金屬3D打印使燃燒更加高效

魔猴君  行業(yè)資訊   1580天前

獨(dú)角獸金屬3D打印公司Desktop Metal一直希望實(shí)現(xiàn)金屬3D打印的成本、速度和質(zhì)量之間的最優(yōu)化，以此來推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的普及。自2017年四月，Desktop Metal推出了Studio系統(tǒng)，（起售價(jià)為49,900美元，加上脫脂和燒結(jié)爐，價(jià)格大約是12萬美元。），那么時(shí)至如今，Desktop Metal在市場上獲得了什么樣的應(yīng)用？本文章將和大家通過3D打印燃料霧化器案例來領(lǐng)略基于Desktop Metal的技術(shù)，應(yīng)用端開發(fā)的提高燃油效率和減少排放的解決方案。

這款用于液化天然氣（LNG）油輪的蒸汽推進(jìn)鍋爐的3D打印燃料霧化器在燃油效率方面實(shí)現(xiàn)了性能提升。

來源：Desktop Metal

 克服傳統(tǒng)制造技術(shù)局限

 快速制造帶來經(jīng)濟(jì)性

生產(chǎn)高效、清潔的空氣燃燒系統(tǒng)需要多種制造技術(shù)，然而目前為油輪制造的燃料霧化器達(dá)到了一定的性能實(shí)現(xiàn)極限。為了方便傳統(tǒng)技術(shù)的加工，霧化器通常設(shè)計(jì)為帶有直孔和簡單的幾何形狀，但功能并不理想。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)和效率提升，意味著從原來的CNC數(shù)控加工轉(zhuǎn)向另一種制造技術(shù)：金屬3D打印。John Zink Hamworthy Combustion是一家致力于清潔空氣燃燒技術(shù)和排放控制系統(tǒng)的公司，自2019年以來，John Zink以Desktop Metal的Studio系統(tǒng)的來進(jìn)行各種零件的原型和小批量生產(chǎn)。

Desktop Metal的技術(shù)使得John Zink可以快速生產(chǎn)17-4和316L不銹鋼零件，并且運(yùn)營成本更低。自2019年安裝Studio系統(tǒng)以來，John Zink已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了該技術(shù)的許多增值應(yīng)用程序。Studio系統(tǒng)的第一個(gè)勝利是在原型制作方面，這使該公司能夠設(shè)計(jì)和測試金屬部件，然后再通過鑄造或其他生產(chǎn)技術(shù)投入生產(chǎn)。不過這些原型的制作并沒有發(fā)揮出增材制造復(fù)雜產(chǎn)品的潛力，因?yàn)檫@些原型中的大多數(shù)將繼續(xù)通過鑄造或機(jī)加工生產(chǎn)，使得從設(shè)計(jì)源頭就沒有充分發(fā)揮增材制造的全部優(yōu)勢?，F(xiàn)在，John Zink公司通過金屬3D打印可以經(jīng)濟(jì)有效地少量生產(chǎn)可以真正發(fā)揮增材制造技術(shù)優(yōu)勢的應(yīng)用，例如燃料霧化器就是一個(gè)例子，通過3D打印，其性能獲得了顯著提高，而通過傳統(tǒng)制造技術(shù)則無法實(shí)現(xiàn)。

專注于清潔燃燒技術(shù)和排放控制系統(tǒng)。來源：John Zink

原始的燃油霧化器是一個(gè)很小但很簡單的機(jī)加工鋼制零件，燃料和蒸汽在其內(nèi)部腔室中混合在一起，并通過圓形鉆孔通道排出。像這樣的燃燒組件可以根據(jù)它們的調(diào)節(jié)比進(jìn)行分類，這種關(guān)系描述了最大通過量與最小通過量的關(guān)系。較高的比率表示較高的效率水平。當(dāng)船舶在港口或緩慢行駛時(shí)，機(jī)加工的霧化器在低負(fù)載下的調(diào)節(jié)比為15：1。

 機(jī)加工和3D打印的燃油霧化器

為了提高霧化器的燃油效率，John Zink的團(tuán)隊(duì)首先提出了三種不同的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)通過Desktop Metal的Studio System進(jìn)行原型制作，然后在現(xiàn)場進(jìn)行測試。團(tuán)隊(duì)最終將霧化器與其底座整合在一起，以消除接頭處泄漏的危險(xiǎn)，并通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真模擬對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，以精化通道。

原始的燃油霧化器（左）是帶有直孔的機(jī)加工零件，3D打印版本（右）具有扁豆形的孔和鰭，以減少尖端的材料量。來源：John Zink

最終經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的霧化器具有像翼片一樣的鰭片，可減少零件和菜豆形通道所需的總材料，如果沒有增材制造，這種幾何形狀將無法實(shí)現(xiàn)。燃料霧化器最終將通過選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)在外部生產(chǎn)，但是結(jié)合了Desktop Metal的Studio System可以更快地到達(dá)最終設(shè)計(jì)，并且節(jié)省了首次運(yùn)行的時(shí)間和成本。通過選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)，燃料霧化器可以在8天內(nèi)生產(chǎn)，成本為1200美元；相比之下，通過粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)在5天內(nèi)生產(chǎn)，成本僅為300美元。

通過粘結(jié)劑噴射技術(shù)制造的金屬零件。來源：John Zink

當(dāng)然，3D可打印設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是它提高了燃油霧化器的效率， 3D打印的燃油霧化器的調(diào)節(jié)比為25：1，與原始機(jī)加工零件相比，燃油效率提高了67％。新設(shè)計(jì)還將每小時(shí)油耗從120公斤降低到38公斤；據(jù)了解到新設(shè)計(jì)大約每年每艘油輪可節(jié)省90,000美元至160,000美元的燃料成本。

Review

實(shí)現(xiàn)更充分的燃燒，3D打印正在提升人類對(duì)資源的利用率，顛覆不僅僅來自于制造技術(shù)，更來自于以功能導(dǎo)向的設(shè)計(jì)。

 航空航天

航空航天領(lǐng)域，最典型的案例是GE燃油噴嘴，燃油噴嘴頭內(nèi)，迷宮一般復(fù)雜的流道將燃油與空氣高效混合，可以幫助發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的性能。而LEAP項(xiàng)目的成敗，很大程度上取決于燃油噴嘴的好壞。這個(gè)結(jié)構(gòu)最終只有核桃般大小，里面卻有14條精密的流體通道。這個(gè)設(shè)計(jì)雖然精妙，但它太過復(fù)雜，幾乎造不出來。GE通過傳統(tǒng)的制造加工方式嘗試了8次，但每次都失敗了。傳統(tǒng)方法并不能解決的問題，3D打印機(jī)就像一支激光筆一樣，根據(jù)電腦繪圖，一層一層地將細(xì)金屬粉末熔融成最終形狀。正適合燃油噴嘴這樣復(fù)雜精密部件的制造。此外，3D打印所產(chǎn)生的廢料也比傳統(tǒng)生產(chǎn)方法少很多。

能源

能源領(lǐng)域，此前，3在《GE通過3D打印改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)中的燃料和空氣的預(yù)混合》一文中提到，3D打印技術(shù)使得制造復(fù)雜形狀的預(yù)混合器成為現(xiàn)實(shí)，GE通過3D打印的預(yù)混合器帶來的旋渦運(yùn)動(dòng)有助于使液體燃料與空氣霧化和混合，使得除了氣體燃料之外還能夠使用液體燃料。并且可以產(chǎn)生噴射穩(wěn)定的火焰，帶來較低的動(dòng)態(tài)性和較高的火焰穩(wěn)定裕度，而高出口速度可用于減少或消除火焰回火風(fēng)險(xiǎn)。

此外，能源領(lǐng)域，西門子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。SGT-800燃燒室前端。在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，這個(gè)部位由13個(gè)部件和18個(gè)焊接點(diǎn)組成，而3D打印技術(shù)將其作為整體打印，生產(chǎn)時(shí)間由數(shù)月縮短到一兩周。經(jīng)過優(yōu)化后的燃燒器擁有一個(gè)外壁和一個(gè)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁, 這個(gè)復(fù)雜的雙壁結(jié)構(gòu)零部件最終通過金屬3D打印設(shè)備一次性完成制造，不需要將幾個(gè)單獨(dú)的部件焊接在一起。

 汽車

汽車領(lǐng)域，根據(jù)市場觀察，比較經(jīng)典的一個(gè)案例是法拉利賽車帶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的活塞頭。法拉利賽車發(fā)動(dòng)機(jī)由意大利馬瑞利（Magneti Marelli）汽車零部件公司承擔(dān)，發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化和保持高強(qiáng)度水平是馬瑞利公司在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頭設(shè)計(jì)時(shí)所主要考慮的兩個(gè)因素。2017年，設(shè)計(jì)師為零件添加了復(fù)雜的內(nèi)部點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠減少材料的使用，降低零件重量，又可以保證高沖擊區(qū)域的強(qiáng)度。3D打印的鋼合金活塞頭使法拉利668賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火室設(shè)計(jì)得到重塑,該零件能夠承受400bar的壓力，它使發(fā)得燃油實(shí)現(xiàn)充分燃燒。

 摩托車

有趣的是，更好的空氣與燃料混合還被應(yīng)用到了摩托車領(lǐng)域，摩托車化油器看起來非常復(fù)雜，通過改變引擎和化油器內(nèi)的大氣壓，改變壓力并使燃料和空氣通過化油器流動(dòng)。通過化油器流動(dòng)的空氣將會(huì)帶動(dòng)燃料，接著燃料將會(huì)與空氣混合。通過3D打印將一個(gè)由多個(gè)組件組成的摩托車化油器設(shè)計(jì)優(yōu)化為一個(gè)整體式的輕量化零件，零件中還集成了布線通道和散熱結(jié)構(gòu)。

不過，值得注意的是，并非單獨(dú)通過3D打印就可以完成這些使得燃燒更加充分的零件，3D打印與傳統(tǒng)加工技術(shù)的配合是不可或缺的，在這方面，國際上GF 加工方案的增材制造解決方案致力于在車間真正實(shí)現(xiàn)端到端的集成，實(shí)現(xiàn)無縫和高效的工作流程的關(guān)鍵就是要對(duì)現(xiàn)有的軟硬件環(huán)境做出調(diào)整，這是當(dāng)前發(fā)揮3D打印潛力的另一塊需要重視的能力建設(shè)。

來源：https://www.3ddayin.net/3Ddayinfangan/39566.html