以色列实现3D打印一次性制造整台微型涡轮发动机

据报道，以色列理工学院（Technion - Israel Institute of Technology）与软件公司PTC合作开发的3D打印微型涡轮发动机具备超越飞行领域的应用潜力。这一微型发动机重约8磅，通过3D打印一次性制造，包括所有旋转和静止部件。发动机外观坚固，内部采用晶格结构以减轻重量，并设计有通道用于气体和燃料流动。相比之下，传统制造的微型涡轮发动机通常需要制造超过33个独立加工的零部件，并进行组装。

PTC首席技术官史蒂夫·德蒂恩（Steve Dertien）表示：“这款发动机除了外壳之外，实际上不需要其他任何零部件来运行。从轴承到密封件再到冷却系统，全部都已内置设计。”

据PTC称，这种经3D打印的发动机可以像其他微型涡轮发动机一样正常启动，尽管尚未进行实际测试。作为非商业研究项目，PTC不打算销售这款特定发动机，但目前有许多公司希望降低紧凑型涡轮在轻型中等大小无人机等应用领域的成本。

3D打印，也被称为增材制造，不需要模具或加工零部件的工具。它消除了焊接或连接零部件的需要，因为这样做可能导致弱点。而且，由于不需要从其他地方运送零部件或拥有熟练劳动力，因此还有在现场按需制造的可能性。

德蒂恩表示：“当发动机仅为一个单元时，生产和更换成本都很低廉。你不需要考虑更换零部件的问题，如果发动机出现故障，只需打印一个新的。”

这款发动机使用Inconel材料，在EOS的金属激光熔化粉末床式3D打印机（型号为M300）上进行打印，耗时13个小时。Inconel是一种极强且耐高温的金属，非常难以加工，因此在传统制造中通常仅用于涡轮发动机的排气部分。

该微型涡轮发动机被设计成一个具有标志性意义的部件，以展示可能的技术。德蒂恩表示：“我们的终极目标是做一些非凡而又易于接触的事情。”

PTC是一家软件公司，而不是金属增材制造商。该发动机项目是与以色列理工学院的研究人员合作开展的。如果能够开发和3D打印可工作的喷气式发动机，这将证明工程师可以利用先进的增材制造软件重新思考这类发动机的制造方式，这是目前机械制造中最复杂的部件之一，考虑到其操作性能要求和零部件的复杂性。

德蒂恩表示：“这款增材制造的发动机是过去五到六年来将增材工程工具纳入计算机辅助设计（CAD）软件的结晶。它代表着增材制造目前所能实现的最前沿技术，而其中一些特点在几年前还是难以想象的。”

PTC的设计和工程软件平台名为Creo，具有专门用于整合仅在增材制造中可能的设计和零件特征的工具。然而，对于使用该软件进行日常工作的工程师来说，这些工具往往是一个谜。

德蒂恩指出，金属增材制造只有几十年的历史，工程师在学校可能并没有学到相关知识，而且很多事情发生了变化。Creo等工程设计软件可以根据产品的大小和重量限制计算涡轮应具有的壁厚，生成理想的晶格结构，并考虑到部件将进行3D打印，因此可能提出合并零部件的想法。

在很多方面，工程设计软件在增材制造方面领先于其他领域。设计特别用于增材制造的零部件的能力已经存在，但其应用除了火箭发动机、医疗植入物和概念项目（如Czinger 21C Hypercar）之外还有些滞后。

Creo是一类计算机辅助设计和工程软件中的一员，包括Autodesk的Fusion 360、西门子的NX、nTop和达索系统的CATIA，它们希望通过提供使增材制造成为可能的设计工具来推动增材制造的更广泛应用。

PTC希望工程师们“从增材制造的角度思考”，将该技术的特点应用于发动机、卫星、汽车和无数其他复杂组件。

Creo和其他类似的软件平台现在包括复杂算法，可以根据产品的尺寸和重量约束优化其设计。产品可以作为实现要求的规格开始，而不是构建方式的限制。设计部件以便进行3D打印的一整套过程和工具被称为DfAM（增材制造设计）。

在设计喷气式发动机组件时，PTC的工程师们使用了Creo来设计和模拟发动机的性能，这是由PTC技术副总裁、以色列理工学院高级研究员罗恩·本·霍林博士和以色列理工学院航空航天学副教授Beni Cukurel领导的。该项目历时约两年，目前仍在进行中。根据德蒂恩的说法，微型涡轮机的下一个版本将进一步简化制造过程。

包括位于加利福尼亚的Sierra Turbines在内的其他制造商也正在追求通过DfAM软件工具实现单体式、3D打印经济高效的微型涡轮机。

对于不受传统制造方式约束的更好发动机、机器和机器人的竞争继续推动着增材制造的应用。