探訪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

2017年12月12日,，南極熊注意到,，澎湃新聞發(fā)布了一篇對西門子瑞典芬斯蓬工廠的探訪,，詳細(xì)的介紹了西門子在利用3D打印技術(shù)方面所做的工作及成果，可以非常系統(tǒng)的了解西門子在增材制造靈越的策略,。

“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）向澎湃新聞記者介紹起這項技術(shù)時,，充滿了一種他自稱為“工程師的激動”的情緒,。

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

△西門子瑞典芬斯蓬工廠

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,、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加快原型設(shè)計的影響：“最重要的不是更快地制造,，而是更快地設(shè)計,。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,�,！�

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)或組裝的上百噸重的燃?xì)廨啓C(jī)，包括全球銷量超過325臺的SGT－800,，會被整體裝車,，運向北雪平港，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)厝恕?br />
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,、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)模型在不斷地點題�,；裟匪固佚埥榻B道,，這里將會進(jìn)行較大的改造，以適應(yīng)對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,、打印、維修和后期處理四個區(qū)域,，共配有12臺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,，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。

走近自動工作的打印機(jī),，透過泛出綠光的玻璃窗口,，可以看到4個綠色光點正沿著特定的路徑，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,；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(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,，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，運行速度超過每小時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(jī),，我們要做的是如何使用好3D打印機(jī),。”

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%。

霍姆斯特龍也強(qiáng)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Kr?ko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(jìn)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?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�,；裟匪固佚埿枰���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,。


來源：澎湃新聞