Коллектив авторов из Израиля, Турции и Бельгии опубликовал описание интереснейшей инженерной работы: они смоделировали и «собрали» миниатюрную газовую турбину всего из двух основных деталей. С полным текстом можно ознакомиться тут (потребуется хороший английский).
Подготовленному читателю уже понятно, речь об аддитивных технологиях. Инженеры напечатали из металлического порошка на машине EOS M290 за один проход вращающийся ротор, то есть объединенные валом компрессор и турбину, и неподвижную часть — корпус с камерой сгорания. Рабочая область печати: 400*400*400 мм.
Нас же, в рамках формата блога, интересует именно подшипник: как он реализован? Ротор (вал) и статор (корпус турбины) “образуют” своими поверхностями гибридный конический подшипник скольжения, смазываемый топливом (см. иллюстрацию).
Почему пришлось заложить такой большой зазор подшипника?
Авторы конструкции заложили в проект подшипник скольжения с зазором, внимание, 300 микрометров, то есть 0,3 миллиметра. Хотя при классическом подходе к проектированию, зазор ожидается втрое (а то и впятеро) меньшим. Почему так?
Инженерам было очевидно, что технологические ограничения 3D-печати посредством лазерной порошковой плавки (L-PBF) просто не позволят напечатать обе детали разом и выдержать в подшипнике зазор значительно меньший, чем 300 микрометров. Дело даже не в точности печати как таковой, а именно в “прилегании” одной детали к другой — равномерный малый зазор должным образом не напечатать. Ну что ж, пусть будет 300, решили инженеры.
Аномальный зазор: пришла беда, откуда не ждали
Компьютерное моделирование первой версии механизма дало следующие результаты: если отталкиваться от зазора в 300 мкм, подшипник будет работать в нетипичном режиме смазки (со сдвигом вязкого слоя смазки) и потери на трение будут абсолютно неприемлемы.
Тогда ученые масштабировали подшипник, сделав его короче, и, хотя его несущая способность несколько упала, но и затрачиваемая на преодоление трения мощность “ушла” в допустимый диапазон.
Несколько попыток 3D-печати для достижения цели
Тестовое моделирование сессии печати показало, что зазор всё-таки на практике не будет выдержан и падает почти до нуля. Пришлось вносить поправки в модель, печатать тестовые образцы в виде двойного конуса (ну не создавать же каждый раз целую турбину ради эксперимента?). И в конечном итоге, после нескольких последовательных попыток, турбина была напечатана с требуемым зазором в подшипнике.
При этом отклонение от CAD-модели на печати составило всего 10 микрометров (в зоне подшипника), то есть все возможные деформации отпечатка и огрехи принтера проектантами были учтены максимально близко к реальности.
Большой зазор подшипника — благо, беда или вынужденная необходимость?
Зазор 300 мкм был выбран не потому, что это хорошо для подшипника, а потому что это минимально возможный гарантированный зазор, который можно было надежно получить при одновременной 3D-печати ротора и статора как единой сборки, с учетом всех технологических деформаций.
Исследователи доказали, что даже с таким аномально большим зазором можно создать работоспособный гибридный подшипник, если:
- Использовать его на очень высоких скоростях (58 000 об/мин и более).
- Провести детальное моделирование и внести правки, учитывающие недостатки метода печати и нетипичные режимы работы подшипника.
- Правильно подобрать активную площадь подшипника для баланса между нагрузкой и потерями мощности.
Это блестящий пример того, как ограничения новой технологии производства превращаются в вызов для инженерной мысли и приводят к появлению компромиссных, но дерзких и при этом рабочих решений. Браво международной команде исследователей!
