设计一款内燃发动机可能需要很长时间，比如三到五年。如果你能把时间减半呢?Lumenium LLC是一家位于弗吉尼亚州的初创公司，致力于开发创新的内燃机系列，而3D打印与桌面金属系统使他们能够实现这一目标。

该公司的逆位移不对称旋转(IDAR)发动机是一种新颖的设计，可产生强大，高效的内燃。其独特的发动机几何形状允许从一个小而轻的发动机，消耗更少的燃料和产生更低的排放戏剧性而高效的工作输出。开发这个引擎的关键是在原型制作过程中快速迭代部分功能和设计的能力。

Lumenium的部件必须承受内燃机运行时固有的极端高温和应力。每个发动机部件都必须满足特定的要求，包括高尺寸精度、动态载荷下的强度和低热膨胀，而每个部件的重量是总体功率密度和效率的重要考虑因素。

增材制造帮助设计团队满足了这些要求，并解决了复杂的零件几何形状，如内部冷却通道，以提高发动机性能。使用来自桌面金属的工作室系统，团队将这项技术引入到他们现有的工作空间中，以实现更快的设计迭代和功能原型。

3500亿美元的市场

内燃机市场规模达3500亿美元，分为三大类:传统活塞式发动机、新型对置活塞式发动机和旋转式发动机。Lumenium的IDAR发动机技术在传统发动机技术的基础上又增加了第四个类别，代表了动力生产的范式转变。发动机部件必须承受动态负载条件，1500 psi的燃烧力和1500°C的燃烧温度。

执行频繁的设计迭代的能力可以有利于最终的发动机性能。每一代IDAR发动机的完整开发周期需要三到五年。确定一种更快、更经济的原型制作方法至关重要。

为什么是3D打印而不是CNC加工

Lumenium每月生产大约20个原型零件。大多数(约95%)是使用5轴数控加工和线切割制造的。用CNC加工复杂的几何形状涉及复杂的刀具路径，有时需要80多次加工操作。每次操作都需要重新编程，这通常涉及定制夹具和操作员重新调整零件。即使需要对打印部件进行后加工，总体加工操作的数量也显着减少。数控机床的编程需要一个训练有素的专业操作员，一个复杂的工作可能需要数周的时间。有些零件需要由外部供应商进行后期加工，制造时间长达三周。

剩下的5%的原型零件——通常是传统的圆形零件——被送到外部机加工车间，那里的交货时间平均约为三周。

除了交货期延长和成本高外，加工为轻量化零件提供了有限的选择。重量对发动机性能至关重要，发动机重量减少50%可能会使额定转速(RPM)和功率输出增加一倍。为了用机械加工的方法来减轻重量，工程师们除了选择一种轻质材料之外几乎无能为力。在不改变材料的情况下，通过机械加工减轻重量通常需要改变零件的几何形状——增加时间和复杂性——这可能导致零件结构中的弱点。

工作室系统打印带有封闭单元填充的部件-整个部件的内部晶格结构。用户可以调整填充间距，以满足强度和重量的要求。用填充物打印的部件将显著降低热传导。这在保持强度的同时减轻了零件重量，使设计团队能够将钢作为解决方案的一部分。

在大多数基于挤压的3D打印方法中，包括结合金属沉积，水平孔需要内部支撑结构来保持形状。然而，调整孔的形状可以消除对支撑的需求。设计团队修改了设计，将圆孔改为更有棱角的形状(即泪滴)，在制造过程中不需要支撑结构。

马鞍的设计包括沿顶部和底部边缘的锯齿，与摆臂相匹配。锯齿有助于组件承受发动机的力量，加工这些关键特征可以实现光滑和精确的配合表面，而不是单独打印。

在Fabricate中，用户可以选择性地调整外壳厚度。重要的是要注意，这不会改变零件的尺寸。相反，它增厚了零件周围的固体外壳，以防止在加工过程中暴露零件的填充物。设计团队仅将面向顶部和底部的外壳厚度增加到5.2毫米，以考虑在加工锯齿时可能会去除的材料。

零件一旦制造出来，就要进行后处理。这包括CNC加工和线切割。马鞍的关键表面进行了加工，在顶部和底部添加了锯齿，钻孔和螺纹。一旦完成，设计团队将鞍座和摆臂固定在一起。

对于Lumenium来说，随着IDAR引擎接近商业化，快速原型对产品开发和成熟至关重要。组件中每个部件的设计和功能都至关重要，因此快速改进和迭代的能力对发动机的整体性能有直接影响。打印的鞍座、摆臂和连杆证明了Studio系统节省的时间和成本。

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