Обзор журнала Additive Manufacturing. Май 2022. Часть 2⁠⁠

1. Обзор журнала Additive Manufacturing. Май 2022. Часть 1

Журнал Additive Manufacturing посвящен развитию 3D-печати с акцентом на промышленное производство.

В выпуске AM magazine в мае 2022 года рассказывают про различные достижения аддитивных технологий в сфере производства электроэнергии.

Как 3D-печать помогает энтузиастам осваивать гидроэнергетику малых мощностей.

В мире существует потенциальная гидроэлектроэнергия, которую не используют по причине отсутствия решений для таких случаев. Речь идет про системы со сверхнизким напором, то есть плотин с перепадом высот менее 9 метров. Такие маленькие плотины игнорируются из-за сложности и затрат на настройку оборудования для взаимодействия с таким потоком воды. Например, в США около 90 тыс. плотин, но только несколько тысяч из них производят электроэнергию.

Компания Cadens решила заняться этим вопросом и в 2022 году их система уже почти два года работает на реке Барк, пруд в Салливане, штат Висконсин.

Компания использовала 3D-печать для изготовления следующих деталей:

1. Впускное соединительное устройство. Эта большая деталь предназначена для подачи воды в систему. Стенка детали имеет полые ребра, усиленные металлом, чтобы деталь не расслаивалась при использовании. Конструкция устройства направлена на создание плавного потока от источника воды.

2. Хомуты для труб. Два хомута вокруг трубы из ПВХ крепятся к деревянным опорам, прикрепленным к полу. Опоры помогают трубе оставаться жесткой по всей ее длине, что важно для предотвращения турбулентности и вибрации, когда во время использования внутри нее почти полтонны воды.

3. Фланец торцевой крышки. Эта деталь прикрепляет трубу из ПВХ к корпусу направляющей (светло-серая деталь). Как и другие печатные детали в системе, фланец изготовлен из ABS-пластика, армированного углеродным волокном, и отшлифован внутри, чтобы сгладить поверхность и избежать турбулентности. Корпус рабочего колеса (светло-серая деталь), соединенный с фланцем, был изготовлен из стекловолокна с помощью напечатанной формы.

4. Выходная труба (черная, нижнее фото). Поперечное сечение изменяется по длине трубы, начиная с круглой геометрии, затем переходит в овальную и, наконец, в овально-прямоугольную — такое изменение формы было бы трудно изготовить с помощью традиционного производства.

5. Статор закрутки потока. Он был напечатан из PETG пластика на более простом FDM 3D-принтере.

Компания Cadens экспериментировала с различным количеством лопастей и различными материалами для этой детали, включая PLA, Ultem 1010 (PEI пластик) и PETG, армированный углеволокном.

Могли бы в этой системе использоваться готовые решения? Технически да, но не работало бы так хорошо. Например, компания Cadens могла использовать для детали «1. Впускное соединительное устройство» стандартное решение, но это стоило бы 9000 долларов, а конструкция привела к потере напора и как следствие уменьшении количества производимой энергии. С помощью крупноформатной печати эта деталь обошлась в 1500 долларов. Используя комбинацию готовых решений и кастомных 3D-печатных деталей, вся система обошлась в 18000 долларов.

Система производит 6,5 кВт электроэнергии. Этого достаточно для питания двух 3D-принтеров Flashforge в мастерской. В следующей версии этой системы планируется повысить мощность до 10 кВт.

Компания Cadens будет стремится предоставить платформу для малых гидроэнергетических систем по всей стране и во всем мире, чтобы помочь уменьшить зависимость от ископаемого топлива и расширить доступ к возобновляемым источникам энергии.

3D-печать открывает студентам возможности для тестирования дорогих конструкций.

С приходом аддитивных технологий стало возможным тестирование различных конструкций деталей быстро и относительно дешево. Студенты Пенсильванского государственного универсистета с помощью 3D-принтера ProX320 от компании 3DSystems, изготавливают из металлического порошка Inconel718 (жаропрочный никелевый сплав) различные конструкции завихрителей.

Завихритель — аэродинамическое устройство, которое используется для улучшения воздушного потока на авиационной технике.

Студенты использовали модель чешуи акулы, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, и добавляли их к поверхности лопастей завихрителя в поисках полезного эффекта. Работа только начинается, но уже понятно, что аддитивные технологии помогают исследователям тестировать новые конструкции деталей за короткое время, а также добавлять такие элементы, которые недоступны традиционным технологиям.

Карбид кремния, напечатанный на 3D-принтере, обеспечивает более высокую безопасность процесса ядерной энергии.

Многие современные электростанции построены в 1950-60х годах. Строительство новых по той же технологии обойдется очень дорого.

Компания из Сиэтла разрабатывает реакторы небольшого размера и низкой мощности. Каждый такой маленький реактор может генерировать 15-30 МВт тепла или 5-10 МВт электроэнергии. Это намного меньше стандартной атомной электростанции (1000 МВТ эл-ва), но это все равно много. 1 МВт достаточно для питания около 800 средних домов в США в течение года.

Одним из ключевых факторов в реализации таких реакторов является 3D-печать карбидом кремния методом Binder Jetting.

«Binder Jetting – метод 3D-печати, основанный на нанесении смеси порошковых материалов с добавками на платформу построения. Затем устройство наносит связующее. В местах, куда попадает связующее, смесь затвердевает. Процесс повторяется раз за разом по мере опускания платформы вниз до конца детали.»

Карбид кремния очень трудно обрабатывать, технология Binder Jetting решает эти проблемы. На принтере печатаются полые топливные формы и заполняются частицами ядерного топлива. Далее происходит удаление связующего в печи и получается крепкая деталь. Традиционно ядерное топливо помещается в графитовые матрицы, которая не обеспечивает такой сильной защиты против выбросов радиочастиц, как карбид кремния.

Текущая конструкция топливной формы представляет собой цилиндрическую таблетку высотой 30 мм и диаметром 21 мм. Поскольку в ядерной области действуют очень строгие процессы лицензирования и регулирования, компания начинает с базовой геометрии, на которую будет легче получить одобрение. Один реактор малого размера использует 180000 таких таблеток. Но оборудование Binder Jetting имеет большие области построения и высокую производительность, что открывает широкие перспективы для масштабирования. Эти формы ядерного топлива уже прошли обширные испытания.

Со временем компания планирует использовать более сложную геометрию, включая, например, внутренние каналы.

Корпус генератора для малой турбины, напечатанный на 3D-принтере.

Компания Micro Power из Майами, штат Флорида, разрабатывает генераторы с микротурбиной. Генератор будет иметь мощность 30 кВт. Для достижения такой мощности сейчас требуется устройство вдвое большего размера.

Компания шаг за шагом прорабатывала конструкцию генератора чтобы получить максимальные преимущества 3D-печати. Протекание топлива через корпус позволяет топливу забирать тепло, вырабатываемое генератором. Таким образом топливо предварительно нагревается, что снижает энергию, необходимую для его воспламенения. Получается, что тепло, которое до этого было потерей энергии, стало эффективно использоваться. Все это стало возможным с помощью проектирования системы внутренних каналов. Подобные системы крайне сложно реализовать без применения 3D-печати, изготовление традиционными методами обычно не оправдывает экономическую пользу. Современное программное обеспечение позволило оптимизировать конструкцию для безопасного удаления порошка из внутренних каналов и снижения объема поддерживающих структур. Изменение конструкции вкупе с заменой материала на алюминий дало уменьшение веса детали, что вносит дополнительную добавочную стоимость в виде уменьшения расхода топлива самого самолета. Добавочная стоимость – один из важнейших аспектов в изготовлении деталей методом 3D-печати.