KW Micro Power为商业航空和军事应用设计和制造高功率密度辅助动力单元(apu)。他们是一家位于佛罗里达的小型制造商，正在寻找新的、前沿的解决方案。在过去的五年里，KW微动力公司的总统恩里克·恩里克克斯(Enrique Enriquez)孜孜不倦地工作，创造了一个微波炉大小的微型涡轮发电机，可以产生比十倍大的系统更大的能量。
恩里克斯对航空航天设计和制造并不陌生。在他漫长而成功的职业生涯中，他曾领导过劳斯莱斯的工程团队，与DARPA合作开发了第一个无人机推进系统，并购买了Stratasys有史以来生产的第二个3D打印系统。但他完全震惊于当代设计软件和增材制造系统的能力。“我认为这就像是工程学的复兴，”他提到。增材制造成为微型涡轮发电机发展的重要工具。
KW Micro Power公司的机载微型涡轮机的一个关键部件是发电机外壳。KW Micro Power、nTopology和VELO3D的工程师设计了一种外壳，它不仅比原始设计轻得多，而且具有最小的支撑结构，可以作为一个整体制造，而且具有内部保形通道，用于冷却发动机和预热燃料。
航空航天轻量化apu
对于陆地应用，重量不是大问题。然而，对于飞机或无人机上的apu来说，轻量化是第一要务——每一磅都很重要。工程团队成功地将发电机外壳的重量减少了44%——从约10.4公斤降至5.9公斤。这个结果超出了KW微动力团队的预期。“只要减轻20-25%的体重，我就非常高兴了!”Enriquez提及。
一个额外的奖励:外壳，原来是CNC加工，可以用金属增材制造在一个单独的部件。通过增材制造的零件整合提高了机器的可靠性。例如，当发动机以每分钟90000转的速度旋转时，所有东西都需要精确对齐。单个部件消除了任何对齐问题。
为增材制造重新设计部件是一个简单的过程。为了达到这些结果，Enriquez的团队采用了现场驱动设计方法:
-他们首先使用nTop平台的综合静态和模态分析模拟工具确认外壳上的载荷相对较小。
-然后他们去掉了不必要的材料，创造了一个具有可变壁厚的中空外壳。
-最后，他们平滑了内部几何形状，以确保在使用VELO3D的金属AM工艺制造过程中不需要支持结构。
整个过程只需要在nTop平台上进行几个简单的设计模块，不到一天的时间就可以完成零件的生产。它还为增加额外的功能提供了机会，例如用于热管理的保形冷却通道。
使用保形通道冷却电机
热管理是电机的主要尺寸约束之一。简单地说，更好的冷却意味着更多的电力。
高效的冷却最小化了发电机的热点，实现了更高的电流密度，减少了欧姆损耗，并减少了对机器部件的热应力，特别是绕组和磁铁。在发电系统中，冷却可以提高效率和扭矩，减轻重量，延长机器寿命，降低维护成本。
在这个项目中，空心结构最初是为了减轻电机外壳的重量，同时也可以作为冷却通道。
Enriquez的团队过去曾在带有内部螺旋的测试部件上做过实验，取得了巨大的成功。然而，这是他们第一次将这一概念应用到他们的微型涡轮机组件中。
该团队用不同的冷却介质进行了实验。一个有吸引力的选择是发动机燃料。使用燃料不仅可以用飞机上已有的液体冷却发动机，还可以对燃料进行预热，提高燃烧过程的效率。
从设计到制造
发电机外壳的新设计是由VELO3D在该公司的蓝宝石金属3D打印系统的铝F357上制造的，铝F357是一种铸造级铝合金，可以阳极氧化，并被认证为关键任务应用。
在设计阶段，VELO3D的LPBF增材制造系统的功能被考虑在内，以创建一个可制造的部件，具有最小的支撑结构和后处理要求。
VELO3D的SupportFree技术和对加工参数的严格控制与nTop平台提供的控制水平非常匹配。
接下来的步骤
KW Micro Power计划在2021年推出其轻型航空级微型涡轮机。然而，增加发电系统每个组件功能的新想法不断出现。例如，设计团队现在正在研究如何使用晶格结构来进一步降低机载模型的重量，或者如何嵌入电子传感器和过滤器来实时监控发电机的性能。
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