산업 제조
산업용 사물 인터넷 | 산업자재 | 장비 유지 보수 및 수리 | 산업 프로그래밍 |
home  MfgRobots >> 산업 제조 >  >> Manufacturing Technology >> 3D 프린팅

3D 인쇄 Tesla 터빈 설계 – 1부

소개


Markforged 부품으로 Tesla 터빈을 개조하는 2부작 미니 시리즈에 오신 것을 환영합니다. 이 블로그는 가장 순수한 형태의 애플리케이션 엔지니어링입니다. 이 부분을 디자인하고 인쇄하기 위해 이전 교육 블로그 게시물에 정의된 기술을 사용할 것입니다. 결국 우리는 Markforged 부품을 사용하여 매우 빠른 속도로 회전할 수 있는 기능적인 Tesla 터빈을 갖게 될 것입니다. 첫 번째 기사에서는 Tesla 터빈의 기본 사항과 터빈 하우징의 Onyx 재생산에 대해 논의할 것입니다.


Tesla 터빈이란 무엇입니까?


Tesla Turbine은 20세기 초 Nikola Tesla가 특허를 받은 블레이드가 없는 구심 흐름 터빈입니다. 블레이드 터빈과 마찬가지로 움직이는 유체를 에너지로 변환합니다. 그러나 각진 블레이드를 사용하여 샤프트를 회전시키는 대신 부드럽고 평행한 디스크를 사용합니다. 유체는 터빈 외부 가장자리의 디스크에 접하는 방향으로 이동하면서 터빈으로 들어가고, 점도와 표면층 접착력에 의해 강제로 회전합니다. 유체가 느려지고 에너지가 손실됨에 따라 터빈의 중심을 향해 나선형으로 흐르고 배기구를 통해 빠져 나옵니다. 아래 GIF는 Tesla 터빈의 유체 움직임과 에너지 전달을 보여줍니다.


Nikola Tesla가 처음으로 Tesla Turbine을 만들 때 그는 이것을 "가장 중요한" 발명품으로 묘사했습니다. 그는 터빈이 90%의 효율을 유지할 수 있고 설계와 구성의 단순성이 발전의 혁명으로 이어질 수 있다는 이론을 세웠다. 그는 한 가지 요점을 가지고 있었습니다. 당시에 사용된 다른 두 개의 로터리 엔진(피스톤 엔진과 블레이드 터빈)은 제조 비용이 비싸고 자주 파손되는 부품이 많았습니다. 이 두 기계와 달리 Tesla Turbine은 매우 간단했습니다. 제조할 복잡한 기능이 없었습니다. 사실, 블레이드는 완벽하게 간격을 둘 필요조차 없었습니다. 이론상 로터리 엔진의 완벽한 다음 단계였습니다.


불행히도 실제로 이 기계에는 두 가지 주요 실패 지점이 있었습니다. Tesla는 처음에 터빈이 거의 완벽에 가깝다고 광고했지만 실제로는 약 40% 효율만 작동했습니다. 경계층 역학에 대한 그의 이해는 항력을 제대로 설명하지 못했습니다. 이러한 발전은 불행한 일이었지만 결코 저주를 받은 것은 아닙니다. 40% 효율로 작동하는 터빈은 여전히 ​​25-30% 범위에서 작동하는 블레이드형 터빈을 훨씬 능가합니다. 블레이드 터빈보다 우수한 속도로 안정적으로 전력을 생산할 수 있다면 Tesla 터빈은 가명으로 떠오를 것입니다. 그들은 할 수 없었습니다. Tesla Turbines는 매우 빠른 속도로 회전합니다. Tesla의 원래 테스트 터빈은 9,000~36,000rpm 사이의 속도로 회전했습니다. 너무 빨라서 터빈의 블레이드가 작동 중에 심하게 뒤틀릴 수 있습니다. 변형은 자신감을 거의 불러일으키지 않았고 Tesla의 "가장 중요한" 발명품은 불명예에 빠졌습니다. 오늘날 Tesla 터빈은 교육용 소품이나 시연으로 소규모로 생산됩니다. 요금을 지불한 적은 없지만 여전히 매력적인 기계입니다.


3D 인쇄 부품으로 터빈 재창조


이 프로젝트에서는 샤프트 및 로터 어셈블리, 베어링 하우징 및 터빈 하우징의 세 가지 핵심 시스템이 있는 Olin College Machine Shop의 Tesla 터빈 설계를 사용했습니다. 샤프트 어셈블리는 베어링 하우징에 의해 완전히 구속되고 터빈 하우징에 포함됩니다. 베어링 하우징과 터빈 하우징은 꼭 맞는 금속 위치 지정 기능과 8개의 나사로 함께 맞습니다.


이 터빈의 단순성은 기계 가공에 적합합니다. 강화 강철 샤프트에서 폴리카보네이트 하우징 커버에 이르기까지 재질과 작동 면에서 다양한 부품이 있습니다. 터빈의 모든 부품은 2축 CNC 기계 이하로 제작할 수 있습니다. 아래는 가공의 짧은 BOM입니다. 터빈의 부품입니다.


터빈 하우징: CNC 밀링 알루미늄


베어링 홀더: 선반 및 CNC 밀링 알루미늄


샤프트: 강철로 변신


샤프트 스페이서: 워터젯 스틸


블레이드: 워터젯 이후 강철로 변신


클램프 플레이트: CNC 밀링 알루미늄


도르래: 회전 알루미늄


입구 블록: CNC 밀링 알루미늄


터빈의 일부 부품은 적층 제조에 적합하지 않습니다. 정밀도 및 축 방향 강도 요구 사항으로 인해 강철 샤프트를 인쇄하기가 매우 어렵고 터빈 블레이드와 스페이서는 무거워서(따라서 큰 회전 관성을 가짐) 이점이 있습니다. 이것은 우리의 인상적인 중량 대비 강도 비율이 도움이 되지 않는 드문 응용 분야 중 하나입니다. 이러한 이유로 우리는 전체 샤프트 어셈블리(샤프트, 스페이서, 블레이드 및 클램프 플레이트)를 그대로 두고 터빈의 외부 부품에 집중하기로 결정했습니다. 대신, 터빈 하우징과 베어링 하우징(다음 기사에서 논의할 예정)의 두 부분에 집중했습니다. 샤프트 어셈블리와 달리 하우징은 교체하기에 완벽한 후보였습니다. 완전 알루미늄, CNC 밀링 및 0.001"보다 작은 공차가 없습니다. 3D 프린팅으로 무게를 획기적으로 줄이면서 강도를 유지할 수 있었습니다.


터빈 하우징 요건


터빈 하우징에는 몇 가지 중요한 요구 사항이 있었습니다. 첫째, 베어링 하우징과 매끄럽게 맞물려야 했습니다. 이는 베어링 하우징의 위치 지정 기능과 관련하여 +.001/-0이 되어야 함을 의미했습니다. 틀림없이 전체 하우징에서 가장 중요한 기능인 촘촘한 메쉬는 고속에서 터빈을 찢을 수 있는 진동을 완화합니다. 둘째, 터빈 하우징에는 16개의 탭 구멍이 필요했습니다. 베어링 하우징을 장착하기 위해 후면 플레이트에 8개, 커버 플레이트 장착을 위해 전면에 8개 더 있습니다. 폴리카보네이트 커버 플레이트는 구조적 관점에서 볼 때 사소한 부분이지만 고압 공기가 터빈 블레이드를 통해 흐르도록 하는 데 매우 중요합니다. 마지막으로 터빈의 캐비티는 블레이드와 아주 작은 간격으로 맞춰져야 합니다. 작은 여유 공간은 블레이드가 회전할 수 있는 여유 공간을 제공하는 동시에 블레이드와 캐비티 벽 사이의 간격을 최소화하여 상당한 효율성 손실을 초래합니다.


설계 및 광섬유 라우팅


인쇄용 터빈 재설계에는 위의 요구 사항을 충족하기 위해 몇 가지 사소한 변경이 포함되었습니다. 먼저 단위 테스트를 사용하여 베어링 하우징 메쉬에 필요한 공차를 치수적으로 확인했습니다. 요구되는 공차를 충족하기 위해 우리는 CAD의 구멍 크기를 약 0.002인치 줄여야 한다고 결론지었습니다(참고:이것은 보편적인 숫자가 아니라 우리가 실행한 단위 테스트에서 수집한 것입니다. 단위 테스트에 대해 자세히 알아보려면 이 블로그 게시물을 확인하세요). 다음으로 알루미늄 버전의 모든 탭 구멍을 열경화 탭 인서트용 공동으로 교체했습니다(여기 링크). 열 세트 인서트는 3D 인쇄된 부품을 고정하는 신뢰할 수 있는 방법으로 탭 구멍이 없는 곳에서 견고한 연결을 보장합니다.


디자인을 강화하기 위해 부품 전체에 동심원 탄소 섬유를 배치했습니다. 베어링 하우징 마운트와 그에 따른 힘이 부품을 변형시키지 않도록 하기 위해 부품의 후면 벽을 가능한 한 많은 섬유 링으로 채웠습니다. 부품의 벽은 강도가 덜 필요하므로 각 벽 레이어에 섬유 링을 하나씩 설치했습니다. 이 전략으로 최소한의 섬유로 부품의 후프 강도를 크게 높일 수 있었습니다. 부품이 Eiger에 배치되면 인쇄할 준비가 되었습니다.


차원 확인


터빈 본체는 Mark Two에 맞습니다. 그러나 우리는 레이저 치수 확인이라는 간단한 이유 때문에 Mark X에 인쇄하기로 결정했습니다. 단위 테스트는 치수가 정확해야 한다고 알려줍니다. 이제 인쇄 중간에 정확성을 확인할 수 있습니다. 우리는 두 개의 레이저 스캔을 구성했습니다. 하나는 베어링 하우징과의 결합 기능을 확인하도록 설계된 것이고 다른 하나는 캐비티 직경을 확인하기 위한 것입니다. 인쇄하는 동안 치수 정확도를 보장하기 위해 Eiger에서 각 스캔을 확인했습니다. 치수 스캔은 0.0004″의 오류를 보여주었으며, 이는 허용 오차 범위 내에 있습니다.


다음 단계


인쇄가 끝나면 나사산 인서트를 삽입하고 알루미늄 베어링 하우징을 부착했습니다. 인서트를 포함하여 570g 알루미늄 하우징에 비해 미세한 터빈 170g을 인쇄했습니다. 금속 하우징과 샤프트 어셈블리가 제대로 작동하는지 확인한 후 베어링 하우징을 설계하고 인쇄했으며, 이에 대해서는 다음 시리즈에서 다룰 예정입니다.


여기에서 이 게시물의 두 번째 부분을 읽고 Facebook, Twitter, Instagram 및 Linkedin에서 팔로우하여 더 많은 업데이트를 확인하세요!


3D 프린팅

  1. FDM 부품을 설계할 때 고려해야 할 상위 10가지 팁
  2. 금속 3D 인쇄 응용 프로그램(2부)
  3. 3D 인쇄 Tesla 터빈 설계 – 1부
  4. 공정 검사:3D 인쇄 부품 개선
  5. 이번 주의 일부 – 3D 인쇄 충격 흡수 장치
  6. 3D 인쇄 익스트림 드론
  7. 3D 프린팅 부품의 치수 정확도
  8. 더 강력한 3D 프린팅 부품을 얻는 방법
  9. 3D 인쇄 부품 검사 방법(3부)
  10. GD&T의 원통도