西門子瑞典芬斯蓬工廠：3D打印革命下的燃氣輪機制造

根據(jù)市場研究,，早在2008年西門子Finspong-芬斯蓬工廠的分布式發(fā)電服務部門就已開始使用3D打印技術,，限于當時成本與技術的限制,，3D打印技術僅被用于制造產品原型,在經(jīng)過5年的發(fā)展和經(jīng)驗積累之后,，2013年分布式發(fā)電服務部門已將3D打印的應用拓展至燃燒器的修復中，如今這些應用已經(jīng)融入到芬斯蓬工廠的日常生產工藝中,，接下來我們近距離視角來進一步了解西門子能源領域的3D打印發(fā)展狀況,。

從生產效益到產品效益的提升
燃氣輪機是重要的發(fā)電裝備，由壓氣機,、燃燒室,、渦輪三大部分組成，其中燃燒室由外殼與內部的火焰筒,、燃燒器組成,，燃燒氣體通過燃燒室端部燃料入口進入燃燒室火焰筒與壓氣機壓入的空氣混合燃燒，實現(xiàn)膨脹做功,。燃燒室是燃氣輪機中的重要部件,，它們設計難度大、材料昂貴,，加工工藝復雜,，燃氣輪機的可靠性在很大程度上取決于這些部件的制造水平和維修水平。

西門子芬斯蓬工廠通過增材制造用于燃氣輪機的原型設計,、維修和生產。西門子提供的數(shù)據(jù)顯示,，增材制造使生產資源使用減少了63%,，維修速度提升60％，交貨期縮短50%,。3D打印除了用于生產和維修,，在加快原型設計方面的作用是不容忽視的。更快地設計,，這是每個工程師的終極夢想,。而通過數(shù)字建模和3D打印技術，使得設計的迭代過程變得迅速,。

  芬斯蓬與燃氣輪機

燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體帶動葉輪高速旋轉的內燃式發(fā)動機,。重型燃氣輪機是大型天然氣發(fā)電廠的核心裝備，也是公認最難制造的機械裝備之一,，其核心關鍵技術為西門子,、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,，與燃氣輪機產業(yè)有著超過一個世紀的淵源,。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和組裝的上百噸重的燃氣輪機,，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，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,，為皇室生產大炮和炮彈。1913年,，芬斯蓬工廠開始生產渦輪機,，工廠幾易其主，但渦輪機產業(yè)始終不變,。迄今為止,，芬斯蓬工廠售出超過800臺燃氣輪機，2300臺蒸汽輪機,，其中95%的產品向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?shù)厝�,。芬斯蓬工廠負責生產功率從15MW到50MW（1MW=1000KW）的中型燃氣輪機,，即從SGT-500到SGT-800的5個型號。此外,，英國生產的更小功率SGT-300和SGT-400,，以及北美生產的航改型燃氣輪機 Industrial Trent 60，也會運至芬斯蓬工廠成套,。

3D打印注入燃氣輪機新活力
2016年2月,，西門子投資2000多萬歐元，將芬斯蓬一處遷出的學校改造成了西門子工業(yè)型燃氣輪機3D打印研發(fā)基地和工廠,，負責燃氣輪機零部件的快速原型設計,、快速維修和快速生產。2016年7月,，3D打印零件開始商業(yè)化制造,。

穿上安全服、戴上護目鏡才能進入的工作間,，大致分為原型設計,、打印,、維修和后期處理四個區(qū)域，共配有12臺來自于德國EOS公司的3D打印機,。透過泛出綠光的玻璃窗口,，可以看到4個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,，重新鋪滿金屬粉末，進行新一層的金屬圖案繪制,。

3D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。正在打印的這個燃氣輪機零件,，共由9000多層構成,。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融的增材制造技術,。與激光燒結技術相比，選擇性激光熔融3D打印機控制激光在鋪設好的粉末上方,，選擇性地對粉末進行掃描,，將金屬粉末加熱到完全熔融后成型，不需要黏合劑,，成型的金屬零件致密度和力學性能都更好。

不過,，發(fā)電領域給3D打印工藝提出了更高的要求,。以燃氣輪機為例，首先,，零件熱負荷接近于普通金屬的熔點,；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。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,。SGT-800燃燒室前端。在傳統(tǒng)生產過程中,，這個部位由13個部件和18個焊接點組成,，而3D打印技術將其作為整體打印,，生產時間由數(shù)月縮短到一兩周。

工業(yè)流程中產生的氫氣或合成氣是潛在的燃氣輪機燃料,，西門子Finspong工廠希望能夠利用這些氣體為汽輪機提供動力,，但是由于在使用時這些氣體需要通過燃燒器進行均勻混合，而現(xiàn)有的燃燒器無法達到這樣的效果,，所以西門子一直無法將這些氣體加以利用,，而經(jīng)過設計優(yōu)化的3D打印燃燒器解決了氣體均勻混合的問題。

以往通過鑄造工藝制造的燃燒器由幾個拆分的部件焊接而成,，通過這種燃燒器僅可在空氣中混入幾個百分點的氫氣,。選擇性激光熔化3D打印技術則為燃燒器的設計優(yōu)化提供了更廣闊的空間，經(jīng)過優(yōu)化后的燃燒器擁有一個外壁和一個框架結構的內壁, 這個復雜的雙壁結構零部件最終通過金屬3D打印設備一次性完成制造,，不需要將幾個單獨的部件焊接在一起,。

這些經(jīng)過3D打印設計優(yōu)化的燃燒器，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,。

不僅僅將3D打印技術用于燃燒器的制造，芬斯蓬工廠還將3D打印技術用于燃燒器的修復,。燃燒器工作在一個極端高溫的環(huán)境下,，西門子的服務工程師會在燃燒器工作3萬小時之后將其拆除，然后送到Finsopong工廠進行修復,。在這里,，工程師將燃燒器頂部去除掉一部分，然后通過近凈形3D打印技術直接將需要修復和重建的部分打印在原有的零部件上,，大約20小時之后,，舊的燃燒器就修復完成了，隨后工程師就可以盡快將修復好的燃燒器安裝回去,，盡可能降低因停機帶來的損失,。通過這種方式，西門子不僅可以對燃燒器按照原有設計進行修復,，還可以根據(jù)客戶要求按照最新優(yōu)化的設計方案對燃燒器進行修復,。

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%。

目前芬斯蓬工廠還開始為第三方提供3D打印服務,。西門子還為克爾斯科核電站的水泵更換了一個葉輪,，3D打印葉輪的直徑為108mm,用來替換克爾斯科核電站水泵中的舊葉輪。在葉輪的原始設計缺失的情況下,，西門子的工程師采用逆向工程技術創(chuàng)建了葉輪的數(shù)字化模型,，然后通過西門子增材制造工廠中的3D打印設備將葉輪制造出來。在替換舊葉輪之前,，克爾斯核電站和一個獨立機構對3D打印葉輪進行了測試,，測試方法包括CT掃描，以確定它的適用性,。測試結果表明,，3D打印替換部件的材料性能甚至優(yōu)于之前的葉輪。西門子為克爾斯科核電站提供3D打印的葉輪備件,，體現(xiàn)出3D打印技術為能源裝備制造備品備件的便利性,，即在備件已經(jīng)停產并且沒有原始設計的情況下，能源裝備中出現(xiàn)問題的零部件仍能及時的得到更換,。

位于英國的葉片孵化器
燃氣輪機方面,，除了芬斯蓬工廠，在西門子的另一個燃氣輪機工廠——英國林肯工廠,，3D打印技術對SGT-400燃氣輪機的葉片進行了重新設計,，葉片設計具有完全改進的內部冷卻幾何制造。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,，每分鐘13000轉。增材制造可以實現(xiàn)優(yōu)良的機械性能,，粉末狀原材料細晶組織,，在微觀結構上各向異性需要的控制和引導。西門子葉片的批量生產通過位于美國Worcester的工廠來完成,。

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有著緊密的關聯(lián),，后者專門生產渦輪機高溫應用的高性能部件。

葉片的加工技術則來自與西門子收購的Materials Solutions公司,，Materials Solutions的核心競爭力來自于其對選擇性激光熔融材料的控制能力,。最擅長的領域包括Inconel 625, Inconel 718,以及鎳基合金包括Hasteloy X, C263, C1023, CM247LC。通過實現(xiàn)對材料在加工過程中的控制,，Materials Solutions發(fā)展了自己的核心競爭力：對諸如葉片這樣的高溫合金的加工能力,，不僅是性能優(yōu)越，而且其幾何形狀也是通過傳統(tǒng)加工方式無法實現(xiàn)的,。

總體來說,，3D打印在注入燃氣輪機這樣的精密設備領域可發(fā)揮的空間十分充足，從合金的結晶控制,，到零件的精密性和復雜性實現(xiàn),，3D打印不僅僅推動了工業(yè)再設計，還在生產和修復過程中節(jié)約了生產資源,，并通過提高最終產品的性能,，帶來更大的發(fā)電效益發(fā)揮除了一兩撥千斤的價值。

來源：3D科學谷,、澎湃新聞