【工业4.0案例分析之117】西门子涡轮机元件的激光熔融3D打印

“如果说存在一种能够彻底改变我们如何设计燃气轮机的技术趋势，那就是先进制造业”， 根据近期西门子内部杂志—生活能源，西门子火力发电技术与创新部门主管Nicolas Vortmeyer这样认为。“这是全新的东西，一个真正的突破…我确信我们正在进入一个基于涡轮机械的能源时代的新纪元。”

不久前，60%（净热效率（LHV））联合循环效率被视为下一个重要的里程碑，即达到“四分钟一英里”的燃气轮机技术。但西门子在其全空气冷却H级燃气轮机技术下，这个效率已经达到了61%，现在我们探讨的是在未来的十年左右63%以上的效率。

先进的制造技术，特别是增材制造（又名3D打印），可能起到关键作用。在增材制造中，三维模型通过堆叠材料层来建造，如激光烧结-能够实现传统的制造方法，例如机械加工等无法实现的复杂和精密水平。这可以应用到燃气涡轮机叶片的复杂空气冷却路径，例如，提升宝贵的效率。

自2015年开始，柏林燃气涡轮机厂的涡轮机元件都是通过激光熔融方法来生产的。为了进一步提高燃气涡轮机的效率，在显著缩减运行时间的情况下改善复杂燃气元件的设计是关键。

3D打印是嵌入在工业4.0整体方案之中的。这里所讨论的并不是各方面互相独立的改善，而是整个生产流程的优化，包括架构、生产、质量管理和服务的前置及后置工作领域中的横向及纵向一体化。与昂贵的注塑技术相比，使用激光熔化技术可以使小型系列的产品的生产明显变得更加实惠和快速。为了将对某些燃气涡轮机元件的测试融入到产品开发流程中去，西门子股份有限公司在原型生产的框架下利用了这一技术。由于完成和制造时间的漫长，到目前为止部件的测试都只能在产品开发的末尾才能进行。通过一体化的想法，前卫大胆的元件设计也可以很快地得到评价，并追溯至设计周期，从而能使影响程度变得更高。“与传统的生产方法相比，新式的、选择性的激光熔化方法极强地缩减了生产时间，从而在产品开发时就可以进行某些具有关键功能的元件的测试，比如在我们的燃烧系统测试中心，即清洁能源中心里就是这样。”Sebastian Piegert解释道。

在选择性激光熔化中，激光束将金属粉末扫成20到50微米厚的焊层，从而勾勒出元件的横截面，并对这些粉末进行焊接。在第一个加工过程之后，制造元件的平台下降，从而将另一次由新鲜粉末构成的20到50微米厚度的粉层抹去。这种方式就这样逐层而立体地将元件制作出来，在这过程中，激光束的路径是通过计算机3D模型而预先给定的。

在一个合作项目中，来自德国柏林西门子燃气轮机制造厂和亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）的专家，已经开发了一个基于激光的技术，这项技术加快了涡轮叶片在热气发动机区域的制造工艺。一个模块化的制造过程也被引入，以克服在生产微妙叶片结构中遇到的问题时。

新技术采用选择性激光熔化和类似3D打印机的设备。特种合金通过粉末床上的激光熔化，然后叶片组件被一层一层的建造。

去年，在西门子委托下，清洁能源中心在开发和优化燃气涡轮机起了重要的作用，这项研究使燃气涡轮机能够作为一种设施，对用于液体或气体燃料的各种涡轮部件上进行现实测试。在测试过程中，单个涡轮机部件暴露在1500摄氏度以上的温度下。这些组件通常使用高温合金及精密铸造工艺制造，其每一个迭代循环周期可能持续数月并且产生巨大的成本。

导向叶片由两个巨大的平台和一个有微妙的冷却结构的机翼，而这个结构在过去摆出了一个巨大的制造挑战。尽管使用选择性激光熔化技术，这个冷却结构的生产仍然需要额外的内部支持。

一个经过改进的生产链解决了问题：机翼和涡轮机叶片组成的平台将被单独制造，然后焊接在一起。这使得不仅使消除刀片中的支持点成为可能，而且还提高了表面质量。其结果是一个完全功能的组件，可用于热路径钻机测试以提供快速反馈给设计工程师。

对于其他组件来说，这种模块化生产的涡轮机叶片展示了巨大的潜力。它可以连接铸造和选择性激光熔化生产零件，只为使用选择性激光熔化生产留下复杂的或可变的部分。同时，它也将促进目前对于选择性激光熔化过程来说太大的具有困难的几何形状的零部件生产。

使用选择性激光熔化（SLM）的增材制造（AM）技术后，西门子修复工业燃气涡轮机部件的速度提高了60%，并且能够完全发挥设计的自由。在过去的几年中，增材制造已经出现并正在改变组件的制造方式。这项技术允许组件的设计改进和快速制造，从而实现现有的资源到最新零件设计的快速升级。

选择性激光熔融

选择性激光熔融（增材制造的一个例子）的过程已经被西门子应用于商业。基本上，一个组件的计算机模型被用来将其作为小部分提取。这些部分是作为模板通过激光熔融（或“烧结”）30-50微米厚的一层粉末金属，使其相应的部分对应。这个过程被重复来一层层地创建组件。

它“使我们能够实现现在难以制造的几何形状”，Nicholas Vortmeyer说，打开了“传热和结构完整性的新领域。”

在西门子工业燃气轮机业务中，选择性激光熔融/烧结技术的发展从2007年购买EOS的增材制造技术和设备开始，而这，在短时间内便被证明能使其的一个机器能够适应满足西门子的具体需求。

一个早期的成功应用是37兆瓦的SGT-750燃气轮机的制造，在这个案例中该技术被用于实现先进的燃烧器旋流概念。事实上，该组件只能通过选择性激光熔融制造。随着单个组件和最终结果的产生，一个非常复杂的多元部件被制造出来了，这清楚地证实了选择性激光熔融对新的先进的燃烧器涡轮的设计、成型以及制造的帮助。但选择性激光熔融的价值不仅仅是制造新组件，同时在维修组件以及使维修在更换零件被建议后能够成为一个选项也有巨大的潜力。

“选择性激光熔融…有巨大的潜力，在维修组件以及使维修在更换零件被建议后能够成为一个选项也有巨大的潜力。”

一个例子是选择性激光熔融在47兆瓦SGT-800燃气轮机燃烧嘴修复中的成功应用。”选择性激光熔融允许新的燃烧嘴被“3D打印”到旧的燃烧嘴上。这大大简化和加快了10%的修复”，西门子能源服务的石油与天然气工业应用技术与创新主管Vladimir Navrotsky说。”此外，修复的组件可以升级到最新款的燃烧器设计。”从2013年起，使用选择性激光熔融的燃烧器制造和修复已成功地应用于燃气涡轮机的商业化操作。

对选择性激光熔融/烧结的一个挑战是提供为烧结材料的性能满足操作条件需要提供保障。目前只有有限的材料（例如，钢、铝、钛）能够在选择性激光熔融过程中使用。其在镍基材料中的应用仍在发展中。对于一些激光烧结材料，其性能被发现位于铸件和锻件之间。展望未来，西门子燃气轮机的产品管理主管Willibald Fischer，设想服务团队能够“与其3D选择性激光熔融工具出现在偏远的工厂”的可能性。一旦确定了所需要的修复，他们将进行现场制造，而不是让设备运到修理厂。”

TOMO光刻成型

另一种被西门子积极接受的有前景的先进制造技术是一个被称为TOMO的过程-TOMO光刻成型-由美国弗吉尼亚州阿尔伯马尔郡（VA）夏洛茨维尔城的Mikro系统公司最初开发的.

在TOMO过程中，一个将被制造的组件的计算机模型的又被“切片”成很薄的（缩减到大约25微米左右）部分，或是“toma”（这个过程的“断层”位），这些片被用于创建用于蚀刻（或“化学机械”）金属箔（“平版”部分）的光掩膜。这些层叠在一起以创建一个主图案。不同的“toma”的结合使三维型腔能够以前所未有的精度制造。主图案是用来制造一个模具，它可以用来铸造所需形状的陶瓷材料。

“TOMO过程有助于所需的复杂核心实现更快的产品上市时间和低成本的开发过程以实现其先进的冷却功能。”

与Mikro系统公司达成许可协议的西门子，已经在夏洛茨维尔为使用这种技术的燃气涡轮叶片翼型陶瓷型芯的商业生产建立了设施。这些部件采用复杂的内部冷却通道。在投资铸造过程中，这些陶瓷型芯被使用以生产这些内部通道。到现在为止，对陶瓷型芯的修改通常是一个耗时和昂贵的过程，这使产品的改进变成了巨大的挑战。TOMO过程有助于所需的复杂核心实现更快的产品上市时间和低成本的开发过程以实现其先进的冷却功能。

这些改进将通过配置以前不可行或不符合制造成本效益的冷通道配置，提高涡轮叶片的冷却能力，使叶片承受较高的温度和使用更少的冷却空气，从而达到更高水平的发动机性能和效率。

得到了美国能源部和美国复苏与再投资法案（ARRA）的支持，Mikro系统公司将得到来自小企业创新研究（SBIR）的拨款资助，并且和Mikro系统公司与西门子已经在合作开发将TOMO技术对一系列燃气轮机部件的应用。

游戏改变技术？

西门子能源公司总裁兼首席执行官及西门子能源服务部首席执行官Randy Zwirn，认为TOMO给西门子“游戏改变驱动技术”以提升其61%效率的世界纪录。他还认为，通过改造，TOMO技术可以用于提高正在运行的发电厂的效率。

从根本上说，“这个制造技术中的思维方式打开了几年前还不可行的翼型设计的空间” ，西门子火力发电集团的产品业务部首席执行官Thierry Toupin说。

在整个2013年和2014年初，在进行夏洛茨维尔的工厂和人才成长发展的同时，西门子一直致力于TOMO技术的商业化。

“TOMO制造技术中的思维方式打开了几年前还不可行的翼型设计的空间”

西门子公司表示他们在材料性能、工艺稳定性和质量管理方面已经取得了重大进展。

型芯目前被运往工厂以对实际的发动机和零部件生产质量组件测试提供支持。

西门子报道称，夏洛茨维尔工厂目前使用 “由TOMO工具系统驱动的创新”来生产五种不同的型芯设计，而Mikro系统公司继续在两种产品的优化和进一步发展方面提供支持。

Mikro系统公司表示其增长战略是将其技术应用到广泛的燃气轮机中，包括商用和军用航空发动机以及以天然气为燃料的联合循环、整体煤气化联合循环（IGCC）工厂的新一代发电机组。

TOMO技术有助于西门子的受美国复苏与再投资法案（ARRA）资助的/ 受能源部（DOE）管理的项目以开发用于基于煤发电的整体煤气化联合循环（IGCC）的氢涡轮。

缩短上市时间

除了使以前被认为不可能制造的燃气涡轮叶片设计能够实现，先进制造技术还可以通过降低模具成本市场、缩短生产周期以及更高效的生产流程，来帮助未来的设计改进减少上市时间。

一个特别的好处是它发现的快速原型技术的潜力。在过去，需要花几年的时间来开发一个原型部件并需要在一个燃气涡轮机中测试。现在，设计师可能产生一个想法后更迅速地对这个想法进行测试。Nicolas Vortmeyer指出：“很多开发燃气轮机的工作都会包括试验和错误。如果我们能快速制造我们自己的组件，我们可以极快地尝试我们的想法。”

Willibald Fischer认为，使用例如选择性激光熔融和TOMO技术的快速成型工艺可能意味着热气零件原型铸件和型芯的试验可以比目前至少快50%。