利用金屬增材制造推進模塊化工藝強化

作者：Brian K.Paul（RAPID研究所模塊化制造重點領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者）

麥肯錫公司運營部J. Bromberger和R. Kelly最近的市場研究《增材制造：制造商的長期改變者》中稱,，在2017年,，航空航天,、汽車和醫(yī)療保健行業(yè)正在迅速采用逐層方式進行機械幾何形狀的數(shù)字化制造。

金屬增材制造（MAM）技術(shù)的實例包括連續(xù)金屬粉末層的激光熔覆或金屬粉末噴射到激光聚焦光束中,，該激光被操縱以從下向上制造零件,。到2020年，相關(guān)的增材制造市場預(yù)計每年至少達到200億美元,。此外,，通過利用模塊化學(xué)過程強化（MCPI）的力量減少成本、設(shè)備費用,，特種化學(xué)品和太陽能熱化學(xué)能源的增材制造也具有巨大潛力,。

于生產(chǎn)利用太陽輻射的化學(xué)物質(zhì)的太陽能盤模塊

俄勒岡州立大學(xué)（OSU）和太平洋西北國家實驗室（PNNL）與太平洋西北地區(qū)和其他地方的各個行業(yè)合作，正在學(xué)習(xí)使用增材制造技術(shù)設(shè)計和建造微通道化學(xué)反應(yīng)器和熱交換器,，使其體積和重量減少5到10倍,。

過去，俄勒岡州立大學(xué)幫助多家公司制造強化組件和反應(yīng)器,，并將它們推向市場,。然而，對于小公司而言，集約化組件的規(guī)模擴大具有挑戰(zhàn)性,，通常需要與供應(yīng)鏈合作伙伴進行長期開發(fā)合作,，以利用現(xiàn)有能力或新制造設(shè)備的資本投資來進行生產(chǎn)。

增材制造的使用可以加速新的強化技術(shù)的采用,，特別是在模塊化結(jié)構(gòu)中,。

目前，俄勒岡州立大學(xué)和PNNL正在RAPID制造研究所的模塊制造重點領(lǐng)域（MMFA）內(nèi)開展工作,，與PNNL的一家名為Star Technology Corp.的子公司（STARS）合作,，推出新的太陽能熱化學(xué)產(chǎn)品。

通過RAPID撥款,，STARS將設(shè)立STARS模塊的試生產(chǎn),，以支持現(xiàn)場演示。STARS化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)支持多種應(yīng)用,，包括太陽能蒸汽甲烷重整（SMR）,，其中太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)效率超過70%，這是一個世界紀錄,，2014年曾獲得R＆D 100獎,。為了滿足在盤的焦點處的太陽能機艙上的尺寸和重量預(yù)算，需要多個微通道部件,。

該項目的目標之一是幫助STARS以最小的資本投入建立關(guān)鍵強化微通道組件的供應(yīng)鏈,。將STARS技術(shù)推向市場的一大障礙是這些強化組件的成本。除了傳統(tǒng)的MAM方法之外,，還需要額外的成本節(jié)約來滲透更大的公用事業(yè)規(guī)模的化學(xué)生產(chǎn)市場,。

例如，熱交換器銷售的70％以上的商品成本來自資本和粉末成本;降低使用MAM生產(chǎn)微通道組件的成本需要能夠解決這些成本驅(qū)動因素的新機床,。

OSU先進技術(shù)和制造研究所（ATAMI）正在努力修改MAM工具,，在激光致密化之前，使用噴墨打印頭將材料噴射到粉末床,，從而對材料的性能進行數(shù)字處理,。

在RAPID計劃中，該工具將用于開發(fā)具有高溫強度和耐腐蝕性的新型金屬基復(fù)合材料,，能夠?qū)⒉考�成本降�?0％,。

最近，俄勒岡州在未來18個月內(nèi)提供了一個價值100萬美元的高影響力機會項目（HIOP）,，以擴大俄勒岡州當(dāng)前金屬增材制造生態(tài)系統(tǒng)的能力,。HIOP的目標是在該州內(nèi)開發(fā)新的金屬增材制造工藝、機床和材料,。這些資金將用于利用當(dāng)前的RAPID資助,，其中正在開發(fā)的混合機器將用于探索具有增強的導(dǎo)熱性的Ni基超級合金的開發(fā),。

這些努力將利用在構(gòu)建周期期間選擇性地摻雜或合金化金屬部件的微結(jié)構(gòu)的能力，從而能夠在單個構(gòu)造內(nèi)定制材料特性,。

PNNL設(shè)計的高溫換熱器可顯著提高太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器的效率在金屬內(nèi)部定制性能的能力將導(dǎo)致新的設(shè)計自由和在設(shè)計具有獨特物理特性的較小,、重量較輕的反應(yīng)堆部件方面發(fā)生根本性變化。通過增加所生產(chǎn)組件的價值,，組件制造商可以承擔(dān)與增材制造工具相關(guān)的大量資本支出,。

通過這種方式，利用RAPID資助項目的國家投資為建立新的供應(yīng)鏈提供了機會,，不僅可以用于支持模塊化學(xué)過程強化的強化組件,，還可以用于未來的航空航天和生物醫(yī)學(xué)植入市場。隨著時間的推移,，對這些行業(yè)的累積經(jīng)濟影響可能是數(shù)十億美元和數(shù)千個高薪工作,。

來源：3D打印商情