Velo3D白皮书：金属增材制造如何克服核心部件制造的障碍？

导读：随着增材制造的不断成熟和发展，一个明显的趋势是金属增材制造在一些领域的重要性不断增加。越来越多的原始设备制造商开始采用金属增材制造技术，作为创建几何形状复杂的轻质零件的一种方式，以至于该行业在未来10年内的价值预计将达到185亿美元。然而，这并不意味着金属增材制造在生产上没有挑战，特别是在涉及到关键的核心部件时。

在白皮书《Metal in Motion: Redefining CriticalParts Production with Velo3D/运动中的金属：用Velo3D重新定义关键部件的生产》中，领先金属3D打印机制造商Velo3D为航空航天等行业探讨了先进的金属增材制造如何用于关键核心部件的制造。也就是说，通过对微型涡轮机、高压罐、热交换器、静态混合器和涡轮泵等部件的案例研究，他们介绍了如何通过金属增材制造来克服常见的制造障碍。他们还通过Launcher、Sierra Turbines和其他公司的案例，深入探讨Velo3D端到端解决方案的具体优势。我们看了一下，以更好地了解核心部件使用金属3D打印的好处。

白皮书链接：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的端到端金属增材制造解决方案生产的核心部件（图片来源：Velo3D）

现有的制造挑战是什么？

一般来说，制作核心部件的挑战分为两个不同的类别：设计和制造。就设计而言，这是因为零件需要复杂的几何形状，并有非常具体的要求。这些都是非常难以通过传统方法实现的。

以热交换器为例：顾名思义，这是一类广泛的核心部件，其作用是将热量从一个来源（通常是液体或气体）转移到另一个较冷的液体或气体来源，而这两个来源不会混合。它们是发动机和其他机械的一个关键部分，因为它们使它们能够有效地运行而不会过热。正因为如此，它们的设计要求非常严格。

在论文中，Velo3D解释说："在设计中，热交换器需要在部件的热侧和冷侧之间有最大的表面积；分隔它们的壁也需要尽可能薄，以允许尽可能多的热传递，同时保持两侧的密封。在传热所需的表面粗糙度和因不同纹理差异而产生的压降之间，也必须取得平衡。最后，工程师们面临着生产具有复杂内部通道和薄而高长径比的交换器的挑战。"当然，这不仅仅是热交换器所特有的。大多数核心部件都有设计挑战，涉及但不限于精确、内部几何形状和与多个部件合作。

△金属增材制造允许更有效地设计热交换器（图片来源：《金属增材制造》）。Velo3D

制造零件也是一个挑战。对于许多核心部件，传统的制造涉及许多不同的部件，然后必须仔细地焊接、钎焊或用螺栓连接。可以理解的是，这不仅需要很长的时间，而且可能导致潜在的接头泄漏，对于一个安全关键的部件来说，这显然是不可能的。

金属增材制造允许对零件设计进行整合，消除了日后可能成为弱点的连接点的问题。在Sierra涡轮机公司的案例中，他们能够将其微型涡轮机的61个离散部件整合成一个统一的几何形状，其细节和特征是任何其他方法都无法实现的。这种整合实际上将功率密度提高了10倍，并使其效率提高了40倍。这导致大修间隔 (TBO) 的性能提高了近 20 倍。

此外，通过使用增材制造，制造商能够减少交货时间和成本。使用金属增材制造来制造热交换器，可以将12-18个月的交货时间缩短到4周。这不仅有助于提高生产过程的效率，还能提高供应链的弹性。

使用金属增材制造设计核心部件

话虽如此，但在创建这些核心部件时，传统的金属增材制造也有其弊端。例如，它通常需要使用支撑结构，而这些结构可能很难拆除，而且成本很高，以生产具有先进几何形状的零件。然而，正如白皮书中所示，Velo3D的先进金属增材制造解决方案，已经帮助一些公司克服了传统制造中的这两个挑战，以及传统增材制造。这一点在Launcher公司的案例中变得很清楚，该公司已成功使用增材制造开发火箭零部件。

△Launcher一直在使用 Velo3D 的解决方案来创建包括高压罐在内的各种零件（图片来源：Velo3D）

Launcher求助于Velo3D，以克服与高压罐的传统制造有关的挑战。这些核心部件的制造很棘手，因为它们需要对尺寸和重量进行优化，同时还要保持足够的强度以应对极端环境条件。与许多其他部件一样，制造这些部件也很困难，因为传统工艺既是手工操作，又是漫长的，涉及许多部件。此外，将所有部件连接在一起所需的每个焊缝、接合面和连接点都是一个潜在的泄漏点。

为了制造高压罐体，Launcher决定使用Velo3D的端到端先进金属增材制造解决方案和蓝宝石打印机。虽然传统的增材制造看起来比传统生产更安全，但情况并不一定如此，因为传统打印机在打印时需要支撑物。这些支撑物很难去除，不仅增加了生产时间，而且有可能在零件表面造成山谷和山峰，降低疲劳测试时的性能。

另一方面，蓝宝石打印机能够打印45度以下的角度，而不需要任何支撑。得益于此，有可能创建一个整合所有部件的油箱设计，这包括内部管道、支架固定装置和等距网格。这种整合允许减少重量，当你考虑到为火箭制造零件时需要轻量化时，这一点很重要。

Velo3D的金属增材制造系统，包括打印准备软件Flow和质量保证和验证软件Assure，使工程师能够以高质量的表面处理打印他们需要的几何形状。液体的内部通道和流道，以及像压力容器中的大型空腔，都可以在单一的整体设计中打印出来。而且，由于每次构建都有大约1,000个传感器产生TB级的数据，每个部件中的每道激光轨迹都被跟踪并验证其质量。这种设计复杂性和质量控制的结合，使得像Launcher那样的高压罐可以在几天而不是几个月内完成。

毫无疑问，金属增材制造在过去几年已经取得了长足的进步，现在它比以往任何时候都更能成为创建安全关键部件的重要工具。当然，当涉及到微型涡轮机和热交换器等核心部件时，像Velo3D这样的解决方案希望能彻底改变这个行业。

△Sierra Turbines公司采用金属增材制造技术来制造他们的微型涡轮机（图片来源：Velo3D）