn)在它比以往任何時候都更能成為創(chuàng)建安全關鍵部件的重要工具,。當然,，當涉及到微型渦輪機和熱交換器等核心部件時，像Velo3D這樣的解決方案希望能徹底改變這個行業(yè),。

△Sierra Turbines公司采用金屬增材制造技術來制造他們的微型渦輪機（圖片來源：Velo3D）