西門子瑞典芬斯蓬工廠探訪:3D打印革命下的燃?xì)廨啓C(jī)制造

lydiazhang   2017-12-13 14:05:27

小到牙齒填料,大到汽車火箭,3D打印技術(shù)正在各個(gè)行業(yè)施展出其顛覆性的影響。受高溫、高壓和離心力的限制,3D打印似乎與發(fā)電行業(yè)存在天然隔閡。不過,制造業(yè)巨頭們的投資決心并未受此影響。

“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 Holmstrom)向記者介紹起這項(xiàng)技術(shù)時(shí),充滿了一種他自稱為“工程師的激動(dòng)”的情緒。

從“減法”到“加法”的比喻,點(diǎn)出了3D打印的本質(zhì):增材制造(Additive Manufacturing, AM),即在數(shù)字化 3D 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上逐層制造零部件的生產(chǎn)工藝。

芬斯蓬工廠自2009年開始嘗試,將增材制造用于燃?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)資源減少了63%,維修速度提升60%,交貨期縮短50%。

不過,比起生產(chǎn)和維修,霍姆斯特龍更看重增材制造對(duì)加快原型設(shè)計(jì)的影響:“最重要的不是更快地制造,而是更快地設(shè)計(jì)。這簡直是工程師的終極夢想。通過數(shù)字建模,試誤幾乎是零成本。重復(fù)一百次失誤,你就可能有一次大收獲?!?/span>

芬斯蓬與燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)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(gè)世紀(jì)的淵源。芬斯蓬向東半小時(shí)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)或組裝的上百噸重的燃?xì)廨啓C(jī),包括全球銷量超過325臺(tái)的SGT-800,會(huì)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(gè)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(tái)燃?xì)廨啓C(jī),2300臺(tái)蒸汽輪機(jī),其中95%的產(chǎn)品向100多個(gè)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)厝恕?/span>

在芬斯蓬工廠,記者看到身穿黃色安全服的工人正在組裝大小各異、處于不同裝配階段的燃?xì)廨啓C(jī)。據(jù)介紹,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(gè)型號(hào)。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(huì)運(yùn)至芬斯蓬工廠成套。

工人正在組裝燃?xì)廨啓C(jī)

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。

3D打印燃?xì)廨啓C(jī)零件:技術(shù)和挑戰(zhàn)

走進(jìn)芬斯蓬西門子工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)3D打印研發(fā)基地和工廠,多處裝修和陳設(shè)還保留著原先學(xué)校的痕跡。只有每個(gè)房間擺放著的大大小小、五顏六色的燃?xì)廨啓C(jī)模型在不斷地點(diǎn)題。霍姆斯特龍介紹道,這里將會(huì)進(jìn)行較大的改造,以適應(yīng)對(duì)3D打印的后續(xù)投入和規(guī)模擴(kuò)充。

燃?xì)廨啓C(jī)模型

而穿上安全服、戴上護(hù)目鏡才能進(jìn)入的工作間,又是另一種畫風(fēng)。工作間大致分為原型設(shè)計(jì)、打印、維修和后期處理四個(gè)區(qū)域,共配有12臺(tái)3D打印機(jī),由德國EOS公司生產(chǎn)。

記者注意到,在3D打印機(jī)全天候工作時(shí),工作間幾乎沒有工作人員。芬斯蓬工廠產(chǎn)品經(jīng)理安德斯·佩森(Anders Persson)解釋道,工作間采用了數(shù)字化管理系統(tǒng),只需少量人力操作。

走近自動(dòng)工作的打印機(jī),透過泛出綠光的玻璃窗口,可以看到4個(gè)綠色光點(diǎn)正沿著特定的路徑,在一層白色的粉末上快速移動(dòng),留下凝固成型的銀灰色金屬圖案。接著,工作平臺(tái)向下降低一級(jí),一條金屬片掃過整個(gè)平臺(tái),重新鋪滿白色粉末,進(jìn)行新一層的金屬圖案繪制。

佩森介紹道,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(gè)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(jī)控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方,選擇性地對(duì)粉末進(jìn)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(xué)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?xì)廨啓C(jī)為例,首先,零件熱負(fù)荷接近于所用金屬的熔點(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。

西門子是率先利用選擇性激光熔化技術(shù)生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(gè)部位由13個(gè)部件和18個(gè)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(shí)間由數(shù)月縮短到一兩周。

這些經(jīng)過3D打印設(shè)計(jì)制造的燃燒室,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。

適用3D打印的燃燒室前端

而在西門子的另一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)工廠——英國林肯工廠,3D打印技術(shù)對(duì)SGT-400燃?xì)廨啓C(jī)的葉片進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),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,運(yùn)行速度超過每小時(shí)1600公里,相當(dāng)于受力11噸。

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。

不會(huì)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(duì)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(huì)制造3D打印機(jī),我們要做的是如何使用好3D打印機(jī)?!?/span>

芬斯蓬工廠現(xiàn)有的12臺(tái)3D打印機(jī),來自德國EOS公司。其中,有4臺(tái)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(gè)部件和18個(gè)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(shí)間縮短60%。

霍姆斯特龍也強(qiáng)調(diào),3D打印技術(shù)暫時(shí)不會(huì)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(jì)中領(lǐng)先一個(gè)身位。

霍姆斯特龍舉了一個(gè)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Kr?ko核電站提供了解決方案:核電站循環(huán)水泵的一個(gè)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(duì)葉片進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和制造,新葉片已在核電站中安全運(yùn)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(shí)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?xì)廨啓C(jī)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(qiáng)調(diào),對(duì)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(jì)帶來的未來潛力。

相比起無限的設(shè)計(jì)潛力,人才的需求缺口日益凸顯?;裟匪固佚埿枰?a href="http://m.teenpicscenter.com/" target="_self">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。

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