西門子通過3D打印渦輪耐磨損的環(huán)節(jié)面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

西門子看到了增材制造技術(shù)的潛力：增材制造可以實現(xiàn)優(yōu)良的機械性能，粉末狀原材料細(xì)晶組織，在微觀結(jié)構(gòu)上各向異性需要控制和引導(dǎo)。除了葉片，西門子正在開發(fā)獨特的燃?xì)廨啓C設(shè)計，憑借在能源市場100年以上的經(jīng)驗，西門子將新的設(shè)計可能性轉(zhuǎn)化為客戶的具體解決方案。

2017年，西門子通過3D打印渦輪耐磨損的環(huán)節(jié)面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的專利獲批，接下來，南極熊和大家一起來領(lǐng)略激光金屬3D打印如何幫助渦輪部件提高耐溫和耐磨性能。

圖片：西門子通過3D打印渦輪耐磨損的環(huán)節(jié)面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的專利

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機工業(yè)中，一個顯著的趨勢是追求更高的生產(chǎn)效率。為了實現(xiàn)更高的效率，燃?xì)鉁u輪機運行在越來越高的工作溫度環(huán)境下。理想情況下，旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片和渦輪部件之間的間隙要足夠小，為了應(yīng)對燃?xì)廨啓C非常高的通流溫度，許多渦輪組件內(nèi)的流體流動路徑需要熱障涂層（TBCs）以保護底層組件在流體流動路徑中惡劣環(huán)境下的正常運行。

圖片：西門子通過3D打印渦輪耐磨損的環(huán)節(jié)面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的專利

涂層通常是陶瓷結(jié)構(gòu)，可以承受極端的溫度并且磨損或耐擦傷。通過水射流加工方法，產(chǎn)生理想的耐磨表面輪廓。然而，這種方法的生產(chǎn)成本是昂貴的。西門子發(fā)現(xiàn)直接通過3D打印技術(shù)創(chuàng)建所需的表面輪廓的渦輪機組件更具成本效益。

通過激光一層一層融化金屬粉末或陶瓷增強金屬粉末，西門子制造出耐磨的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的渦輪組件。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包括多個網(wǎng)絡(luò)，每組網(wǎng)絡(luò)有一組的高度相對于渦輪部件的表面一致，多個交錯絞線中的至少兩組不同的高度。

圖片：西門子通過3D打印渦輪耐磨損的環(huán)節(jié)面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的專利

根據(jù)市場研究，西門子將網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高溫環(huán)境并不是第一次，早在2008年西門子Finspong工廠的分布式發(fā)電服務(wù)部門就已開始使用3D打印技術(shù)，限于當(dāng)時成本與技術(shù)的限制，3D打印技術(shù)僅被用于制造產(chǎn)品原型,在經(jīng)過5年的發(fā)展和經(jīng)驗積累之后，2013年分布式發(fā)電服務(wù)部門已將3D打印的應(yīng)用拓展至燃燒器的修復(fù)中，如今這些應(yīng)用已經(jīng)融入到Finspong工廠的日常生產(chǎn)工藝中。

燃燒器工作在一個極端高溫的環(huán)境下，西門子的服務(wù)工程師會在燃燒器工作3萬小時之后將其拆除，然后送到Finspong工廠進行修復(fù)。在這里，工程師將燃燒器頂部去除掉一部分，然后通過近凈形3D打印技術(shù)直接將需要修復(fù)和重建的部分打印在原有的零部件上，大約20小時之后，舊的燃燒器就修復(fù)完成了，隨后工程師就可以盡快將修復(fù)好的燃燒器安裝回去，盡可能降低因停機帶來的損失。通過這種方式，西門子不僅可以對燃燒器按照原有設(shè)計進行修復(fù)，還可以根據(jù)客戶要求按照最新優(yōu)化的設(shè)計方案對燃燒器進行修復(fù)。

工業(yè)流程中產(chǎn)生的氫氣或合成氣是潛在的燃?xì)廨啓C燃料，西門子Finspong工廠希望能夠利用這些氣體為汽輪機提供動力，但是由于在使用時這些氣體需要通過燃燒器進行均勻混合，而現(xiàn)有的燃燒器無法達到這樣的效果，所以西門子一直無法將這些氣體加以利用，而經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化的3D打印燃燒器解決了氣體均勻混合的問題，讓西門子得以對這些氣體進行燃燒測試。

圖片：西門子3D打印的燃燒器部件

以往通過鑄造工藝制造的燃燒器由幾個拆分的部件焊接而成，通過這種燃燒器僅可在空氣中混入幾個百分點的氫氣。選擇性激光熔化3D打印技術(shù)則為燃燒器的設(shè)計優(yōu)化提供了更廣闊的空間，經(jīng)過優(yōu)化后的燃燒器擁有一個外壁和一個框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁, 這個復(fù)雜的雙壁結(jié)構(gòu)零部件最終通過金屬3D打印設(shè)備一次性完成制造，不需要將幾個單獨的部件焊接在一起。Finspong工廠的測試表明，3D打印燃燒器可以均勻混入60%的氫氣，顯著高于傳統(tǒng)燃燒器。

來源：3D科學(xué)谷
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