KW Micro Power是一家位于佛罗里达的小型制造商，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)。在过去的五年里，KW微动力公司的总裁恩里克·恩里克克斯(Enrique Enriquez)孜孜不倦地工作，创造出一种微波炉大小的微型涡轮发电机，它能产生比十倍于它的系统更大的能量。
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合作开发了第一款微型飞行器(MAV)垂直起吊无人机微型涡轮推进系统，并购买了Stratasys有史以来生产的第二款3D打印系统。但他对当代设计软件和增材制造系统的能力感到惊讶。“我认为这就像是工程学的复兴，”他提到。
由KW Micro Power、nTopology和VELO3D工程师组成的设计团队设计了一种外壳，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
KW Micro Power提供一系列的微型发电机产品，每个优化了不同的用例。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，重量轻是第一要务——每克都很重要。
工程团队成功地将发电机外壳重量减少了44%——从约10.4公斤降至5.9公斤。这种显著的重量减轻大大超出了KW Micro Power团队的预期。“只要减轻20-25%的体重，我就非常高兴了!”Enriquez提及。
作为奖励，原来的CNC加工外壳现在可以用金属增材制造(AM)制造在一个单独的部件。当引擎以每分钟90000转的速度旋转时，所有东西都需要精确对齐。装配中有多个部件增加了错位的机会。通过这种方式，零件巩固是提高机器可靠性的一种必要技术。
为AM重新设计零件是一个简单的过程。为了得到这些结果，Enriquez的团队进行了一项研究Field-Driven设计方法:
- 他们首先使用nTopology的综合静态和模态分析模拟工具确认外壳上的负载相对较小。
- 然后他们去掉不必要的材料，制造出一个空心具有可变壁厚的壳体．
- 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任何支撑结构。
整个过程只需要nTopology中的几个简单的设计模块，几乎是瞬间完成的，没有错误，不到一天的时间就可以准备好制造部件。它还为增加额外的功能提供了机会:用于热管理的保形冷却通道。
使用保形通道冷却电机
冷却系统是大功率发电系统的关键组成部分。事实上，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。高效的冷却可以提高发电系统的效率和扭矩，减轻重量，延长机器寿命，降低维护成本。
在这个项目中，设计团队抓住机会将多种功能整合到同一个组件中。最初设想的空心结构是为了减轻电机外壳的重量，同时也可以作为冷却通道。
该团队通过仿真评估了保形冷却通道对系统性能的影响。他们将nTopology中进行的热有限元分析结果与Ansys Fluent中的CFD模拟结果相结合。
结果表明，该部件的最高工作温度降低了33%，而发电机外部温度下降了86%，降至27℃，触摸安全。
这种温度下降使得使用铝作为发电机外壳的材料成为可能。如果没有保形冷却通道，设计团队可能会被迫使用热阻更高的材料——增加成本——或者以较低的速度运行发电机——限制其功率输出。
对于KW Micro Power的设计团队来说，创建共形冷却通道并不是一个新概念。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。不过，这是他们第一次将这一概念应用到微型涡轮机的组件中。
该团队用不同的冷却介质进行了实验。一个很有吸引力的选择是发动机燃料。使用燃料作为传热介质，可以用飞机上已有的液体冷却发动机，并对燃料本身进行预热(根据模拟结果，从室温到55°C)，从而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在公司的蓝宝石金属3D打印系统铝F357上制造的。这种铸造级铝合金可以阳极氧化，并被认证为关键任务的应用。
在设计阶段，VELO3D的LPBF增材制造系统的能力被考虑在内，以最小的支撑结构和后处理要求创建可制造部件。
VELO3D的SupportFree技术和对加工参数的严密控制与nTopology等工程设计软件提供的控制非常匹配。
因为KW Micro Power是一家小型航空航天工程和制造公司，恩里克斯利用外部合作伙伴网络，如nTopology和VELO3D，推动他的领域的边界。他说:“我喜欢和真正了解自己在做什么的人一起工作，他们能够突破工程学的极限。”
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，增加其发电系统每个组件功能的新想法不断出现。例如，设计团队正在研究如何使用晶格结构来进一步减轻机载模型的重量，并嵌入电子传感器和过滤器来实时监控发电机的性能。
nTopology
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