Conception d'une turbine Tesla imprimée 3D – Partie 2 : Développement du logement de roulement

Introduction

Dans ce second volet de notre série en deux parties, nous expliquons comment rétrofiter une turbine Tesla usinée avec des pièces Markforged. Le premier article a présenté les turbines Tesla, identifié les composants idéaux pour l'impression 3D, et remplacé le corps de turbine par une pièce Markforged sur mesure. Cette entrée se concentre sur l'élément imprimé restant : le logement de roulement.

Le logement de roulement de la turbine Tesla

Le corps de turbine enveloppe l'assemblage d'arbre mais ne le contacte pas directement. À la place, un composant intermédiaire — le logement de roulement — se boulonne sur le corps de turbine et sécurise l'assemblage d'arbre avec deux roulements parfaitement concentriques. En porte-à-faux l'assemblage rotor sur le logement de roulement, les concepteurs d'origine ont permis à un machiniste de vérifier facilement la concentricité des trous de roulement. Cette précision est critique ; à 24 000 tr/min, même un léger désalignement peut causer une défaillance catastrophique. Dans le logement en aluminium d'origine, les tolérances d'ajustement de roulement étaient +0/-0,0004 in, assurant un ajustement par pression serré sans entraver la rotation. Bien qu'une machine Markforged puisse produire cette pièce, elle présente un défi plus grand que le corps de turbine en raison de ses tolérances plus serrées et de sa fonction critique.

Ajustements de conception pour la fabrication additive

L'impression du logement de roulement exige précision et concentricité. Heureusement, la dureté de surface réduite de l'Onyx relâche légèrement les tolérances — atteindre +0/-0,001 in est réaliste comparé à la exigence aluminium. Nous avions aussi besoin d'imprimer des rainures de circlips et des ailettes en porte-à-faux avec une haute précision ; ces caractéristiques nécessitent un matériau de support significatif, qui est proprement retiré grâce aux supports Peel-Off. De plus, la pièce doit accueillir un volume élevé de fibre, surtout autour des roulements, pour maintenir la stabilité dimensionnelle. Le design permet six couches de fibre autour de chaque roulement, fournissant un renforcement ample.

Impression du logement

Pour valider notre approche, nous avons imprimé deux versions du logement de roulement : une sur la Mark Two Enterprise et une autre sur la Mark X, chacune évaluée avec vérification dimensionnelle laser.

Logement Mark Two

Sur la Mark Two, les tolérances serrées reposent sur des tests unitaires mesurés indépendamment. En imprimant et mesurant des anneaux de test unitaire pour chaque ajustement de roulement, nous avons itéré deux fois, ajusté les dimensions CAO, et incorporé les dimensions raffinées dans la pièce complète. Seulement après avoir vérifié le logement complet avons-nous inséré le matériel. Quand réussi, les roulements ont atteint un ajustement par pression serré et se sont intégrés parfaitement avec le corps de turbine.

Logement Mark X

Bien que la Mark X repose aussi sur la validation humaine, le balayage dimensionnel laser simplifie le flux de travail. En scannant les couches contenant les ajustements de roulement critiques, nous vérifions les tolérances en temps réel sans pied à coulisse. Nous avons atteint les deux tolérances du premier coup, éliminant le besoin de réimpressions. Ce processus sans intervention est plus efficace que les tests unitaires.

Conclusion

Malgré sa complexité, le logement de roulement démontre la viabilité de l'impression 3D à tolérances serrées pour composants haute performance. Nous avons confirmé des pièces fonctionnelles sur la Mark Two et la Mark X avec des modifications de conception minimales, et les deux logements permettent une rotation de rotor sans faille.

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