Dalla polvere alla performance

Scambiatori di calore AM per applicazioni aerospaziali

Gli scambiatori di calore sono parti critiche per l'industria aerospaziale. La parte prodotta in modo tradizionale utilizza assemblaggi con alette brasate e saldate, che si traducono in spessori e rugosità noti per i reparti di qualità. Quando Raytheon Technologies ha esplorato l’utilizzo della produzione additiva per sostituire gli scambiatori di calore dei condotti dei ventilatori esistenti, il produttore multinazionale del settore aerospaziale e della difesa ha dovuto affrontare alcune sfide.

Sebbene l’AM possa creare parti monolitiche che semplificano la produzione e riducono il volume, lo spessore e la ruvidità variabili delle pareti sottili possono compromettere la validità aziendale delle parti prodotte con l’AM. Inoltre, le superfici in questione non sono visibili per l'ispezione e la ruvidità cambia a seconda dell'orientamento della costruzione. Per passare a progetti non tradizionali consentiti dall’AM, Raytheon doveva prima dimostrare che il processo poteva produrre pareti interne lisce di uno spessore specifico.

Come potrebbe Raytheon ottenere la completezza e la qualità dei dati necessarie per le parti AM? Zeiss Group ha fornito alla soluzione la tomografia computerizzata industriale e l'imaging al microscopio a raggi X per ispezionare in modo non distruttivo le caratteristiche interne di uno scambiatore di calore AlSi10Mg.

AlSi10Mg è una lega di alluminio che combina silicio e magnesio come elementi di lega. Il risultato della combinazione sono parti leggere che sono significativamente più resistenti e dure rispetto ad altre leghe di alluminio. Questa tenacità rende AlSi10Mg ideale per la produzione di componenti aerospaziali.

Raytheon ha utilizzato un sistema CT a raggi X Zeiss METROTOM per eseguire una scansione panoramica dello scambiatore di calore a 60 µm per voxel per controllare lo spessore delle pareti e gli spazi o le crepe nelle pareti sottili. Per migliorare ulteriormente il ROI, sono state completate scansioni a risoluzione più elevata nella parte superiore e inferiore della parte a 15 µm per voxel e 3 µm per voxel su uno Zeiss Xradia Versa 620. Le scansioni a risoluzione più elevata hanno verificato lo spessore della parete e consentito la rugosità della superficie essere misurato.

Una volta completate le scansioni di ispezione non distruttiva, lo scambiatore di calore del condotto del ventilatore stampato in 3D è stato sezionato per rivelare le stesse superfici per la microscopia confocale conformazionale della superficie superiore corrispondente (up skin) e della superficie sporgente (down skin). L'ispezione della sezione scavata funge da dato di verità per questo studio.

Una volta allineati i dati della scansione TC a raggi X, le superfici corrispondenti sono state estratte per l'analisi della rugosità superficiale. I risultati sono stati confrontati con una regione estratta simile ripresa con la microscopia confocale. Sulla superficie più liscia della pelle, i valori della media aritmetica (Sa) e della valle più bassa (Sv) si allineavano bene. Ma per rilevare i picchi più alti (Sp), è necessaria una dimensione voxel di 15 µm o inferiore per corrispondere all'analisi dei microscopi confocali. Questa discrepanza si verifica perché la superficie è costituita da tracce lisce di pool di fusione sovrapposte lasciate sulla superficie dal passaggio finale e con occasionali particelle di polvere sinterizzata per creare i picchi più alti.

Quando la dimensione del voxel è maggiore della distribuzione dimensionale prevista della polvere, non è possibile garantire che l'analisi rilevi i picchi dimensionali della polvere. Sulle superfici down-skin, i valori Sa e Sv aumentano come previsto per le superfici AM sporgenti. Queste superfici contengono grandi conglomerati di polvere e singole particelle di polvere, il che porta a superfici altamente irregolari con ampi picchi e avvallamenti.

L'AM può essere utilizzato per produrre scambiatori di calore per condotti di ventilazione se si considera l'orientamento della costruzione. I parametri devono essere ottimizzati anche per la parete sottile sovrastante, che non può essere supportata o accessibile per la lucidatura. La CT combinata con XRM è un potente strumento per ottenere feedback durante lo sviluppo dei parametri e per l'ispezione delle parti finali.

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