利用3D打印设计特斯拉涡轮机(二)

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发布时间:2018-03-20下载次数:87 次

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项目介绍
本系列文章主要介绍了如何用Markforged打印的零部件对特斯拉涡轮机进行加工改造。在上一篇文章中,我们具体介绍了特斯拉涡轮机的原理,讨论了哪些零部件适用于3D打印,并用Markforged打印的零部件取代了涡轮机壳体。本文中我们将讨论特斯拉涡轮机改造的另一个3D打印组件:轴承箱。
特斯拉涡轮轴承箱
涡轮机壳体要求包裹轴承组件,但不能相互摩擦接触。相反,位于轴承箱中间的螺栓与涡轮机壳体相连接,并且用两个同心轴组成轴承组件。初期设计人员通过悬挂轴承箱侧面的转子,确保转动零件可以很轻易地验证轴承孔的同心度,这是至关重要的。在电机以24,000转/分的状态下运行时,涡轮机转子任何一个小的误差都可能导致灾难性故障。在铝制外壳(原来是机加工的)中,这些轴承配合的公差为+0 / - 0004英寸。极其严格的公差范围确保了轴承转子安置到位,从而不会因过紧而阻碍轴承的旋转。虽然轴承组件通过Markforged机器制造完成的,但它比涡轮机壳体的制作难度要高得多。

(图中右下方的轴承箱将轴、转子组件和螺钉固定在涡轮机壳体上)

增材制造设计变更
虽然这部分是可以打印的,但由于几个原因,这个部分比涡轮机壳体打印要困难得多。首先,轴承配合必须精确并保证同心度;然而,由于Onyx表面硬度的降低,公差可能稍微大一些。不过也因祸得福,因为达到+0 / - 0.001英寸公差要比铝要求更为实际。其次,我们需要能够精确地打印环凹槽和悬挂法兰盘。这些都需要大量的支撑材料,可以从难以进入的地方进行去除,同时不会损坏零件。我们的可去除支撑材料保障了环凹槽和法兰盘的打印效果。第三,我们需要在轴承周围打印零部件中加入纤维。如果零件发生变形,那么任何精密轴承都将无法使用。因为这一部件足够大,可以在每个轴承周围设置打印六圈的纤维,这得以给零部件足够的强度支撑。

(轴承箱的外部轴承配合,六个光纤环围绕轴承腔)

打印箱体
在我们所有的机器上都可以达到严格的公差比例。为了证明这一点,我们决定打印两个版本的轴承箱:一个通过Mark Two 企业工具包,另一个在Mark X系列上进行激光尺寸验证。
通过Mark Two打印轴承箱
要在Mark Two上进行精确打印,我们必须使用独立测量的单元测试。我们已经在上一篇文章中明确地介绍了单元测试; 这允许我们在没有闭环设计的情况下打印出具备严密的公差的零部件。 对于轴承箱来说,我们将两个轴承的每一个都抽象成环,并打印多个单元测试。 每个单元测试打印结束后,我们会尽可能准确地测量内径(用卡尺测量3D打印圆圈内壁可能会非常困难),并在CAD中调整我们的零件尺寸。 在每次轴承配合迭代两次后,我们将每一个新的尺寸融合到完整的零件中并打印出来。只有在测量和验证完整零件后,才会尝试插入硬件。 如果一切按计划进行,轴承将能够紧密压装,我们就可以将轴承箱安装到涡轮机壳体上。

 

(打印两个单元测试零件用以测试轴承安装在大轴承腔上的效果)

通过Mark X系列打印轴承箱

(两种激光扫描的3D视图)

由于Mark X系列3D打印机打印零件的尺寸仍然需要通过人为验证,因此我们不能简单地打印出完美的零件。 但是,激光尺寸验证大大简化了我们的工艺。 我们不使用单元测试(尽管这样做很好,但仍存在无法验证容差的风险,因为单元测试的公差尺寸仍需要反复校对),我们打印的整个零件激光扫描包含每两个关键轴承适合的每一层。这使我们能够在打印过程中验证每个轴承配合,而无需使用卡钳。 虽然我们在第一次尝试中遇到了两个容差(排除重印的必要性),但如果缺少必要的容差,则会导致简单的重新计算维度和重新打印。这个工作流程非常简单,比使用单元测试简单得多。

 (尺寸扫描显示圆形腔体在公差范围内(腔体直径应该是22.225mm)

结论
虽然很复杂,但3D打印轴承箱被证明是高精度3D打印的重要应用之一。我们已经验证了我们可以在几乎不需要太多设计更改的前提下通过Mark Two和Mark X上打印零部件。更加令人振奋的是,通过两种设备打印出来的轴承箱可以互换使用; 两者都能让涡轮转子完美地进行转动。

(的特斯拉涡轮机,配备3D打印的轴承箱,安装在涡轮机壳体上)