由于可實(shí)現(xiàn)十分復雜的產(chǎn)(chǎn)品制造，基于粉末床熔融（PBF）工藝的金屬3D打印技術(shù)不僅使得復雜產(chǎn)(chǎn)品的制造變得更加可行，而且還創(chuàng )(chuàng)造了更大的圍繞著(zhù)產(chǎn)(chǎn)品生命周期的綜合性經(jīng)(jīng)濟效益。在動(dòng)力裝備方面，PBF技術(shù)所成就的產(chǎn)(chǎn)品并不是停留在概念開(kāi)發(fā)(fā)階段，而是已經(jīng)(jīng)隨著(zhù)火箭和飛船進(jìn)入了太空，隨著(zhù)飛機在天空中翱翔，并在發(fā)(fā)電領(lǐng)域起著(zhù)“四兩撥千斤”般的效益放大作用。3D打印所造就的下一代的產(chǎn)(chǎn)品極大的提升了人類(lèi)利用資源的水平，這一切已經(jīng)(jīng)來(lái)到了我們的身邊。本期，與網(wǎng)(wǎng)友結合著(zhù)國際與國內(nèi)3D打印微型燃氣渦輪發(fā)(fā)動(dòng)機的案例來(lái)領(lǐng)略3D打印所催生的新的商業(yè)(yè)模式。

微能源解決方案的范式改變

 國際

Sierra Turbines的使命是改變微能源解決方案的范式，這家公司于2017年在美國加利福尼亞州圣何塞成立。專(zhuān)注于解決輔助動(dòng)力單元（APU），備用發(fā)(fā)電機和其他備用發(fā)(fā)電需求中的緊湊型、功率密集型發(fā)(fā)電應用，創(chuàng )(chuàng)新的另一個(gè)成熟市場(chǎng)是用于無(wú)人機系統(tǒng)的動(dòng)力單元。通過(guò)使用制造商VELO3D的金屬增材制造（AM）技術(shù)，Sierra Turbines將關(guān)鍵組件的零件數(shù)量從61個(gè)減少到1個(gè)，并且還獲得了許多重要的性能提升。

3D打印的微噴發(fā)(fā)動(dòng)機核心，前芯被切開(kāi)以顯示復雜的內(nèi)部結構。來(lái)源：Sierra Turbines

Sierra Turbines從一開(kāi)始就制定了非常大膽的設計目標，與現(xiàn)有的微型渦輪機相比，實(shí)際上是非常雄心勃勃的：不僅僅是零件數(shù)量的大幅減少，核心機的大修間隔時(shí)間，將實(shí)現(xiàn)是市場(chǎng)上現(xiàn)有渦輪機的40倍的目標。

采用增材制造技術(shù)為微型渦輪機核心機帶來(lái)了設計優(yōu)(yōu)化空間，從而提升了微型渦輪機性能。與當前先進(jìn)的渦輪機相比，微型渦輪機開(kāi)發(fā)(fā)團隊能夠創(chuàng )(chuàng)建更具質(zhì)量效益的結構，預計與現(xiàn)有功率相當?shù)臏u輪機相比，推力重量比顯著(zhù)提高。設計開(kāi)發(fā)(fā)團隊重新考慮了燃燒室中的燃油噴霧和火焰形狀。傳統(tǒng)設計中，燃料是在圍繞燃燒室直徑的許多點(diǎn)處噴射的，然后通過(guò)控制圍繞它們的空氣流來(lái)穩(wěn)定這些圓柱狀火焰。而在增材制造一體化的核心機中，集成了一個(gè)360度噴油嘴，通過(guò)該噴油嘴，燃油能夠在燃燒室的整個(gè)圓周上均等地輸送，并在霧化的同時(shí)穿過(guò)點(diǎn)陣結構，產(chǎn)(chǎn)生環(huán)(huán)形火焰，獲得穩(wěn)定渦旋。

3D打印的微噴發(fā)(fā)動(dòng)機核心設計。來(lái)源：Sierra Turbines

Sierra Turbines所做的獨特事情是將超出95％的微噴發(fā)(fā)動(dòng)機通過(guò)增材制造來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)(chǎn)，并擴大到大規(guī)模生產(chǎn)(chǎn)。這似乎違背了業(yè)(yè)界的信念，通常我們認為當前增材制造僅限于用于原型制造和小批量制造，那么Sierra Turbines的底氣何來(lái)？發(fā)(fā)展思路是什么呢？Sierra Turbines的團隊在航空航天業(yè)(yè)增材制造領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)(jīng)驗，通過(guò)VELO3D的設備與質(zhì)量控制技術(shù)，可以簡(jiǎn)化制造、減輕重量并達到成本目標。采用增材制造技術(shù)使得Sierra Turbines將擁有巨大的競爭優(yōu)(yōu)勢，并且將很快實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)(jīng)濟的商業(yè)(yè)模式。

3D打印帶來(lái)的競爭優(yōu)(yōu)勢包括：

- 減少零件數(shù)，原來(lái)61個(gè)獨立的零件以結構一體化的單個(gè)零件實(shí)現(xiàn)制造

- 由于結構一體化，消除了接口并提高了尺寸精度，因此公差更小

-  減少組裝工作和后期處理

-  成就自由設計，實(shí)現(xiàn)復雜的幾何形狀

通過(guò)VELO3D的設備，Sierra Turbines可以生產(chǎn)(chǎn)薄壁、高縱橫比的燃燒器。在制造復雜幾何形狀時(shí)，VELO3D具有令人滿(mǎn)意的功能。VELO3D的金屬3D打印打印機以其獲得專(zhuān)利的SupportFree工藝實(shí)現(xiàn)近乎無(wú)支撐的產(chǎn)(chǎn)品幾何自由度而聞名，該工藝減少了復雜通道，淺懸垂和低角度的支撐結構的必要，這為微型渦輪機核心機帶來(lái)了實(shí)現(xiàn)高度集成設計的可能性。

3D設備優(yōu)(yōu)勢詳細解析

目前，Sierra Turbines的目標之一是為重量小于55磅的小型無(wú)人機（UAS）提供動(dòng)力。由于鋰電池的存儲量?jì)H為每公斤200瓦，因此無(wú)人機在功率密度上已達到極限。Sierra Turbines將功率密度提高了10倍，達到2000 Wh / kg，這使飛行時(shí)間和提升能力提高了幾個(gè)數(shù)量級。

這款核心機所采用的3D打印材料為鎳超合金，是許多大型燃氣輪機燃燒室的首選材料。增材制造使Sierra Turbines能夠獲得復雜的設計功能，以提高熱效率和獲得更長(cháng)的維修間隔，這是前所未有的突破。

目前，Sierra Turbines已與多家無(wú)人機制造商簽署合作協(xié)(xié)議，這些無(wú)人機將在發(fā)(fā)布測試數(shù)據(jù)之前成為其客戶(hù)。此外，Sierra Turbines打算與AUVSI協(xié)(xié)會(huì )合作，充分利用AUVSI協(xié)(xié)會(huì )廣闊的會(huì )員網(wǎng)(wǎng)絡(luò )。借助3D打印的微噴發(fā)(fā)動(dòng)機動(dòng)力裝置，無(wú)人機可以更安全、更便捷、更頻繁、更經(jīng)(jīng)濟地完成任務(wù)。

 國內(nèi)

在國內(nèi)，微型燃氣渦輪發(fā)(fā)動(dòng)機的零部件結構復雜且微型化，該領(lǐng)域仍需依賴(lài)國外的產(chǎn)(chǎn)品和技術(shù)。安世亞太聯(lián)(lián)合深圳意動(dòng)航空科技有限公司取得了微型燃氣渦輪發(fā)(fā)動(dòng)機增材制造的突破。

來(lái)源：《3D打印助力動(dòng)力裝備發(fā)(fā)展報告》

安世亞太聯(lián)(lián)合深圳意動(dòng)航空科技有限公司成功開(kāi)發(fā)(fā)了兩款全3D打印微型渦噴發(fā)(fā)動(dòng)機，10kg級推力的NK-10和50kg級推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超溫試驗，各項指標滿(mǎn)足設計要求，試驗中最高轉速高于14萬(wàn)rpm，為全3D打印旋轉渦輪高溫點(diǎn)火實(shí)驗。

深圳意動(dòng)全3D打印的微型渦噴發(fā)(fā)動(dòng)機高溫點(diǎn)火實(shí)驗

NK10和NK50 兩款微型渦噴發(fā)(fā)動(dòng)機在多處關(guān)鍵零部件結構設計方面融入了增材設計的概念，減少了發(fā)(fā)動(dòng)機零件數(shù)量，降低了發(fā)(fā)動(dòng)機的整體重量，增加了部分結構件的強度，實(shí)現(xiàn)更低成本、更優(yōu)(yōu)性能、更長(cháng)壽命的目標，是滿(mǎn)足先進(jìn)低成本微小型空中武器系統(tǒng)推進(jìn)動(dòng)力和車(chē)船混合動(dòng)力以及增程動(dòng)力需求的先進(jìn)動(dòng)力裝置。

來(lái)源：《3D打印助力動(dòng)力裝備發(fā)(fā)展報告》