چاپ سه بعدی فلزی برای کانال های داخلی پیچیده در نازل های موتور هواپیما چقدر دقیق است؟

مهندسانی که روی نازل های سوخت موتور هواپیما کار می کنند به طور مکرر با همین مشکل مواجه می شوند. گذرگاه های سوخت و خنک کننده داخلی باریک، دارای انحنای زیاد و اغلب به گونه ای منشعب می شوند که هیچ مته یا آسیاب معمولی نمی تواند به آن برسد. راه‌حل سنتی این است که نازل را از چندین قطعه جداگانه بسازید - اغلب یک دوجین یا بیشتر - سپس آنها را به هم جوش دهید یا لحیم کنید. هر مفصل به یک مسیر نشتی بالقوه و نقطه ضعف خستگی تحت دماها و فشارهای شدید کار موتور تبدیل می شود.

سوال عملی که در ادامه می آید ساده است: آیا تولید مواد افزودنی فلزی می تواند این کانال ها را به صورت تک تکه تولید کند و چه میزان دقت در تولید واقعی است؟ این مقاله دقت پرینت سه بعدی فلزی برای نازل های موتور هواپیما، تحمل ابعادی پوشش، کیفیت سطح داخلی و کوچکترین اندازه کانال های کاربردی را بررسی می کند. این بر اساس نتایج صنعت منتشر شده، از جمله نازل سوخت GE LEAP، و تشریح مراحل پس از پردازش است که هندسه چاپ شده را به سخت افزار آماده پرواز تبدیل می کند.

نازل‌های سوخت باید اتمیزه‌سازی دقیقی را در حین حفظ دمای بالا، ارتعاش و چرخه حرارتی مکرر ارائه دهند. هندسه درونی که این امر را ممکن می‌سازد، نمی‌تواند تنها با فرآیندهای کسر ایجاد شود. بنابراین تولید متعارف بر ساخت چند تکه تکیه دارد: اجزای جداگانه ماشینکاری یا ریخته گری می شوند، روی هم چیده می شوند، تراز می شوند و به هم متصل می شوند. هر مفصل نیاز به بازرسی دارد و تنش های پسماند ناشی از اتصال می تواند عمر خستگی را کوتاه کند. مونتاژ نهایی سنگین‌تر است، تولید آن گران‌تر است و نقاط شکست احتمالی بیشتری را به همراه دارد.

چاپ سه بعدی فلزی کانال داخلی با ساختن کل شبکه جریان در یک فرآیند مداوم، نیاز به این اتصالات را برطرف می کند. آزادی طراحی واضح است، اما دقت هنوز باید الزامات هوافضا را برآورده کند.

فرآیندهای همجوشی بستر پودری لیزری مانند DMLS یا SLM قطعات فلزی متراکم را لایه به لایه می‌سازند. دقت نهایی به اندازه قطعه، آلیاژ، جهت ساخت و زنجیره پس از پردازش بستگی دارد.

تحمل ابعادی
دقت ابعاد چاپ شده برای آلیاژهای معمولی هوافضا (اینکونل، کبالت کروم، تیتانیوم) معمولاً در محدوده 0.1 ± میلی متر تا 0.2 ± میلی متر یا حدود 0.1-0.2 ± درصد ابعاد اسمی قرار می گیرد. ویژگی های کوچکتر و ارتفاع ساخت کوتاه تر معمولا عملکرد بهتری دارند. پس از عملیات حرارتی کاهش تنش و ماشینکاری CNC رابط‌های حیاتی، تلورانس‌های 0.02± میلی‌متر تا 0.05± میلی‌متر به طور معمول بر روی سطوح در دسترس به دست می‌آیند. در عمل، تحمل نازل سوخت پرینت سه بعدی فلزی روی ویژگی‌های جفت‌گیری خارجی می‌تواند با ماشین‌کاری دقیق معمولی پس از اعمال مراحل تکمیل صحیح مطابقت داشته باشد.

یکی از مشاهدات میدانی شایان ذکر است: قطعاتی که در CMM بلافاصله پس از چاپ عالی به نظر می رسند، در صورتی که تنش پسماند به درستی مدیریت نشود، می توانند چندین صدم میلی متر پس از عملیات حرارتی جابجا شوند. جهت گیری و استراتژی پشتیبانی به اندازه خود ماشین اهمیت دارد.

زبری سطح داخل کانال ها
زبری سطح DMLS چاپ شده معمولاً 5 تا 20 میکرومتر را در سطوح خارجی اندازه‌گیری می‌کند، با مقادیر بالاتر در نواحی رو به پایین یا تماس با پشتیبانی. در داخل کانال‌های پیچیده، زبری اغلب مشابه یا کمی بیشتر است، زیرا کنترل چسبندگی پودر و مراحل لایه سخت‌تر است. این بافت مقاومت جریان را افزایش می دهد و می تواند کک سازی را در سیستم های سوخت تشویق کند. بنابراین، پس پردازش هدفمند برای بخش‌های حیاتی عملکرد ضروری است.

کوچکترین اندازه کانال عملی
کانال های عمودی یا نزدیک به عمودی با قطر 0.8-1.0 میلی متر به طور معمول قابل دستیابی هستند. کانال های افقی یا منحنی محکم نیاز به جهت گیری دقیق دارند. پاکسازی پودر باقیمانده و بازرسی قابل اعتماد قطرهای زیر تقریباً 0.5 میلی متر دشوار است. برای سوخت عملکردی یا کانال های خنک کننده در قطعات هوافضای تولیدی، بسته به محدودیت های آلیاژ و طراحی، محدوده عملی معمولاً 0.5-1.5 میلی متر است.

مقایسه مختصر:

این محدوده ها پاسخی واقع بینانه به این که چقدر فرآیند می تواند برای نازل های موتور دقیق باشد و اندازه کانال ها در تولید عملی است، ارائه می دهد.

شناخته شده ترین نمونه صنعتی نازل سوخت موتور GE LEAP است. به طور سنتی از حدود 20 قطعه جداگانه که لحیم کاری شده و جوش داده شده اند، مونتاژ می شود، نوک نازل اکنون به عنوان یک جزء کبالت کروم تولید می شود. داده های عمومی نشان می دهد که 25٪ کاهش وزن و افزایش 5 برابری در دوام، عمدتاً به این دلیل که مفاصلی که قبلاً عمر آنها را محدود می کردند، حذف شدند. ده‌ها هزار عدد از این نازل‌ها به‌صورت سری تولید شده‌اند که تأیید می‌کند که دقت چاپ سه بعدی فلزی برای نازل‌های موتور هواپیما می‌تواند الزامات گواهینامه پرواز را برآورده کند.

نهادهای استاندارد روش های ارزیابی رسمی را دارند. ISO/ASTM 52902 مصنوعات آزمایشی را برای دقت ابعاد و وضوح تعریف می کند. ISO/ASTM 52908 به پس پردازش، بازرسی و آزمایش قطعات فلزی همجوشی بستر پودری می پردازد. این اسناد به خریداران و تامین کنندگان یک چارچوب مشترک برای تعیین و تایید تلورانس و کیفیت کانال داخلی می دهد.

هندسه چاپ شده تنها نقطه شروع است. یک توالی معمولی برای نازل های با کارایی بالا شامل موارد زیر است:

حذف ساپورت و به دنبال آن عملیات حرارتی کاهش تنش (و اغلب پرس ایزواستاتیک داغ) برای کاهش تنش باقیمانده و بسته شدن تخلخل داخلی.

ماشینکاری CNC پایه های خارجی، فلنج ها و سطوح آب بندی برای دستیابی به تحمل نازل سوخت پرینت سه بعدی فلزی نهایی.

تکمیل کانال داخلی - ماشینکاری جریان ساینده، پرداخت شیمیایی، یا روش های الکتروشیمیایی - برای کاهش زبری سطح DMLS و بهبود جریان.

بازرسی غیر مخرب، اغلب توموگرافی کامپیوتری (CT) برای تأیید هندسه داخلی و تشخیص پودر یا عیوب باقیمانده، به دنبال آن آزمایش جریان در شرایط معرف.

هر مرحله کنترل و مستند شده است تا قسمت تمام شده هر دو الزامات ابعادی و عملکردی را برآورده کند. نادیده گرفتن هر یک از آنها دلیل رایجی است که قطعاتی که روی کاغذ خوب به نظر می رسند در تست های عملکردی شکست می خورند.

مشتری در حال توسعه یک نازل احتراق نسل بعدی به شبکه ای از کانال های خنک کننده با انحنای بالا با قطرهای بین 0.8 میلی متر تا 1.2 میلی متر، به علاوه تلورانس های رابط خارجی محکم نیاز داشت. ساخت چند تکه معمولی به اتصالات لحیم کاری متعدد نیاز دارد.

اولین نمونه اولیه ساخت، تأیید کرد که ویژگی‌های خارجی در 0.15 ± میلی‌متر به‌عنوان چاپ شده بودند، اما سی‌تی‌اسکن پودر باقی‌مانده را در دو تا از محکم‌ترین خم‌ها و تغییر ضخامت دیواره 0.08 میلی‌متری نشان داد. پس از تنظیم جهت، اصلاح استراتژی پشتیبانی و افزودن یک مرحله جریان ساینده کنترل شده، قسمت های بعدی کانال ها را به طور کامل پاک کردند. وجه های نصب بحرانی CNC به 0.03 ± میلی متر تکمیل شد. آزمایش جریان افت فشار را در 4 درصد از هدف طراحی نشان داد، و چرخه حرارتی هیچ ترک خوردگی را در مکان‌های مشترک قبلی تأیید نکرد.

این پروژه نشان داد که یک سازنده پرینت سه بعدی فلزی می تواند کنترل فرآیند را با پس پردازش سیستماتیک ترکیب کند تا سخت افزار هوافضا کاربردی را ارائه دهد. همکاری با یک کارخانه پرینت سه بعدی فلزی با تجربه در چین نیز تکرار سریع اولین مقالات را قبل از حرکت به سمت تولید قطعات کوچک سفارشی قطعات پرینت سه بعدی فلزی به صورت عمده امکان پذیر کرد.

برای کارهای حیاتی یا حساس به عملکرد، ارزیابی تامین کننده باید فراتر از برند ماشین باشد:

سیستم‌های کیفیت هوافضا و گواهی‌های مواد را برای آلیاژ انتخابی تأیید کنید.

بسته‌های بازرسی نمونه را درخواست کنید که شامل داده‌های ابعادی، نتایج CT و اندازه‌گیری‌های زبری سطح داخلی است.

با یک دسته نمونه اولیه به جای حجم کامل شروع کنید. این مسائل جهت گیری و تکمیل سطوح را زودتر نشان می دهد.

پیشاپیش در مورد نحوه تأیید تلورانس ها-GD&T، سنج های عملکردی یا هر دو توافق کنید.

ظرفیت خدمات چاپ سه بعدی فلزات هوافضا را با افزایش تعداد ارزیابی کنید.

یک تامین کننده قابل اعتماد تولید مواد افزودنی فلزی، دقت را به عنوان یک زنجیره فرآیند کامل از پودر تا بازرسی نهایی در نظر می گیرد.

ESTA در بحث‌های صنعت به دلیل کارش بر روی اجزای افزودنی فلزی پیچیده که شامل هندسه‌های داخلی می‌شود، مورد توجه قرار گرفته است. تاکید بر مستندسازی فرآیند و پس پردازش کنترل شده، پروژه هایی را که به آزادی طراحی و کنترل ابعادی قابل اندازه گیری نیاز دارند، پشتیبانی کرده است. چنین شناختی یکی از شاخص‌های عملی تجربه هنگام ارزیابی شرکا برای کاربردهای درجه هوافضا است.

تولید افزودنی‌های فلزی از آزمایش آزمایشگاهی به تولید گواهی شده برای برخی از پرتقاضاترین قطعات در هوانوردی منتقل شده است. هنگامی که دقت با اعداد واقعی برای تحمل، کیفیت سطح، و اندازه کانال ارزیابی می شود - و زمانی که پس پردازش از ابتدا برنامه ریزی می شود - این فناوری آزادی هندسی و عملکرد عملکردی را ارائه می دهد که روش های سنتی برای مطابقت با آن تلاش می کنند.

اگر پروژه شما شامل مسیرهای جریان داخلی پیچیده است، هندسه، اولویت مواد و اهداف کلیدی عملکرد را به اشتراک بگذارید. یک ارزیابی عملی از دقت چاپ سه بعدی فلزی قابل دستیابی برای نازل های موتور هواپیما، همراه با توصیه های فرآیند و یک نقل قول، معمولاً می تواند ظرف یک تا دو روز کاری تهیه شود.