武林至尊,宝刀屠龙,得3D打印者得天下。

金属增材制造技术(AdditiveManufacturing，简称AM)为燃气轮机行业提供了一种革命性的生产方式，它能够带来更高的产品性能，更低的设计和加工成本，更全面的后期服务，对燃气轮机产业带来深远的影响，燃气轮机型号设计、制造和运行维护将更加趋向于工业数字化、全球化的发展趋势。

01

3D打印的天下大势

　　3D打印技术飞速发展，在各领域获广泛应用。3D打印技术在医疗、航空航天、军事等领域应用显著。加拿大萨斯喀彻温大学开发出能修复心脏组织的生物3D打印贴片，能够有效促进受损心脏组织的再生长。俄罗斯发射首颗3D打印航天探测器“TomskTPU-”卫星。NASA成功测试由金属合金制成的3D打印火箭发动机点火器原型，有望使未来火箭发动机的成本降低三分之一，制造时间缩短50%。美国橡树岭国家实验室与海军颠覆性技术实验室合作开发出首个3D打印的潜艇艇体，耗时不到4周，成本降低90%。

先进结构材料3D打印化进程加速。科技强国纷纷推进先进结构材料3D打印化进程。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室成功开发出可3D打印的航空级碳纤维复合材料，为未来3D打印碳纤维在航空领域广泛应用奠定了基础。西门子开发出可耐受℃高温的3D打印金属燃气涡轮叶片，将叶片的研发时间缩短了近90%，极大降低了产品的开发成本。美国哈佛大学使用陶瓷泡沫墨水3D打印出轻质高强材料。美国加州大学科学家3D打印出高强度铝合金，其强度与锻造材料相当。

3D打印市场规模将持续扩大，继续向高端工业领域拓展深化。美国通用公司推出世界上最大的激光金属粉末3D打印机，能够打印1立方米体积的金属零件，可打印喷气式发动机的结构部件和单通道飞机零部件，拟于年实现商业化。加拿大卡尔顿大学正在研发能够自我复制的3D打印机，可利用月球上的材料打印自身组件，实现自产自组装，有望助力月球探索。

02

金属增材制造在燃气轮机制造方面的应用

快速成型：例如，燃气轮动叶静叶以及燃烧的部分；·

快速修复：例如，SGT-／燃烧器喷嘴；

快速制造：例如，SGT-的燃烧器旋流器；·

备件需求：例如，SGT-F的燃气轮机燃烧器头部组件。

通过AM技术，产品投放市场的速度能提高90％。在燃烧器修理方面，周期可以减少60％。在原型研发方面，AM将设计迭代循环减少75％，即研发周期减少75％。在修复方面，有些修复工作可以在传统模式所用时间的十分之一内完成。以传统的生产模式，从产品组件的构思、生产到无损检测，所需要的时间大概在六个月到一年，但是假如使用AM技术，时间会缩短至几天，甚至是几小时。未来燃气轮机的生产周期，也许会缩短到传统加工所需时间的一半，甚至更短。

03

燃机制造商近期燃气轮机3D打印进展

GE和西门子是工业领域3D打印技术应用的领先者，在3D打印技术和行业内投资、并购，并不断推出新的应用案例。

早在年，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，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。

年，西门子通过和德国亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所合作，成功采用一种新的3D打印技术，成功制造出了燃气轮机上最复杂的部件透平静叶(喷嘴)，并将它用于了西门子的H级燃气轮机技术研发中。

年，西门子收购了总部位于英国伍斯特地区的选择性激光熔融（SLM）技术先驱同时也是遥遥领先于增材制造加工和生产制造公司MaterialsSolutions，该公司专门生产透平机械高温应用的高性能部件。对透平机械设备来说，精度、表面光洁度和材料质量对确保部件的运行性能至关重要。

正如下面视频所提到的，叶片是由MaterialsSolutions的3D打印设施制造的。

年，西门子3D打印而成的轮机叶片被安装在了功率为13兆瓦的SGT-型工业型燃气轮机内，成功地完成了一次特殊的满负荷试验，验证了增材制造涡轮叶片的可行性。该叶片由耐高温的多晶镍超合金粉末制造而成，能够耐受高压、高温和燃气轮机运转所产生的离心力。西门子正在研发仅能借助增材制造技术实现的独特燃气轮机设计，扩大增材制造轮机设备的批量生产。

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。透平热障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。

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。

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。

西门子看到了增材制造技术的潜力：增材制造可以实现优良的机械性能，粉末状原材料细晶组织，在微观结构上各向异性需要的控制和引导。西门子用于测试这些叶片性能的工厂位于英国的林肯，在这里叶片通过测试后被放入到真实的工作环境中。

而根据西门子能源部门的专家，这些带有复杂内部冷却形状的叶片为透平提供了更好的效率。而叶片的生产则通过位于美国Worcester的工厂来完成。叶片的加工技术则来自与西门子收购的MaterialsSolutions公司，MaterialsSolutions的核心竞争力来自于其对选择性激光熔融材料的控制能力。最擅长的领域包括Inconel,Inconel,以及镍基合金包括HasteloyX,C,C,CMLC。

通过实现对材料在加工过程中的控制，MaterialsSolutions发展了自己的核心竞争力：对诸如叶片这样的高温合金的加工能力，不仅是性能优越，而且其几何形状也是通过传统加工方式无法实现的。

此外，西门子在瑞典Finsp?ng利用金属3D打印技术直接制造燃烧室中的复杂燃烧器零部件，并利用3D打印技术对燃烧器进行快速修复。

除了将3D打印技术应用在复杂燃烧器的直接制造与修复中，西门子还将在燃气轮机的备品备件的生产中应用3D打印技术，特别是对于设计图纸缺失的停产零部件，西门子希望通过三维扫描、三维建模和3D打印这样的数字化技术，为用户制造出小批量的备件。

GE公司积极进军3D打印领域，先后并购多家3D打印生产企业，推动3D打印技术在航空航天、石油装备、教育等领域的产业化应用。GE预测，公司年的3D打印业务收入可达10亿美元，到年可生产1万台设备自用或对外出售。

GE公司在年收购了Arcam95%的股权，上个月GE计划收购ARCAM最后5%股权。此外，Arcam计划在瑞典扩大增材制造的规模，预计建成后生产规模将达到现在的三倍。Arcam是一家瑞典公司，提供一系列针对行业特定需求的3D打印机，包括医疗和航空航天。

GE公司于年1月24日获批的专利包括燃料喷射器主体，包括确定主体包括冷却通道的三维建模信息，将三维建模切分成多个切片横断层，并通过电子束融化技术将各层融化凝固起来，从而制造出燃料喷射器主体。

GE公司获批的专利还包括用于冷却延伸到燃烧气体流场的燃料喷射器的系统。喷油器主体采用粉末床激光熔融或电子束熔融EBM技术制造。激光熔融增材制造工艺允许更复杂冷却通道模式，这样的通道几乎无法通过传统的制造方法制造。此外，增材制造减少潜在的泄漏和其他潜在的不良影响，例如通过传统方法需要有多个组件钎焊或结合在一起以形成冷却通道，这不仅仅增加了工艺的复杂性和程序，还带来了潜在的质量隐患。

年12月GE公司宣布其最大的燃气轮机9HA.02可以64%的效能运行，打破了能源行业的记录，其中最大的功劳应归于3D打印，GE用3D打印为燃气轮机制造了多个部件。GE能源使用3D打印技术为燃气轮机部件制造新的几何形状，这些形状更利于空气和燃料的预混，由此让气体燃烧更充分，而除了3D打印外其他技术无法制造。

04

金属增材制造对燃气轮机部件的影响

通过AM技术，燃气轮机内部和外部的冷却风道设计得到优化，为燃气轮机效率的增加提供了更多的可能性。例如：燃气轮机中的高温透平部分中的动叶、喷嘴及转子，如果采用AM技术进行生产，将使内部冷却风道的设计更加合理，从而可以提高冷却效率，也能使动叶、喷嘴、及转子的设计更加多样化、高效化。同时AM技术将优化燃料喷嘴的设计，使燃料和空气混合更加充分。金属增材制造在表面涂层方面的应用，使涂层有更好的附着力，配合新的粉末合金的应用，使生产零件拥有更长的使用寿命。

提高燃气轮机效率有很多种方法，其中一种是通过提高燃烧温度，但这样会降低了叶片的使用寿命。而使用AM技术能生产结构错综复杂的叶片，改进叶片内部散热通流性能，就可以避免叶片寿命降低的问题。目前，西门子可以打印的最大的叶片长度为mm。年2月，这种新的涡轮叶片设计在r／min和超过℃的温度下测试并获得成功。3D打印叶片采用创新的内部冷却几何设计，可以大大减少冷却空气需要量，使用这种叶片，SGrr的效率可以提高0.5至1个百分点。

在燃烧方面，3D打印技术为工程师提供了更加宽广的燃烧器设计能力。例如，可以采用替代燃料，如富氢气体。采用3D打印改进的燃烧器尖端设计，生产的燃烧器喷嘴允许混合燃烧，并能接受较高的燃烧温度，这样或者可以与天然气一起燃烧，用于减少排放水平。与传统的生产方法不同，通过采用新晶格结构重新设计的燃气轮机喷嘴，比如SGT-／，现在可以处理多达60％的氢，将来也许可以达到％。通过降低天然气的消耗和增加氢燃烧能力，达到降低运营成本和节能减排的目的。

05

燃机部件3D打印的未来发展

各大燃气轮机生产商(包括西门子、通用和三菱)正在寻求打印更大的组件，并扩大其3D打印能力的地理范围，以满足“备件需求”。

西门子认为增材制造技术开启了通往全数字化价值链的大门。尽管许多制造工序已经实现数字化，但它们只是彼此隔绝的数字孤岛，仍需将这些孤岛自动联系起来，创造出全面的数字化价值链。一旦在若干传统车间内成功实现了数字化生产控制过程，企业就有望在靠近客户的地方进行生产。在未来的全数字化生产链中，客户与制造商之间的距离将不再是障碍。这是因为成品部件的运输将被数据传送所取代。数据能够又快又安全地发送至任何地方，甚至世界上最偏远的角落。

综上所述，AM技术的最大优势和价值是：它可以使OEM制造商更接近客户。在条件允许的情况话，可实现现场修复。在现场安装一个机架，用于安放加工零件所需要的设备。如果有加工需求，可将3D打印设备运送至机架旁边连接和打印，实现即插即用。通过这样一个AM中心，从远程位置检测并确保这些打印中心的正常工作，这就是数字化远程访问、远程控制、远程打印。

以现在AM的发展水平还不能实现，但在将来某个时候，终将成为现实。

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