3D-печать выпускных коллекторов из суперсплава

Материал

Для изготовления выхлопных коллекторов был выбран суперсплав инконель 718. По сравнению с нержавеющей сталью этот материал может дольше и без последствий работать в термически и химически агрессивных средах. Инконель используют в ракетных и газотурбинных двигателях, бурильном оборудовании, деталях гоночных автомобилей.

Выпускной коллектор также работает в очень агрессивной среде и, будучи изготовленным из нержавеющей стали, подвержен окислению и коррозии. Это приводит к выходу коллектора из строя. Инконель же при достижении определенных температур обволакивается оксидной пленкой, оберегающей сплав от окисления.

Предел прочности суперсплава инконель 718 — практически в 2,5 раза выше, чем у нержавеющей стали.

Кроме того, инконель обладает очень низкой теплопроводностью. Поэтому его очень любят использовать в турбинных двигателях. Выхлопной газ, попадая в инконелевый коллектор, не выбрасывает энергию наружу, а заставляет турбину вращаться быстрее.

Технология

3D-печать позволяет получать очень сложные формы, которых невозможно достигнуть другими методами, в том числе литьем. Кроме того, при 3D-печати легко вносить изменения: не нужно заново делать всю литьевую оснастку, либо перенастраивать ЧПУ. Достаточно откорректировать цифровую модель и заново ее напечатать.

В качестве конкретной технологии 3D-печати было выбрано производство сложных деталей посредством лазерного плавления металлического порошка — SLM.

Преимущества SLM

• Производство изделий со сложной геометрией без дорогостоящей оснастки.

• Уменьшение массы изделий за счет внутренних полостей.

• Почти 100% использованного при печати порошка пригодно к повторному применению.

Физико-механические свойства изделий, построенных в установках SLM, зачастую превосходят свойства изделий, изготовленных традиционными способами.

Подготовка к печати

Подготовка к 3D-печати происходит в программном обеспечении. Сначала цифровая объемная модель делится на слои толщиной от 20 до 100 мкм, т.к. печать будет происходить именно послойно.

При разрезании модели учитывалось, что после печати предстоит сварка швов. Плюс была задача минимизировать количество поддержек.

После завершения настроек файл в формате STL проверили на соответствие техническим возможностям принтера. После этого запустили 3D-печать.

Производство

На рабочую платформу принтера наносится порошок на толщину слоя. После сплавления порошка лазером платформа опускается, и цикл повторяется раз за разом. В финале изделие извлекается из рабочей камеры и отделяется от платформы.

Постобработка

На выходе из принтера авторы получили не готовую деталь, которую можно напрямую инсталлировать в двигатель, а высокоточную заготовку, которую нельзя получить другими методами. После печати заготовка нуждалась в постобработке.

Все поверхности, впоследствии задействованные для прилегания турбин и головки блока цилиндров, были покрыты поддержками. После отбивания поддержек поверхности были механически обработаны до состояния идеальной гладкости. Т.к. инконель не самый мягкий сплав, это заняло несколько часов.

Результат

На 3D-принтере удалось напечатать выхлопные коллекторы, у которых имеется всего по одному шву. Это означает, что были минимизированы проблемные области детали, т.к. швы — это концентраторы напряжения.

Раннеры соединены с фланцем цельной деталью без швов, что делает их очень прочными.

3D-печатные коллекторы из инконеля не окисляются, не подвержены коррозии, выдерживают высокие температурные нагрузки и не расходятся по швам от вибрации, т.к. количество швов минимально плюс инконель сам по себе хорошо справляется с вибрациями.

И самое главное, получившиеся коллекторы способны передать на турбину гораздо больше энергии, чем аналоги из нержавеющей стали.