3D打印將復雜的設(shè)計理念變?yōu)楝F(xiàn)實

KW Micro Power團隊成員在他們的微型燃氣輪機燃燒室試驗臺前。來源：KW Micro Power

設(shè)計與設(shè)備成就復雜零件

無論是用來發(fā)電，還是驅(qū)動工業(yè)級無人機，或者是用于混合動力發(fā)動機的小飛機上，微型燃氣輪機以更小的體積，更強大的動力，更實惠的價格，正在改變能源供給的格局。微型燃氣輪發(fā)電機大小與微波爐相當，可以產(chǎn)生超過其重量十倍的最大推力。KW Micro Power通過 Velo3D的幾乎無需支撐設(shè)計的金屬粉末床3D打印技術(shù)開發(fā)微型燃氣輪機，計劃2020年年初商業(yè)化。

KW Micro Power微渦輪核心零部件-“宇宙飛船”。來源：KW Micro Power

KW Micro Power將其微型燃氣輪機的一個核心零部件設(shè)計稱為“宇宙飛船”，該組件是一個直徑約25.4厘米，高10厘米的鈦盤，其內(nèi)部包含一個復雜的迷宮結(jié)構(gòu)，這個迷宮結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)技術(shù)制造的系統(tǒng)更能有效地引導廢氣，是KW Micro Power渦輪機技術(shù)的核心。

KW Micro Power微渦輪核心零部件-“宇宙飛船”。來源：KW Micro Power

在制造“宇宙飛船”這個核心零件的過程中，Velo 3D的設(shè)備發(fā)揮了作用。制造的挑戰(zhàn)是微型燃氣輪機的內(nèi)部通道。大多數(shù)增材制造技術(shù)，特別是基于粉末床的金屬3D打印技術(shù)，需要一系列類似腳手架的支撐設(shè)計，以防止工件在制造過程中下垂和翹曲。雖然昂貴且耗時，但是在構(gòu)建后加工或磨削這些支撐已經(jīng)成為行業(yè)慣例。Velo 3D的設(shè)備則大量減少這些支撐部分的設(shè)計，這給復雜零件的設(shè)計進一步帶來了靈活性。

Velo3D在3D打印過程中如何消除對支撐（紅色部分）的需求。來源：Velo 3D

Velo3D打印機的SupportFree技術(shù)可以在沒有支撐的情況下3D打印近水平的表面設(shè)計，這是目前大多數(shù)基于粉末床的金屬3D打印機無法實現(xiàn)的特征（一般低于45度就需要加支撐）。Velo3D的另一個差異化是使用變化的激光功率，大多數(shù)3D打印設(shè)備在整個零件層中使用相同的激光功率，Velo3D可以將20多種方案應(yīng)用于每個層中的零件特定部分。結(jié)果帶來較少的應(yīng)力，更高的零件精度和更快的構(gòu)建時間。

KW Micro Power_VELO-2

左側(cè)是定子環(huán)的橫截面。紅色區(qū)域表示3D打印過程中的變形。右邊的部分顯示了Velo3D的Flow軟件如何預(yù)測和消除這種變形，通過預(yù)打印校正實現(xiàn)更準確的部件。

Velo3D的Flow軟件簡化了打印準備工作，軟件可以準確模擬整個構(gòu)建過程，并分析顯示和糾正潛在的變形。這對于Ti-6Al-4V鈦合金材料的微型渦輪機組件帶來了設(shè)計迭代效率的提升。

總結(jié)：

3D打印的價值在于賦能制造業(yè)附加值創(chuàng)造，3D打印附加值創(chuàng)造的能量正在獲得驗證。將3D打印技術(shù)用于微型燃氣輪機的開發(fā)，在市場上已有先行者。賽峰3D打印鎳基合金X材料制成的噴嘴是Leonardo AW189型直升機的輔助動力裝置(APU)的核心部件之一，已被歐洲航空安全局(EASA)認證。

3D打印微型渦輪發(fā)動機噴嘴

3D打印噴嘴安裝在賽峰集團設(shè)計的eAPU60微型渦輪發(fā)動機上，以滿足推重比高和結(jié)構(gòu)緊湊的需求。e-APU60能夠提供60kWe功率，能夠保證發(fā)動機的電力起動（在地面或者空中停車狀態(tài)）和座艙加熱。e-APU60的典型特征包括：更優(yōu)的功率重量比，出色的緊湊性，流線型結(jié)構(gòu)和基于創(chuàng)新科技的高壓力循環(huán)，高可靠性保證，低使用費用和出色的性能。

3D打印微型渦輪發(fā)動機的案例再一次告訴我們，3D打印的優(yōu)勢在于生產(chǎn)那些傳統(tǒng)加工方式難以加工出來的產(chǎn)品，從改變產(chǎn)品設(shè)計的源頭創(chuàng)造制造業(yè)附加值。