Caterpillar 將利用3D打印提升重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性

來(lái)源：3D科學(xué)谷

2018年10月，GE航空位于阿拉巴馬州的奧本工廠，順利生產(chǎn)了第3萬(wàn)個(gè)3D打印燃油噴嘴頭。雖然燃油噴嘴只是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)不起眼的小部件，但GE 通過(guò)3D打印技術(shù)制造的噴嘴與上一代產(chǎn)品相比有著顯著的不同，其重量比上一代輕25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。安裝了這款燃油噴嘴的GE LEAP飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，也因在燃油經(jīng)濟(jì)性上的表現(xiàn)，已經(jīng)獲得了超過(guò)1.6萬(wàn)臺(tái)的總訂單數(shù)量，總價(jià)值超過(guò)2,360億美元。

根據(jù)GE，最終的燃油噴嘴頂部結(jié)構(gòu)只有核桃般大小，里面卻有14條精密的流體通道。如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)通過(guò)傳統(tǒng)的制造加工方式嘗試了8次，但每次都失敗了，在多番嘗試之后GE 通過(guò)金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這種優(yōu)化燃油噴嘴結(jié)構(gòu)的制造，并最終走向了量產(chǎn)。

3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜燃燒部件中所發(fā)揮的價(jià)值是顯著的，而這一價(jià)值除了受到了航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造商與燃?xì)廨啓C(jī)制造商的重視之外，也引起民用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的重視。近日，世界領(lǐng)先的建筑/采礦設(shè)備和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造商卡特彼勒（Caterpillar ）正在推動(dòng)3D打印技術(shù)在優(yōu)化重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴霧幾何結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

提高燃油經(jīng)濟(jì)性
卡特彼勒（Caterpillar ）與美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory ）正在聯(lián)手研發(fā)重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī), 雙方團(tuán)隊(duì)將合作優(yōu)化Caterpillar C15發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞和燃料噴霧幾何結(jié)構(gòu)，從而提高這款發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、減少排放。他們采用的發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化技術(shù)包括仿真、高性能計(jì)算和增材制造/3D打印。

Section view_Convergent Science圖：研究人員使用耦合共軛傳熱和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型創(chuàng)建了發(fā)動(dòng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)橫截面視圖，顯示了缸內(nèi)和金屬活塞溫度。

來(lái)源：Convergent Science和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

卡特彼勒和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)突破性的解決方案。雙方將建造和測(cè)試重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，以減少排放并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，合作的另一個(gè)目標(biāo)是降低制造設(shè)計(jì)成本，縮短將科研技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)規(guī)模制造流程中所需的交付周期。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高性能計(jì)算仿真和卡特彼勒的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與增材制造設(shè)備將在合作的多個(gè)階段協(xié)同工作。在合作時(shí)，雙方會(huì)將卡特彼勒的發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)知識(shí)與阿貢實(shí)驗(yàn)室在燃料噴霧和燃燒建模方面的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，并在這一過(guò)程中使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件包CONVERGE與實(shí)驗(yàn)室的高性能計(jì)算系統(tǒng)。

根據(jù)市場(chǎng)觀察，卡特彼勒擁有先進(jìn)的單缸和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備，以及種類全面的3D打印設(shè)備。該公司有推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真極限的歷史，并且是建模能力優(yōu)化的持續(xù)支持者。

根據(jù)市場(chǎng)研究，卡特彼勒早在1990年就建立了快速原型實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室使用了大量的3D打印設(shè)備來(lái)制造推土機(jī)、挖掘機(jī)以及其他設(shè)備的零件原型，并且為生產(chǎn)車間制造工具。后來(lái)該實(shí)驗(yàn)室并入卡特彼勒成立的增材制造集團(tuán)，集團(tuán)使用FDM,SLA, SLS等3D打印設(shè)備制造測(cè)量工具、展示模型，組裝夾具，手工具以及其他的功能部件。2016年，卡特彼勒在美國(guó)的研發(fā)中心成立了3D打印與創(chuàng)新加速器，從產(chǎn)品創(chuàng)新、為增材制造而設(shè)計(jì)和鑄造三個(gè)方向推進(jìn)3D打印技術(shù)的應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化。

圖：卡特彼勒通過(guò)金屬粉末床熔化技術(shù)3D打印的燃油混合器

經(jīng)過(guò)多年的摸索，卡特彼勒將3D打印的零部件引入到其供應(yīng)鏈中。目前卡特彼勒生產(chǎn)的3D打印零件主要用于售后市場(chǎng)，包括提供給經(jīng)銷商用于設(shè)備的維修和零件更換。舉例來(lái)說(shuō)，用于安裝在自動(dòng)平地機(jī)上的墊圈，這些墊圈由3D打印彈性塑料制造出來(lái)。由于這些墊圈在售后市場(chǎng)上消耗量很小，通過(guò)3D打印技術(shù)從而節(jié)省了庫(kù)存所占用的資源。尤其是對(duì)于那些消耗量很小的備品備件，如果要重新開(kāi)模來(lái)生產(chǎn)，成本會(huì)十分昂貴，卡特彼勒發(fā)現(xiàn)3D打印在重新制造這些高度專業(yè)化的組件方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)，那就是小批量的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

在與阿貢實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目之前，卡特彼勒就已經(jīng)在積極的應(yīng)用金屬3D打印技術(shù)。其中一個(gè)經(jīng)典的例子是，由卡特彼勒的太陽(yáng)能渦輪機(jī)公司生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)需要采用傳統(tǒng)方法難以鑄造的帶復(fù)雜翅片設(shè)計(jì)的燃油混合器，卡特彼勒的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)粉末床熔化金屬3D打印技術(shù)能夠制造出這種復(fù)雜的燃油混合器。通過(guò)3D打印所獲得的燃料混合器具有所要求的復(fù)雜內(nèi)部通道。由于它是一種整體式的零件，所以不需要額外的組裝和焊接工作。

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