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

西門(mén)子看到了增材制造技術(shù)的潛力：增材制造可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的機(jī)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(mén)子正在開(kāi)發(fā)獨(dú)特的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)，憑借在能源市場(chǎng)100年以上的經(jīng)驗(yàn)，西門(mén)子將新的設(shè)計(jì)可能性轉(zhuǎn)化為客戶的具體解決方案。

2017年，西門(mén)子通過(guò)3D打印渦輪耐磨損的環(huán)節(jié)面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的專(zhuān)利獲批，接下來(lái)，南極熊和大家一起來(lái)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(mén)子通過(guò)3D打印渦輪耐磨損的環(huán)節(jié)面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的專(zhuān)利

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)中，一個(gè)顯著的趨勢(shì)是追求更高的生產(chǎn)效率。為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，燃?xì)鉁u輪機(jī)運(yùn)行在越來(lái)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(duì)燃?xì)廨啓C(jī)非常高的通流溫度，許多渦輪組件內(nèi)的流體流動(dòng)路徑需要熱障涂層（TBCs）以保護(hù)底層組件在流體流動(dòng)路徑中惡劣環(huán)境下的正常運(yùn)行。

圖片：西門(mén)子通過(guò)3D打印渦輪耐磨損的環(huán)節(jié)面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的專(zhuān)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(guò)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(mén)子發(fā)現(xiàn)直接通過(guò)3D打印技術(shù)創(chuàng)建所需的表面輪廓的渦輪機(jī)組件更具成本效益。

通過(guò)激光一層一層融化金屬粉末或陶瓷增強(qiáng)金屬粉末，西門(mén)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(gè)網(wǎng)絡(luò)，每組網(wǎng)絡(luò)有一組的高度相對(duì)于渦輪部件的表面一致，多個(gè)交錯(cuò)絞線中的至少兩組不同的高度。

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

根據(jù)市場(chǎng)研究，西門(mén)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(mén)子Finspong工廠的分布式發(fā)電服務(wù)部門(mén)就已開(kāi)始使用3D打印技術(shù)，限于當(dāng)時(shí)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(guò)5年的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累之后，2013年分布式發(fā)電服務(wù)部門(mén)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(gè)極端高溫的環(huán)境下，西門(mén)子的服務(wù)工程師會(huì)在燃燒器工作3萬(wàn)小時(shí)之后將其拆除，然后送到Finspong工廠進(jìn)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(guò)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(shí)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(jī)帶來(lái)的損失。通過(guò)這種方式，西門(mén)子不僅可以對(duì)燃燒器按照原有設(shè)計(jì)進(jìn)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(jì)方案對(duì)燃燒器進(jìn)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(jī)燃料，西門(mén)子Finspong工廠希望能夠利用這些氣體為汽輪機(jī)提供動(dòng)力，但是由于在使用時(shí)這些氣體需要通過(guò)燃燒器進(jìn)行均勻混合，而現(xiàn)有的燃燒器無(wú)法達(dá)到這樣的效果，所以西門(mén)子一直無(wú)法將這些氣體加以利用，而經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化的3D打印燃燒器解決了氣體均勻混合的問(wèn)題，讓西門(mén)子得以對(duì)這些氣體進(jìn)行燃燒測(cè)試。

圖片：西門(mén)子3D打印的燃燒器部件

以往通過(guò)鑄造工藝制造的燃燒器由幾個(gè)拆分的部件焊接而成，通過(guò)這種燃燒器僅可在空氣中混入幾個(gè)百分點(diǎn)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(jì)優(yōu)化提供了更廣闊的空間，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的燃燒器擁有一個(gè)外壁和一個(gè)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁, 這個(gè)復(fù)雜的雙壁結(jié)構(gòu)零部件最終通過(guò)金屬3D打印設(shè)備一次性完成制造，不需要將幾個(gè)單獨(dú)的部件焊接在一起。Finspong工廠的測(cè)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(lái)源：3D科學(xué)谷
延伸閱讀：
西門(mén)子如何看3D打印的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
通過(guò)引入云平臺(tái)，西門(mén)子將助力Adidas批量3D打印運(yùn)動(dòng)鞋