西門子和Fraunhofer 研究所用模塊化思路3D打印燃?xì)廨啓C(jī)葉片

寂靜天花板

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用主要分為兩大類，一類是以勞斯萊斯、普惠、GE為代表的航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司用航空發(fā)動(dòng)機(jī)改型而形成的輕型燃?xì)廨啓C(jī)，主要用于工業(yè)和輪船；一類是以西門子、ABB、GE公司為代表，遵循傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)理念發(fā)展起來(lái)的工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)，主要用于機(jī)械驅(qū)動(dòng)和大型電站。

燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)鉁u輪等部分組成。燃燒室和渦輪不僅工作溫度高，而且還承受燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)和停機(jī)時(shí)，因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，工作條件惡劣，它們是決定燃?xì)廨啓C(jī)壽命的關(guān)鍵部件。為確保有足夠的壽命，這兩大部件中工作條件最差的零件，例如葉片，是使用高溫材料制造的。不僅如此，還需要為葉片等零部件設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)，從而保證它的使用壽命。帶冷卻結(jié)構(gòu)的葉片對(duì)制造技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。西門子公司與德國(guó)Fraunhofer 激光技術(shù)研究所合作，使用SLM 3D打印技術(shù)優(yōu)化了復(fù)雜的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的制造工藝。

模塊化的設(shè)計(jì)和制造

西門子公司在德國(guó)柏林附近建立了清潔能源中心，這里是燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)場(chǎng)，燃?xì)廨啓C(jī)在這里將經(jīng)過(guò)超過(guò)1500°C 的高溫測(cè)試。測(cè)試的目的是優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒過(guò)程，從而達(dá)到更好的能源利用效率。

但是由于燃?xì)廨啓C(jī)的葉輪是使用高溫合金精密鑄造而成的，葉輪的制造周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月之久，并且花費(fèi)不菲，從而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的測(cè)試周期過(guò)長(zhǎng)。為了改善這一狀況，西門子與德國(guó)Fraunhofer激光技術(shù)研究所合作，通過(guò)選擇性激光熔化（SLM） 3D打印技術(shù)優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造工藝，實(shí)現(xiàn)快速制造。

我們已經(jīng)了解到，在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)渦輪葉片將處在一種高溫環(huán)境中。渦輪機(jī)中的導(dǎo)向葉片將使熱氣流通到移動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片中。導(dǎo)向葉片包括兩個(gè)平臺(tái)和一個(gè)帶復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的翼型件。帶冷卻結(jié)構(gòu)的翼型件對(duì)制造提出了巨大挑戰(zhàn)。

SLM 3D打印技術(shù)雖然相比傳統(tǒng)工藝更適合承擔(dān)復(fù)雜零部件的制造，但是進(jìn)行3D打印時(shí)需要添加內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)的存在為打印之后的后續(xù)處理工作增加了難度。為了盡量在3D打印時(shí)減少支撐構(gòu)，F(xiàn)raunhofer激光技術(shù)研究所 采用了模塊化的葉片設(shè)計(jì)思路，將葉片的兩個(gè)部分分別進(jìn)行3D打印，完成之后再進(jìn)行焊接。

經(jīng)激光技術(shù)研究所改進(jìn)后的工藝鏈完成了帶復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的葉片制造任務(wù)，并且提高了表面質(zhì)量。西門子公司在導(dǎo)向葉片完成3D打印之后進(jìn)行了精密測(cè)量、精加工以及高溫焊接工作。在雙方合作下制造的功能性葉片經(jīng)過(guò)了大量的測(cè)試，設(shè)計(jì)工程師在測(cè)試中獲得了大量數(shù)據(jù)。

渦輪機(jī)葉片模塊化設(shè)計(jì)和制造思路為其他復(fù)雜零部件的制造提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，也為連接精密鑄造的零部件與SLM 3D打印的零部件提供了可能性。同時(shí)，對(duì)于目前金屬3D打印設(shè)備無(wú)法完成的大型復(fù)雜零部件，也可以從模塊化設(shè)計(jì)和制造的思路中得到一定啟示。