西門子瑞典芬斯蓬工廠：3D打印革命下的燃?xì)廨啓C(jī)制造

根據(jù)市場研究，早在2008年西門子Finspong-芬斯蓬工廠的分布式發(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(yàn)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)融入到芬斯蓬工廠的日常生產(chǎn)工藝中，接下來我們近距離視角來進(jìn)一步了解西門子能源領(lǐng)域的3D打印發(fā)展?fàn)顩r。

從生產(chǎn)效益到產(chǎn)品效益的提升
燃?xì)廨啓C(jī)是重要的發(fā)電裝備，由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪三大部分組成，其中燃燒室由外殼與內(nèi)部的火焰筒、燃燒器組成，燃燒氣體通過燃燒室端部燃料入口進(jìn)入燃燒室火焰筒與壓氣機(jī)壓入的空氣混合燃燒，實(shí)現(xiàn)膨脹做功。燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)中的重要部件，它們設(shè)計(jì)難度大、材料昂貴，加工工藝復(fù)雜，燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性在很大程度上取決于這些部件的制造水平和維修水平。

西門子芬斯蓬工廠通過增材制造用于燃?xì)廨啓C(jī)的原型設(shè)計(jì)、維修和生產(chǎn)。西門子提供的數(shù)據(jù)顯示，增材制造使生產(chǎn)資源使用減少了63%，維修速度提升60％，交貨期縮短50%。3D打印除了用于生產(chǎn)和維修，在加快原型設(shè)計(jì)方面的作用是不容忽視的。更快地設(shè)計(jì)，這是每個工程師的終極夢想。而通過數(shù)字建模和3D打印技術(shù)，使得設(shè)計(jì)的迭代過程變得迅速。

  芬斯蓬與燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動的氣體帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)燃式發(fā)動機(jī)。重型燃?xì)廨啓C(jī)是大型天然氣發(fā)電廠的核心裝備，也是公認(rèn)最難制造的機(jī)械裝備之一，其核心關(guān)鍵技術(shù)為西門子、GE等制造業(yè)巨頭掌握。芬斯蓬這座人口不過萬余的瑞典東約特蘭省小城，與燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)有著超過一個世紀(jì)的淵源。芬斯蓬向東半小時車程，是東部港口城市北雪平，有“瑞典的曼徹斯特”之稱。

西門子芬斯蓬工廠生產(chǎn)和組裝的上百噸重的燃?xì)廨啓C(jī)，包括全球銷量超過325臺的SGT－800，會被整體裝車，運(yùn)向北雪平港，從波羅的海出發(fā)，輸往世界各地的客戶。

這個區(qū)域是瑞典工業(yè)化起源地之一。16世紀(jì)，德格爾家族看中了芬斯蓬的森林和河流資源，在山上一塊巖石裸露的平地建立工廠，為皇室生產(chǎn)大炮和炮彈。1913年，芬斯蓬工廠開始生產(chǎn)渦輪機(jī)，工廠幾易其主，但渦輪機(jī)產(chǎn)業(yè)始終不變。迄今為止，芬斯蓬工廠售出超過800臺燃?xì)廨啓C(jī)，2300臺蒸汽輪機(jī)，其中95%的產(chǎn)品向100多個國家出口。

西門子于2003年收購工廠，成為北雪平和芬斯蓬最大的私營雇主。芬斯蓬市中心人口只有數(shù)千，而西門子工廠雇傭了3300員工，將近一半為當(dāng)?shù)厝�。芬斯蓬工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)功率從15MW到50MW（1MW=1000KW）的中型燃?xì)廨啓C(jī)，即從SGT-500到SGT-800的5個型號。此外，英國生產(chǎn)的更小功率SGT-300和SGT-400，以及北美生產(chǎn)的航改型燃?xì)廨啓C(jī) Industrial Trent 60，也會運(yùn)至芬斯蓬工廠成套。

3D打印注入燃?xì)廨啓C(jī)新活力
2016年2月，西門子投資2000多萬歐元，將芬斯蓬一處遷出的學(xué)校改造成了西門子工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)3D打印研發(fā)基地和工廠，負(fù)責(zé)燃?xì)廨啓C(jī)零部件的快速原型設(shè)計(jì)、快速維修和快速生產(chǎn)。2016年7月，3D打印零件開始商業(yè)化制造。

穿上安全服、戴上護(hù)目鏡才能進(jìn)入的工作間，大致分為原型設(shè)計(jì)、打印、維修和后期處理四個區(qū)域，共配有12臺來自于德國EOS公司的3D打印機(jī)。透過泛出綠光的玻璃窗口，可以看到4個光點(diǎn)正沿著特定的路徑，在一層白色的粉末上快速移動，留下凝固成型的銀灰色金屬圖案。接著，工作平臺向下降低一級，一條金屬片掃過整個平臺，重新鋪滿金屬粉末，進(jìn)行新一層的金屬圖案繪制。

3D打印的每一層金屬厚度大約在0.02mm到0.04mm之間，比頭發(fā)絲還細(xì)。正在打印的這個燃?xì)廨啓C(jī)零件，共由9000多層構(gòu)成。算法可以檢測每一層出現(xiàn)的漏洞，然后實(shí)現(xiàn)自我修正。這是一種名為選擇性激光熔融的增材制造技術(shù)。與激光燒結(jié)技術(shù)相比，選擇性激光熔融3D打印機(jī)控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方，選擇性地對粉末進(jìn)行掃描，將金屬粉末加熱到完全熔融后成型，不需要黏合劑，成型的金屬零件致密度和力學(xué)性能都更好。

不過，發(fā)電領(lǐng)域給3D打印工藝提出了更高的要求。以燃?xì)廨啓C(jī)為例，首先，零件熱負(fù)荷接近于普通金屬的熔點(diǎn)；其次，渦輪葉片所承受的離心力是凈重力的10000倍；最后，葉片尖端的線速度接近聲速。芬斯蓬工廠目前采用3D打印制造的燃?xì)廨啓C(jī)零件，集中在燃燒室部分。SGT-800燃燒室前端。在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，這個部位由13個部件和18個焊接點(diǎn)組成，而3D打印技術(shù)將其作為整體打印，生產(chǎn)時間由數(shù)月縮短到一兩周。

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，西門子Finspong工廠希望能夠利用這些氣體為汽輪機(jī)提供動力，但是由于在使用時這些氣體需要通過燃燒器進(jìn)行均勻混合，而現(xiàn)有的燃燒器無法達(dá)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(jì)優(yōu)化的3D打印燃燒器解決了氣體均勻混合的問題。

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(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(dú)的部件焊接在一起。

這些經(jīng)過3D打印設(shè)計(jì)優(yōu)化的燃燒器，支持更高燃燒溫度，可以處理高達(dá)60%的氫與天然氣的共燃。由于氫氣比天然氣便宜，相比起純天然氣燃料，每年可以節(jié)省300萬歐元。

不僅僅將3D打印技術(shù)用于燃燒器的制造，芬斯蓬工廠還將3D打印技術(shù)用于燃燒器的修復(fù)。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Finsopong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(jī)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(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)方案對燃燒器進(jìn)行修復(fù)。

芬斯蓬工廠現(xiàn)有的12臺3D打印機(jī)，來自德國EOS公司。其中，有4臺是專門適應(yīng)西門子的需求，進(jìn)行過軟件改造的定制修復(fù)打印機(jī)。芬斯蓬工廠此前長期回收磨損的燃?xì)廨啓C(jī)零件，進(jìn)行修復(fù)，像前文提到的曾由13個部件和18個焊接點(diǎn)組成和燃燒室前端，以往需要大規(guī)模的切斷、重鑄�，F(xiàn)在，定制的3D打印機(jī)只需要截去頂部的24mm，快速打印，交貨時間縮短60%。

目前芬斯蓬工廠還開始為第三方提供3D打印服務(wù)。西門子還為克爾斯科核電站的水泵更換了一個葉輪，3D打印葉輪的直徑為108mm,用來替換克爾斯科核電站水泵中的舊葉輪。在葉輪的原始設(shè)計(jì)缺失的情況下，西門子的工程師采用逆向工程技術(shù)創(chuàng)建了葉輪的數(shù)字化模型，然后通過西門子增材制造工廠中的3D打印設(shè)備將葉輪制造出來。在替換舊葉輪之前，克爾斯核電站和一個獨(dú)立機(jī)構(gòu)對3D打印葉輪進(jìn)行了測試，測試方法包括CT掃描，以確定它的適用性。測試結(jié)果表明，3D打印替換部件的材料性能甚至優(yōu)于之前的葉輪。西門子為克爾斯科核電站提供3D打印的葉輪備件，體現(xiàn)出3D打印技術(shù)為能源裝備制造備品備件的便利性，即在備件已經(jīng)停產(chǎn)并且沒有原始設(shè)計(jì)的情況下，能源裝備中出現(xiàn)問題的零部件仍能及時的得到更換。

位于英國的葉片孵化器
燃?xì)廨啓C(jī)方面，除了芬斯蓬工廠，在西門子的另一個燃?xì)廨啓C(jī)工廠——英國林肯工廠，3D打印技術(shù)對SGT-400燃?xì)廨啓C(jī)的葉片進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，葉片設(shè)計(jì)具有完全改進(jìn)的內(nèi)部冷卻幾何制造。利用多晶鎳超合金粉末制造，并改進(jìn)了冷卻性能。在滿負(fù)荷核心機(jī)測試中，葉片被高于1250攝氏度的高溫氣體包圍，每分鐘13000轉(zhuǎn)。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)上各向異性需要的控制和引導(dǎo)。西門子葉片的批量生產(chǎn)通過位于美國Worcester的工廠來完成。

英國林肯工廠在3D打印燃?xì)廨啓C(jī)葉片上取得的進(jìn)展，與西門子2016年收購的英國3D打印公司Materials Solutions有著緊密的關(guān)聯(lián)，后者專門生產(chǎn)渦輪機(jī)高溫應(yīng)用的高性能部件。

葉片的加工技術(shù)則來自與西門子收購的Materials Solutions公司，Materials Solutions的核心競爭力來自于其對選擇性激光熔融材料的控制能力。最擅長的領(lǐng)域包括Inconel 625, Inconel 718,以及鎳基合金包括Hasteloy X, C263, C1023, CM247LC。通過實(shí)現(xiàn)對材料在加工過程中的控制，Materials Solutions發(fā)展了自己的核心競爭力：對諸如葉片這樣的高溫合金的加工能力，不僅是性能優(yōu)越，而且其幾何形狀也是通過傳統(tǒng)加工方式無法實(shí)現(xiàn)的。

總體來說，3D打印在注入燃?xì)廨啓C(jī)這樣的精密設(shè)備領(lǐng)域可發(fā)揮的空間十分充足，從合金的結(jié)晶控制，到零件的精密性和復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)，3D打印不僅僅推動了工業(yè)再設(shè)計(jì)，還在生產(chǎn)和修復(fù)過程中節(jié)約了生產(chǎn)資源，并通過提高最終產(chǎn)品的性能，帶來更大的發(fā)電效益發(fā)揮除了一兩撥千斤的價(jià)值。

來源：3D科學(xué)谷、澎湃新聞