3D-печать выпускных коллекторов из суперсплава

Задача

Спроектировать и изготовить для двигателя Nissan RB25DE выпускные коллекторы с требованиями: меньшая подверженность окислению и коррозии, сниженная масса, минимум швов, являющихся концентраторами напряжения.

Материал

Выпускной коллектор работает в очень агрессивной среде, поэтому для печати был выбран суперсплав инконель 718 на основе никеля и хрома. По сравнению с нержавеющей сталью этот материал может дольше и без последствий работать в термически и химически недружелюбных средах. При достижении определенных температур инконель обволакивается оксидной пленкой, оберегающей сплав от окисления.

Предел прочности суперсплава инконель 718 выше, чем у большинства марок нержавеющей стали. Кроме того, инконель обладает очень низкой теплопроводностью. Это одна из причин, по которым его часто используют в турбинных двигателях. Материал сохраняет прочность при высоких температурах и снижает потери тепла, благодаря чему горячие выхлопные газы дольше сохраняют энергию и эффективнее вращают турбину.

Также этот суперсплав используют в буровом оборудовании и деталях гоночных автомобилей.

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 изменить цифровую модель и заново ее напечатать.

В качестве конкретной технологии была выбрана 3D-печать посредством лазерного плавления металлического порошка — SLM.

В чем преимущества SLM-принтеров?

• Производство изделий со сложной геометрией без дорогостоящей оснастки.

• Снижение 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. 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 для установки в двигатель, а высокоточную заготовку, которая нуждалась в постобработке.

Все поверхности, впоследствии задействованные для прилегания к турбине и головке блока цилиндров, были покрыты поддержками. После их удаления детали были механически обработаны до состояния идеальной гладкости. Поскольку инконель — не самый мягкий сплав, это заняло несколько часов.

Результат

На SLM-принтере удалось напечатать выхлопные коллекторы, у которых имеется всего по одному шву. Это означает, что были минимизированы проблемные области детали, т.к. швы концентрируют напряжение.

Патрубки коллекторов были соединены с фланцем цельной деталью без швов, что сделало их очень прочными.