西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构
2017年，西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利获批，本期，3D科学谷与谷友一起来领略激光金属3D打印如何帮助涡轮部件提高耐温和耐磨性能。
图片：西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利
通过结构学
提升机械性能
在燃气涡轮发动机工业中，一个显著的趋势是追求更高的生产效率。为了实现更高的效率，燃气涡轮机运行在越来越高的工作温度环境下。理想情况下，旋转的涡轮叶片和涡轮部件之间的间隙要足够小，为了应对燃气轮机非常高的通流温度，许多涡轮组件内的流体流动路径需要热障涂层（TBCs）以保护底层组件在流体流动路径中恶劣环境下的正常运行。
图片：西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利
涂层通常是陶瓷结构，可以承受极端的温度并且磨损或耐擦伤。通过水射流加工方法，产生理想的耐磨表面轮廓。然而，这种方法的生产成本是昂贵的。西门子发现直接通过3D打印技术创建所需的表面轮廓的涡轮机组件更具成本效益。
通过激光一层一层融化金属粉末或陶瓷增强金属粉末，西门子制造出耐磨的网状结构的涡轮组件。这种网状结构包括多个网络，每组网络有一组的高度相对于涡轮部件的表面一致，多个交错绞线中的至少两组不同的高度。
图片：西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利
根据3D科学谷的市场研究，西门子将网格结构应用于高温环境并不是第一次，早在2008年西门子Finspong工厂的分布式发电服务部门就已开始使用3D打印技术，限于当时成本与技术的限制，3D打印技术仅被用于制造产品原型,在经过5年的发展和经验积累之后，2013年分布式发电服务部门已将3D打印的应用拓展至燃烧器的修复中，如今这些应用已经融入到Finspong工厂的日常生产工艺中。
燃烧器工作在一个极端高温的环境下，西门子的服务工程师会在燃烧器工作3万小时之后将其拆除，然后送到Finspong工厂进行修复。在这里，工程师将燃烧器顶部去除掉一部分，然后通过近净形3D打印技术直接将需要修复和重建的部分打印在原有的零部件上，大约20小时之后，旧的燃烧器就修复完成了，随后工程师就可以尽快将修复好的燃烧器安装回去，尽可能降低因停机带来的损失。通过这种方式，西门子不仅可以对燃烧器按照原有设计进行修复，还可以根据客户要求按照最新优化的设计方案对燃烧器进行修复。
工业流程中产生的氢气或合成气是潜在的燃气轮机燃料，西门子Finspong工厂希望能够利用这些气体为汽轮机提供动力，但是由于在使用时这些气体需要通过燃烧器进行均匀混合，而现有的燃烧器无法达到这样的效果，所以西门子一直无法将这些气体加以利用，而经过设计优化的3D打印燃烧器解决了气体均匀混合的问题，让西门子得以对这些气体进行燃烧测试。
图片：西门子3D打印的燃烧器部件
以往通过铸造工艺制造的燃烧器由几个拆分的部件焊接而成，通过这种燃烧器仅可在空气中混入几个百分点的氢气。选择性激光熔化3D打印技术则为燃烧器的设计优化提供了更广阔的空间，经过优化后的燃烧器拥有一个外壁和一个框架结构的内壁, 这个复杂的双壁结构零部件最终通过金属3D打印设备一次性完成制造，不需要将几个单独的部件焊接在一起。Finspong工厂的测试表明，3D打印燃烧器可以均匀混入60%的氢气，显著高于传统燃烧器。
相关资料：US 9644489 B1
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