航空航天：即使在声速甚至更高速度下均能持久耐用
来自 Vectoflow 的流体测量探头—增材技术和 EOS 助力打造 极其坚固的特性
流体测量探头是一种用于计量气流速度和攻角的组件,尤其适用于飞机和涡轮机械设计。速度和攻角是 由流入的气流决定的。虽然其似乎相对较小,微不足道,但这些系统却必须承受极高的应力,并始终保持 可靠运行。Vectoflow 致力于开发和制造复杂的流体测量探头。它采用 EOS 增材制造技术实现极为耐用的理想设计。
面临的挑战
速度是飞机中的关键要素—首先,速度是飞机优于其他交通工具的决定性优势;其次,速度是至关重要的因素,如果速度过低,飞机会因气流影响而突然停止,从而导致飞机坠毁;而另一方面,如果速度过高,则组件承受过大的应力。所谓的流体测量探头在航空领域用 于持续测量相关速度。在空气流 经这些探头时,可基于压力确定速 度。此速度可能是飞行速度/风速 或空气流经发动机从而产生推进力的速度。
考虑到如今的亚音速和超音速飞机经常会遇到马赫数较高的情况,因此探头无疑会承受巨大应力。当需要在攻角较大的情况下保证功能正常时,即飞机头突然朝上或朝下时,更是如此。在喷气发动机的特定安装配置中,还会出现较高的作用力和不规则的进气流,例如,探头与气流成特定角度时就会如此。此时,可应用我们的 Kiel 探头 解决这一问题,这是一种在传统 流体测量探头基础上进行改进开 发的探头。在极端条件下进行飞 行演习或在发动机处于倾斜位置 时,借助这种探头可实现精确测量。不过,组件此时所承受的应力会进一步增大。对于发动机更是如此,因为热负荷会更高。Vectoflow 致力于开发此类探头。从一开始,专家团队就采用增材制造技术来应对前述挑战。一个特殊的案例展示了这项技术的巨大潜能。工程师们接受了生产一组探头的任务,并且要求生产出的探头采用特殊的空气动力学设计，即耙状设计。简言之，这意味着必须生产出一种外形经过优化并且非常小巧的测量装置，确保不会对气流产生干扰。同时，此类测量装置还必须能够长 时间承受 1,000 摄氏度的高温。
“我们的客户是欧洲航空航天领域的一家研究型公司,他们面临着探 头断裂的难题,这是因为他们采 用的探头由多个部分组成,存在不 稳定性。”“我们制造出的探头采 用一体式结构,可帮助客户避免这 种问题,”Vectoflow GmbH 工程师 兼主管 Katharina Kreitz 解释称。
“借助增材制造技术,我们可以生 产出具备一体式结构的 Kiel 探头,而特殊的 Kiel 架构只有运用 EOS技术才能实现。因此,我们可实现特殊的功能集成式设计,并获得非常小的通道和整体尺寸。”
对组件进行建模时,Vectoflow 还特别注重尽可能减少可能的干扰因素及其影响,例如,尽量避免产生不希望出现的次生噪声,因为在本例中,还需要减少声学测量。此外,借助 EOS M 290 逐层生产的特性,工程师还找到了有效应对热负荷的解决方案 。热元件测量相应测量单元的温度。镍铬合金甚至能承受所需的高达 1,000 摄氏度的 温度 ,并且在两倍声速下完全能够正常运行。
Vectoflow 还对组件进行了各种后处理,用以优化产品质量。由于采用专门研发的工艺,探头的表面极其光滑,从而可制造出近乎完美的成品。这优化了探头的空气动力学特性,确保其功能(测量喷气发动机中气流边界层的压力和温度)不会受到影响。
成果
客户对于Vectoflow团队给出的方案非常满意,Katharina Kreitz 确认说,“我们收到了非常积极的反馈。与采用传统加工工艺制造的探头不同,我们的样本十分坚固,这一点令客户印象深刻。与采用传统方式制造的组件相比，我们组件的刚度可提高150%。此外，此组件厚度极小，其设计改善了空气动力学特性并经过后处理，这些因素对于用户获得非常精确的测量结果都非常重要。”用户之前经常遇到的组件断裂问题现已不复存在,同 时 ,还 带 来 了 更 多 优 势 。例 如 ,用户现在可大幅延长组件维护间隔,并且可就地对部件执行所需的工作(取决于部件安装位置), 从而节省数天的时间。这一因素会 直接对成本产生积极影响,并体现了极强的坚固性能以及较高的安全性。此外，采用增材制造技术可缩短生产交付周期，即，可实现快速交付。Vectoflow 已将其总体生产时间(从最初设计到成品)缩短至原本所需时间的三分之一左右。
增材制造再次展现了其独特特性,如极大地提高了设计、尺寸和材料的灵活性,并且可实现快速生产和交付,从而打造出使用寿命更长且精确可靠的组件。由此,此工艺非常适用于航空航天工程设计领域,即最高安全标准与超音速条件下的极大应力密切相关的领域。
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