Caterpillar 將利用3D打印提升重型柴油發(fā)動機燃油經(jīng)濟(jì)性

來源：3D科學(xué)谷

2018年10月，GE航空位于阿拉巴馬州的奧本工廠,，順利生產(chǎn)了第3萬個3D打印燃油噴嘴頭,。雖然燃油噴嘴只是航空發(fā)動機中一個不起眼的小部件,，但GE 通過3D打印技術(shù)制造的噴嘴與上一代產(chǎn)品相比有著顯著的不同,，其重量比上一代輕25%，耐用度是上一代的5倍,，成本效益比上一代高30%,。安裝了這款燃油噴嘴的GE LEAP飛機發(fā)動機，也因在燃油經(jīng)濟(jì)性上的表現(xiàn),，已經(jīng)獲得了超過1.6萬臺的總訂單數(shù)量,，總價值超過2,360億美元。

根據(jù)GE,，最終的燃油噴嘴頂部結(jié)構(gòu)只有核桃般大小,，里面卻有14條精密的流體通道。如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)通過傳統(tǒng)的制造加工方式嘗試了8次,，但每次都失敗了,，在多番嘗試之后GE 通過金屬3D打印技術(shù)實現(xiàn)了這種優(yōu)化燃油噴嘴結(jié)構(gòu)的制造，并最終走向了量產(chǎn),。

3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜燃燒部件中所發(fā)揮的價值是顯著的,，而這一價值除了受到了航空航天發(fā)動機制造商與燃?xì)廨啓C制造商的重視之外，也引起民用發(fā)動機制造商的重視,。近日,，世界領(lǐng)先的建筑/采礦設(shè)備和柴油發(fā)動機制造商卡特彼勒（Caterpillar ）正在推動3D打印技術(shù)在優(yōu)化重型柴油發(fā)動機燃料噴霧幾何結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

提高燃油經(jīng)濟(jì)性
卡特彼勒（Caterpillar ）與美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory ）正在聯(lián)手研發(fā)重型柴油發(fā)動機, 雙方團(tuán)隊將合作優(yōu)化Caterpillar C15發(fā)動機的活塞和燃料噴霧幾何結(jié)構(gòu),，從而提高這款發(fā)動機的效率,、減少排放,。他們采用的發(fā)動機優(yōu)化技術(shù)包括仿真、高性能計算和增材制造/3D打印,。

Section view_Convergent Science圖：研究人員使用耦合共軛傳熱和計算流體動力學(xué)模型創(chuàng)建了發(fā)動機幾何結(jié)構(gòu)的預(yù)測橫截面視圖，顯示了缸內(nèi)和金屬活塞溫度,。

來源：Convergent Science和美國阿貢國家實驗室,。

卡特彼勒和阿貢國家實驗室的目標(biāo)是為柴油發(fā)動機設(shè)計開發(fā)突破性的解決方案。雙方將建造和測試重型柴油發(fā)動機,，以減少排放并提高燃油經(jīng)濟(jì)性,。此外，合作的另一個目標(biāo)是降低制造設(shè)計成本,，縮短將科研技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)規(guī)模制造流程中所需的交付周期,。

阿貢國家實驗室的高性能計算仿真和卡特彼勒的柴油發(fā)動機與增材制造設(shè)備將在合作的多個階段協(xié)同工作。在合作時,，雙方會將卡特彼勒的發(fā)動機專業(yè)知識與阿貢實驗室在燃料噴霧和燃燒建模方面的專業(yè)知識相結(jié)合,，并在這一過程中使用計算流體動力學(xué)軟件包CONVERGE與實驗室的高性能計算系統(tǒng)。

根據(jù)市場觀察,，卡特彼勒擁有先進(jìn)的單缸和多缸發(fā)動機測試設(shè)備,，以及種類全面的3D打印設(shè)備。該公司有推動發(fā)動機仿真極限的歷史,，并且是建模能力優(yōu)化的持續(xù)支持者,。

根據(jù)市場研究，卡特彼勒早在1990年就建立了快速原型實驗室,，該實驗室使用了大量的3D打印設(shè)備來制造推土機,、挖掘機以及其他設(shè)備的零件原型，并且為生產(chǎn)車間制造工具,。后來該實驗室并入卡特彼勒成立的增材制造集團(tuán),，集團(tuán)使用FDM,SLA, SLS等3D打印設(shè)備制造測量工具、展示模型,，組裝夾具,，手工具以及其他的功能部件。2016年,，卡特彼勒在美國的研發(fā)中心成立了3D打印與創(chuàng)新加速器,，從產(chǎn)品創(chuàng)新、為增材制造而設(shè)計和鑄造三個方向推進(jìn)3D打印技術(shù)的應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化,。

圖：卡特彼勒通過金屬粉末床熔化技術(shù)3D打印的燃油混合器

經(jīng)過多年的摸索,，卡特彼勒將3D打印的零部件引入到其供應(yīng)鏈中。目前卡特彼勒生產(chǎn)的3D打印零件主要用于售后市場,，包括提供給經(jīng)銷商用于設(shè)備的維修和零件更換,。舉例來說,，用于安裝在自動平地機上的墊圈，這些墊圈由3D打印彈性塑料制造出來,。由于這些墊圈在售后市場上消耗量很小,，通過3D打印技術(shù)從而節(jié)省了庫存所占用的資源。尤其是對于那些消耗量很小的備品備件,，如果要重新開模來生產(chǎn),，成本會十分昂貴，卡特彼勒發(fā)現(xiàn)3D打印在重新制造這些高度專業(yè)化的組件方面具備明顯的優(yōu)勢,，那就是小批量的經(jīng)濟(jì)性和靈活性,。

在與阿貢實驗室啟動重型柴油發(fā)動機創(chuàng)新研發(fā)項目之前，卡特彼勒就已經(jīng)在積極的應(yīng)用金屬3D打印技術(shù),。其中一個經(jīng)典的例子是,，由卡特彼勒的太陽能渦輪機公司生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C需要采用傳統(tǒng)方法難以鑄造的帶復(fù)雜翅片設(shè)計的燃油混合器，卡特彼勒的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)粉末床熔化金屬3D打印技術(shù)能夠制造出這種復(fù)雜的燃油混合器,。通過3D打印所獲得的燃料混合器具有所要求的復(fù)雜內(nèi)部通道,。由于它是一種整體式的零件，所以不需要額外的組裝和焊接工作,。

來源：3D科學(xué)谷