通過混合增材制造，GE提高渦輪葉片修復效率

GE可能是與增材制造（AM）的進步最密切相關的主要“玩家”。最經(jīng)典的當屬用于其LEAP噴氣發(fā)動機的燃油噴嘴案例。然而，GE與增材制造相關的一個值得注意的成就是另外一起收購。 GE于2015年收購阿爾斯通電力公司后，還獲得了通過Hamuel的混合增材制造設備來修復渦輪葉片的技術。

如何在現(xiàn)有的渦輪機葉片上應用金屬3D打印技術，這對于再制造領域來說有著廣泛的應用前景。在瑞士Birr的GE Power Services生產基地，新融合進來的原阿爾斯通團隊通過Hamuel混合增材制造設備，不僅修復葉片，還提升了葉片的性能。

與許多進入到混合增材制造設備領域的機床廠商類似，Hamuel的設備也是采用了德州混合動力制造技術公司的“Ambit”激光沉積焊接系統(tǒng)來實現(xiàn)了增材制造。Hamuel于2013年推出增材制造混合加工中心HSTM 1000，該設備結合激光熔覆，五軸加工，檢驗，拋光和激光打標于一體。在特別是修復磨損葉片和葉盤方面有著優(yōu)秀的加工能力。

“Ambit”激光沉積焊接系統(tǒng)可以裝入機床的主軸（使用與刀具相同的接口），從而使得機床像“換刀”一樣方便的調用激光熔覆功能進行金屬沉積加工。在其標準版本中，Hamuel的HSTM系列機床采用五軸銑削和全車削，可在單個加工工序中加工復雜輪廓的渦輪葉片。該機器的混合增材制造版本則通過定向金屬沉積的方式將金屬直接“補焊”到工件上，從而實現(xiàn)零件修復的功能，補焊完成后通過機加工的方式加工到精確的公差范圍內。

根據(jù)GE的工作小組，混合增材制造的一個優(yōu)勢是僅需要一次裝夾過程。與多臺機器相比，一次裝夾的情況節(jié)省了傳輸和調整時間。在采用切割、堆焊和精加工等連續(xù)步驟的典型維修中，混合增材制造節(jié)省了三個運輸和夾緊步驟中的兩個。

在GE的工作小組看來，金屬3D打印與數(shù)控金屬切削機床的結合代表了比傳統(tǒng)機床更多的價值 – 就像瑞士軍刀不僅僅是一把刀，智能手機不僅僅是一個手機。雖然Birr中大多葉片刀片修復仍然通過常規(guī)方法進行（因為工廠葉片修復的工作量太大了），但是混合增材制造系統(tǒng)已經(jīng)被證明讓葉片的修復過程變得更加高效。

圖片：殘缺的葉片

從混合增材制造加工工藝中獲益的另外一個例子是提高葉片性能。在過去的幾年的加工經(jīng)驗表明，通過改進葉片的設計可以提升渦輪機效率。葉片作為渦輪實現(xiàn)能量轉換的基本元件,其幾何外形設計優(yōu)劣將直接影響渦輪的整體性能。通過改變渦輪葉片前緣形狀,可以達到提高渦輪流動特性和氣動性能目的。而3D打印技術為制造的靈活性擴展了很大的自由度。

而在過去，這樣對于葉片的修改幾乎是不可能的。而混合增材制造設備上的3D打印和銑削加工的配合帶來了小量修改的可行性與經(jīng)濟性。當這些葉片被完全修復后，它們被賦予了新的性能，從而有力地提升渦輪的整體性能。

值得注意的是，雖然這些葉片的批量可能很小，但是工作量并不小，可能會遇到典型的生產問題，包括由于人為的錯誤導致的碰撞從而損壞“Ambit”金屬沉積系統(tǒng)。獲得新的替換系統(tǒng)將需要七天時間，在此期間設備就失去了3D打印功能，這意味著那些需要被處理的葉片只好排隊等待。

在混合金屬3D打印領域，根據(jù)3D打印技術的不同將其分為兩大派系。一大派系是以日本松浦以及日本沙迪克為代表的，將PBF粉末金屬熔化3D打印技術與CNC金屬切削技術相結合到一臺設備中；
另一大派系以德國德馬吉森精機、日本馬扎克以及本文中提到的Hamuel等為代表，將LENS激光近凈形3D打印技術與CNC金屬切削技術相結合到一臺設備中。

前者在金屬切削的過程中沒有冷卻液的使用，并且金屬切削的過程是與PBF粉末金屬熔化3D打印過程相互交替進行的；后者在金屬切削的過程中通常有冷卻液的使用，并且金屬切削的過程是在LENS激光近凈形3D打印過程結束后進行的。

自2015年以來，GE石油天然氣集團就采用松浦增材制造復合加工銑床在其日本新瀉縣的刈羽（Kariwa）工廠制造特殊配置的Masoneilan控制閥部件以用于整個能源行業(yè)的各種應用。

GE公司于2011年收購了刈羽工廠，兩年后，它開始測試使用3D打印機制造特殊的控制閥。這些特殊的閥門上有非常多的小孔和流動通道，一直很難制造，過去必須使用很多零部件來組裝。GE刈羽工廠使用的是LUMEX Avance-25金屬3D打印機，金屬3D打印機的使用使得GE能夠制造具有復雜形狀的部件，比如中空結構，彎曲的形狀和網(wǎng)格等，這些使用常規(guī)的制造方法很難制造。另一個好處是，它使一體化成型成為可能，從而減少了傳統(tǒng)制造工藝中所需的處理模具的環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)更快的制造時間和較低的制造成本。

也就是說混合金屬3D打印領域的兩大派系，GE都在使用。通過PBF粉末金屬熔化3D打印技術與CNC金屬切削技術來修復控制閥這樣內部十分復雜的零件；通過LENS激光近凈形3D打印技術與CNC金屬切削技術的結合來修復葉片這種難加工的零件。

那么對于這些昂貴的零件來說，在經(jīng)過多年運轉受到磨損后影響正常性能的情況下，扔掉它們無疑對制造的經(jīng)濟性是非常不劃算的。而3D打印技術可以說“挽救”了這些零件的“生命”，通過修補的方法，使得這些零件恢復其使用價值。

而毋庸置疑，3D打印技術將在零件的再制造領域發(fā)揮積極的價值。而這對于探索3D打印技術的商業(yè)模式的企業(yè)來說，再制造可以作為市場的一個切入點來進行布局。

來源：3D科學谷
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