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探訪西門子瑞典芬斯蓬工廠：3D打印革命下的燃氣輪機制造

2017-12-13 09:41:25 澎湃新聞　點擊量：評論 (0)

3D打印重新定義了制造業(yè)。千百年來，制造業(yè)是一種減法：拿到原材料，車銑刨磨，去除多余的部分，最終成型；3D打印則讓制造業(yè)變成了一種不斷添加原材料的加法。西門子瑞典芬斯蓬工廠CEO漢斯˙霍姆斯特龍（Hans H

這是一種名為選擇性激光熔化（SLM）的增材制造技術(shù)。與激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)相比，選擇性激光熔化打印機控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方，選擇性地對粉末進行照射，將金屬粉末加熱到完全熔化后成型，不需要黏合劑，成型的金屬零件致密度和力學性能都更好。

選擇性激光熔化（SLM）

不過，發(fā)電領(lǐng)域給3D打印工藝提出了更高的要求。以燃氣輪機為例，首先，零件熱負荷接近于所用金屬的熔點；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。

西門子是率先利用選擇性激光熔化技術(shù)生產(chǎn)燃氣輪機和蒸汽輪機金屬部件的企業(yè)之一。那么，這些3D打印工藝而成的零件，上崗后表現(xiàn)如何呢？

13合1

佩森介紹道，應(yīng)用在燃氣輪機上的3D打印部件展現(xiàn)出了相同的安全性和可靠性，效率和可持續(xù)性方面也具有優(yōu)勢。

芬斯蓬工廠目前采用3D打印制造的燃氣輪機零件，集中在燃燒室部分。相關(guān)工程人員著重介紹了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。

這些經(jīng)過3D打印設(shè)計制造的燃燒室，支持更高燃燒溫度，可以處理高達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。

適用3D打印的燃燒室前端

而在西門子的另一個燃氣輪機工廠——英國林肯工廠，3D打印技術(shù)對SGT-400燃氣輪機的葉片進行了重新設(shè)計，利用多晶鎳超合金粉末制造，并改進了冷卻性能。在滿負荷核心機測試中，葉片被高于1250攝氏度的高溫氣體包圍，運行速度超過每小時1600公里，相當于受力11噸。

英國林肯工廠在3D打印燃氣輪機葉片上取得的進展，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)渦輪機高溫應(yīng)用的高性能部件。

不會代替大規(guī)模制造

波音、惠普、巴斯夫、拜耳、霍尼韋爾等企業(yè)也在加緊3D打印材料、裝備、軟件系統(tǒng)、服務(wù)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)滲透。西門子的主要競爭對手GE，在2016年斥巨資收購了金屬3D打印德國ConceptLaser公司和瑞典Arcam公司75%的股權(quán)。

在這股大潮下，西門子怎樣部署3D打印的未來？西門子全球分布式發(fā)電業(yè)務(wù)及石油與天然氣服務(wù)CEO索比約恩˙福爾斯（Thorbjorn Fors）直白地說道：“西門子不會制造3D打印機，我們要做的是如何使用好3D打印機。”

芬斯蓬工廠現(xiàn)有的12臺3D打印機，來自德國EOS公司。其中，有4臺是專門適應(yīng)西門子的需求，進行過軟件改造的定制修復打印機。芬斯蓬工廠此前長期回收磨損的燃氣輪機零件，進行修復，像前文提到的曾由13個部件和18個焊接點組成和燃燒室前端，以往需要大規(guī)模的切斷、重鑄?，F(xiàn)在，定制的3D打印機只需要截去頂部的24mm，快速打印，交貨時間縮短60%。

霍姆斯特龍也強調(diào)，3D打印技術(shù)暫時不會代替大規(guī)模制造。西門子將著力發(fā)揮自身的軟件和控制數(shù)字化優(yōu)勢，有信心在3D打印原型設(shè)計中領(lǐng)先一個身位。

霍姆斯特龍舉了一個例子，顯示芬斯蓬工廠已經(jīng)開始為第三方提供3D打印服務(wù)。前不久，工廠為斯洛文尼亞的Krško核電站提供了解決方案：核電站循環(huán)水泵的一個直徑108mm的金屬葉片需要換新，而原生產(chǎn)商已停止生產(chǎn)。芬斯蓬工廠通過3D打印技術(shù)對葉片進行了重新設(shè)計和制造，新葉片已在核電站中安全運行。

在虛擬的數(shù)字化模型中，工程師們可以在批量生產(chǎn)前測試特定的性能，開發(fā)時間大大縮短。這種近乎零成本的試誤令霍姆斯特龍感到興奮。他說道，目前已采用3D打印的燃氣輪機零件只有一小部分，從制造成本來看，有高有低。

但霍姆斯特龍強調(diào)，對于西門子的3D打印布局而言，成本并不是最重要的，最重要的還是無限靈活的設(shè)計帶來的未來潛力。

相比起無限的設(shè)計潛力，人才的需求缺口日益凸顯。霍姆斯特龍需要的3D打印研發(fā)人才，既要是熟練的數(shù)字化工程師，又具備創(chuàng)造力和想象力。