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利用3D打印設(shè)計(jì)特斯拉渦輪機(jī)(二)

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發(fā)布時(shí)間:2018-03-20下載次數(shù):196 次

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項(xiàng)目介紹
本系列文章主要介紹了如何用Markforged打印的零部件對特斯拉渦輪機(jī)進(jìn)行加工改造。在上一篇文章中,我們具體介紹了特斯拉渦輪機(jī)的原理,討論了哪些零部件適用于3D打印,并用Markforged打印的零部件取代了渦輪機(jī)殼體。本文中我們將討論特斯拉渦輪機(jī)改造的另一個(gè)3D打印組件:軸承箱。
特斯拉渦輪軸承箱
渦輪機(jī)殼體要求包裹軸承組件,但不能相互摩擦接觸。相反,位于軸承箱中間的螺栓與渦輪機(jī)殼體相連接,并且用兩個(gè)同心軸組成軸承組件。初期設(shè)計(jì)人員通過懸掛軸承箱側(cè)面的轉(zhuǎn)子,確保轉(zhuǎn)動零件可以很輕易地驗(yàn)證軸承孔的同心度,這是至關(guān)重要的。在電機(jī)以24,000轉(zhuǎn)/分的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子任何一個(gè)小的誤差都可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。在鋁制外殼(原來是機(jī)加工的)中,這些軸承配合的公差為+0 / - 0004英寸。極其嚴(yán)格的公差范圍確保了軸承轉(zhuǎn)子安置到位,從而不會因過緊而阻礙軸承的旋轉(zhuǎn)。雖然軸承組件通過Markforged機(jī)器制造完成的,但它比渦輪機(jī)殼體的制作難度要高得多。

(圖中右下方的軸承箱將軸、轉(zhuǎn)子組件和螺釘固定在渦輪機(jī)殼體上)

增材制造設(shè)計(jì)變更
雖然這部分是可以打印的,但由于幾個(gè)原因,這個(gè)部分比渦輪機(jī)殼體打印要困難得多。首先,軸承配合必須精確并保證同心度;然而,由于Onyx表面硬度的降低,公差可能稍微大一些。不過也因禍得福,因?yàn)檫_(dá)到+0 / - 0.001英寸公差要比鋁要求更為實(shí)際。其次,我們需要能夠精確地打印環(huán)凹槽和懸掛法蘭盤。這些都需要大量的支撐材料,可以從難以進(jìn)入的地方進(jìn)行去除,同時(shí)不會損壞零件。我們的可去除支撐材料保障了環(huán)凹槽和法蘭盤的打印效果。第三,我們需要在軸承周圍打印零部件中加入纖維。如果零件發(fā)生變形,那么任何精密軸承都將無法使用。因?yàn)檫@一部件足夠大,可以在每個(gè)軸承周圍設(shè)置打印六圈的纖維,這得以給零部件足夠的強(qiáng)度支撐。

(軸承箱的外部軸承配合,六個(gè)光纖環(huán)圍繞軸承腔)

打印箱體
在我們所有的機(jī)器上都可以達(dá)到嚴(yán)格的公差比例。為了證明這一點(diǎn),我們決定打印兩個(gè)版本的軸承箱:一個(gè)通過Mark Two 企業(yè)工具包,另一個(gè)在Mark X系列上進(jìn)行激光尺寸驗(yàn)證。
通過Mark Two打印軸承箱
要在Mark Two上進(jìn)行精確打印,我們必須使用獨(dú)立測量的單元測試。我們已經(jīng)在上一篇文章中明確地介紹了單元測試; 這允許我們在沒有閉環(huán)設(shè)計(jì)的情況下打印出具備嚴(yán)密的公差的零部件。 對于軸承箱來說,我們將兩個(gè)軸承的每一個(gè)都抽象成環(huán),并打印多個(gè)單元測試。 每個(gè)單元測試打印結(jié)束后,我們會盡可能準(zhǔn)確地測量內(nèi)徑(用卡尺測量3D打印圓圈內(nèi)壁可能會非常困難),并在CAD中調(diào)整我們的零件尺寸。 在每次軸承配合迭代兩次后,我們將每一個(gè)新的尺寸融合到完整的零件中并打印出來。只有在測量和驗(yàn)證完整零件后,才會嘗試插入硬件。 如果一切按計(jì)劃進(jìn)行,軸承將能夠緊密壓裝,我們就可以將軸承箱安裝到渦輪機(jī)殼體上。

 

(打印兩個(gè)單元測試零件用以測試軸承安裝在大軸承腔上的效果)

通過Mark X系列打印軸承箱

(兩種激光掃描的3D視圖)

由于Mark X系列3D打印機(jī)打印零件的尺寸仍然需要通過人為驗(yàn)證,因此我們不能簡單地打印出完美的零件。 但是,激光尺寸驗(yàn)證大大簡化了我們的工藝。 我們不使用單元測試(盡管這樣做很好,但仍存在無法驗(yàn)證容差的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)閱卧獪y試的公差尺寸仍需要反復(fù)校對),我們打印的整個(gè)零件激光掃描包含每兩個(gè)關(guān)鍵軸承適合的每一層。這使我們能夠在打印過程中驗(yàn)證每個(gè)軸承配合,而無需使用卡鉗。 雖然我們在第一次嘗試中遇到了兩個(gè)容差(排除重印的必要性),但如果缺少必要的容差,則會導(dǎo)致簡單的重新計(jì)算維度和重新打印。這個(gè)工作流程非常簡單,比使用單元測試簡單得多。

 (尺寸掃描顯示圓形腔體在公差范圍內(nèi)(腔體直徑應(yīng)該是22.225mm)

結(jié)論
雖然很復(fù)雜,但3D打印軸承箱被證明是高精度3D打印的重要應(yīng)用之一。我們已經(jīng)驗(yàn)證了我們可以在幾乎不需要太多設(shè)計(jì)更改的前提下通過Mark Two和Mark X上打印零部件。更加令人振奮的是,通過兩種設(shè)備打印出來的軸承箱可以互換使用; 兩者都能讓渦輪轉(zhuǎn)子完美地進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

(的特斯拉渦輪機(jī),配備3D打印的軸承箱,安裝在渦輪機(jī)殼體上)