3D打印将复杂的设计理念变为现实：3D打印微型燃气轮机

3D打印将复杂的设计理念变为现实

3D Printing turned a geometrically complex design concept into reality.

KW Micro Power团队成员在他们的微型燃气轮机燃烧室试验台前。来源：KW Micro Power

设计与设备成就复杂零件

无论是用来发电，还是驱动工业级无人机，或者是用于混合动力发动机的小飞机上，微型燃气轮机以更小的体积，更强大的动力，更实惠的价格，正在改变能源供给的格局。微型燃气轮发电机大小与微波炉相当，可以产生超过其重量十倍的最大推力。KW Micro Power通过 Velo3D的几乎无需支撑设计的金属粉末床3D打印技术开发微型燃气轮机，计划2020年年初商业化。

KW Micro Power微涡轮核心零部件-“宇宙飞船”。来源：KW Micro Power

KW Micro Power将其微型燃气轮机的一个核心零部件设计称为“宇宙飞船”，该组件是一个直径约25.4厘米，高10厘米的钛盘，其内部包含一个复杂的迷宫结构，这个迷宫结构比传统技术制造的系统更能有效地引导废气，是KW Micro Power涡轮机技术的核心。

KW Micro Power微涡轮核心零部件-“宇宙飞船”。来源：KW Micro Power

在制造“宇宙飞船”这个核心零件的过程中，Velo 3D的设备发挥了作用。制造的挑战是微型燃气轮机的内部通道。大多数增材制造技术，特别是基于粉末床的金属3D打印技术，需要一系列类似脚手架的支撑设计，以防止工件在制造过程中下垂和翘曲。虽然昂贵且耗时，但是在构建后加工或磨削这些支撑已经成为行业惯例。Velo 3D的设备则大量减少这些支撑部分的设计，这给复杂零件的设计进一步带来了灵活性。

Velo3D在3D打印过程中如何消除对支撑（红色部分）的需求。来源：Velo 3D

Velo3D打印机的SupportFree技术可以在没有支撑的情况下3D打印近水平的表面设计，这是目前大多数基于粉末床的金属3D打印机无法实现的特征（一般低于45度就需要加支撑）。Velo3D的另一个差异化是使用变化的激光功率，大多数3D打印设备在整个零件层中使用相同的激光功率，Velo3D可以将20多种方案应用于每个层中的零件特定部分。结果带来较少的应力，更高的零件精度和更快的构建时间。

Velo3D Flow软件

左侧是定子环的横截面。红色区域表示3D打印过程中的变形。右边的部分显示了Velo3D的Flow软件如何预测和消除这种变形，通过预打印校正实现更准确的部件。

来源：Velo 3D

Velo3D的Flow软件简化了打印准备工作，软件可以准确模拟整个构建过程，并分析显示和纠正潜在的变形。这对于Ti-6Al-4V钛合金材料的微型涡轮机组件带来了设计迭代效率的提升。

3D打印的价值在于赋能制造业附加值创造，3D打印附加值创造的能量正在获得验证。将3D打印技术用于微型燃气轮机的开发，在市场上已有先行者。赛峰3D打印镍基合金X材料制成的喷嘴是Leonardo AW189型直升机的辅助动力装置(APU)的核心部件之一，已被欧洲航空安全局(EASA)认证。

3D打印微型涡轮发动机喷嘴。来源：赛峰

3D打印喷嘴安装在赛峰集团设计的eAPU60微型涡轮发动机上，以满足推重比高和结构紧凑的需求。e-APU60能够提供60kWe功率，能够保证发动机的电力起动（在地面或者空中停车状态）和座舱加热。e-APU60的典型特征包括：更优的功率重量比，出色的紧凑性，流线型结构和基于创新科技的高压力循环，高可靠性保证，低使用费用和出色的性能。

3D打印微型涡轮发动机的案例再一次告诉我们，3D打印的优势在于生产那些传统加工方式难以加工出来的产品，从改变产品设计的源头创造制造业附加值。