根据3D科学谷的市场研究，西门子正在开发通过3D打印技术实现燃气涡轮发动机上的翼型部件与护罩部件的互锁，为此，西门子还申请了相关的专利。

连接不同材料的LENS技术

这是一个脑洞大开的探索，以往的复杂零件需要组装或者焊接的形式成为一个整体，而西门子的发现正在将3D打印作为部件之间连接的“一把锁”，这个思路颇有些曲径通幽的妙处。

在燃气涡轮发动机领域，单个组件的各个零部件可能具有完全不同的机械性能要求。有时候是材料的不同，有时候是形状的极大差异化，并且那些更昂贵或难以制造的材料可能仅限于所需组件的个别部件，而更便宜或更易于制造的材料可用于组件的其他位置。此外，制造组件的这种模块化方法允许当组件出现质量问题的时候只需要更换单个零件而不是整个组件，这样可以延长组件的使用寿命并且降低维护保养成本。

零部件连接的通常方式包括诸如焊接和钎焊的冶金方式。但是，有许多涡轮机中的高温材料很难焊接，对防止开裂也有很高的要求。这对钎焊接头来说不是什么问题，但钎焊接头只有钎焊材料的强度。

西门子找到了用于连接部件以形成组件的创新方法，根据3D科学谷的市场研究，具体而言，完成组件中零件的“组装”是通过增材制造工艺逐层形成“锁定”的。零件的互锁关系确保互锁关系的互锁零件保持彼此接合，从而形成完整的组件。

图片：锁定部件16保证了12和44的互锁关系

这与依靠使用诸如切割、钻孔、研磨等技术去除材料的减材制造方法相反。在加工过程中，金属粉末被定向输送到零件表面，同时通过激光束产生熔池将其固化。形成层之后可以升高激光能量以便在所形成层的上层再形成另一层。最终所形成的部件是完全致密的（完全烧结的），此外锁定部件并不一定是金属材料的，还可以是陶瓷材料的。

与使用其他粉末冶金工艺制造的部件相比，通过逐层增材制造工艺形成的粉末冶金部件具有独特的微观结构。根据3D科学谷的市场研究，这种LENS技术可将晶粒结构中的晶粒尺寸限制到极小的程度，另外通过设定焊池的大小也限制了晶粒的大小。

其次，在逐层方法中，由于分层过程，组件中的晶粒将具有层状结构。相反，在传统的粉末冶金工艺中，单独的粉末颗粒不会熔化，而是在暴露于烧结过程中的高温（低于熔点）时通过相互扩散而结合在一起。粉末颗粒彼此具有无规取向，并且颗粒之间的界面成为晶界。

西门子通过3D打印实现燃气涡轮发动机上的翼型部件与护罩部件的互锁，锁定部件可以采取环或圆柱体的形状。翼型部分需要经受燃气涡轮发动机中的热燃烧气体环境中更大的抗蠕变性，而护罩部分由于带有经受磨损的尖端部分则需要更大的抗研磨性能。这两个部件机械性能要求的不兼容性使得难以通过焊接来接合。此外需要避免碎屑发生的问题也使得通过常规的机械连接受限（例如螺栓连接）。

图片：Mechanical joining using additive manufacturing process西门子专利

增材制造在冶金学上满足了翼型部件与护罩部件的连结需求，并且还避免了螺栓连接可能带来的碎屑问题。

–—- 3D科学谷Review

在当前的市场应用领域，文中提到的LENS技术在零件修复领域应用更加广泛，而在材料的控制方面，我国目前的发展不落后于国外。举例来说，北航在定向生长柱晶及单晶钛合金具有一定的研究和应用成果。

北京航空航天大学的增材制造技术是通过在动态密封气氛可控加工保护室或密闭气氛可控加工保护室(先抽真空后充惰性保护气体)中，以高能束流作为热源，将气流或重力同步输送的钛合金粉末流在普通钛合金基板上连续熔化沉积或逐层熔化沉积，无模自由成形直接制备具有定向生长挺直柱晶组织、不同截面形状的钛合金锭材或任意复杂的钛合金零件；采用选晶或者使用单晶籽晶的手段，连续熔化沉积可以制备出单晶钛合金锭材，在单晶钛合金基板上逐层熔化沉积还可制备出单晶钛合金零件。

LENS技术属于DED定向能量沉积的类别范畴，DED不仅仅包括送粉的技术还包括送丝的技术，不仅仅包括激光还包括等离子和其他热源，而在DED技术应用于零件的制造方面，南方增材科技依据王华明院士带领的技术团队自主研发的重型金属3D打印技术，以金属丝材与辅料为原材料，在电熔冶金的环境下，利用高能热源熔化原料丝材，根据成形构件的分层切片数据，采用计算机控制，实现原材料逐层快速激冷凝固堆积，最终获得超低碳、超细晶、组织均匀、综合力学性能达到甚至优于传统锻造工艺成形的金属构件。这项技术还在2018年初被成功应用于大亚湾核电站的制冷机端盖。

参考资料：US 9903212 B2

资料下载，请加入3D科学谷3D产业链QQ群：529965687
更多信息或查找往期文章，请登陆www.51shape.com,在首页搜索关键词
网站投稿请发送至editor@51shape.com

从原型到叶片产业化生产到燃气轮机重新设计再到数字工厂

西门子叶片的3D打印技术进入到产业化生产领域，离不开林肯、柏林和瑞典芬斯蓬的西门子工程师与材料解决方案部门的专家组成的国际项目团队的共同努力。

来源：西门子

根据西门子，之前，燃气轮机叶片的生产工艺只有铸造和锻造两种。在铸造叶片前，必须先根据每个叶片制作出复杂的模具。这个过程非常复杂、耗时费力且成本不菲。增材制造技术改变了这种现状。它首先使用激光束照射薄薄的金属粉末层，使之受热熔融，然后移走激光束，等待金属冷却成型。逐层重复此过程，直至3D打印出叶片模型。借助增材制造技术，团队将燃机叶片从设计到生产的时间从两年缩短到了两个月。

由于燃气轮机内部充斥着高温、高压和超高离心力，轮机叶片必须能够耐受极端条件。3D打印而成的轮机叶片被安装在了功率为13兆瓦的SGT-400型工业型燃气轮机内。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。

更重要的是3D打印技术使得改良过内部冷却结构的叶片能够以传统加工方式难以实现的工艺制造出来。西门子通过3D打印不仅仅简化了叶片的生产方式，还提升了叶片的性能。

正如视频所提到的，叶片是由Materials Solutions的3D打印设施制造的。西门子新收购的Materials Solutions公司位于英国伍斯特地区，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。

西门子在材料科学、自动化、制造等关键领域拥有广博的知识和工艺专长，因此西门子在塑造3D打印行业的未来方面拥有巨大优势。不仅仅是叶片，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。立足西门子在能源市场逾百年的经验，西门子有能力将新设计可能性转化为面向客户的具体解决方案。

西门子广泛利用增材制造技术实现快速原型制作，并且已经推出面向燃气轮机压气机和燃烧系统部件的批量生产解决方案。3D科学谷了解到2016年2月，西门子在瑞典芬斯蓬建设了一家新的3D打印部件生产工厂，西门子重型燃气轮机的首款3D打印部件，已于2016年7月商业运行。

相信这一切仅仅是变化的开始，根据西门子在Finspong的增材制造小组负责人Andreas Graichen，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，我们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。

资料下载，请加入3D科学谷3D产业链QQ群：529965687
更多信息或查找往期文章，请登陆www.51shape.com,在首页搜索关键词
网站投稿请发送至editor@51shape.com

西门子Finspong工厂利用金属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。3D打印技术为西门子的燃烧器设计、制造及修复带来哪些优势？本期，3D科学谷就与谷友们一起来了解一下。

一切皆为燃气轮机的性能服务

西门子位于Finspong的燃气轮机工厂负责生产工业汽轮机，其中型号为SGT-800的燃气轮机集可靠耐用的工业设计与高效率、低排放的特点于一身，应用用户为工业发电客户如能源公司、独立发电商、公用事业公司和市政电力部门。

图片来源：西门子

SGT-800燃汽轮机重达290吨，能够产生54兆瓦的电力，30个双燃料DLE燃烧器安装在环形的燃烧室中。燃烧器本身的设计极为复杂，燃汽轮机整体的设计则采用了便于拆卸的模块化设计，例如可拆卸的燃烧器，这样的设计便于对燃烧器进行简单快速检查与维修。

提升燃烧器性能
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。

图片来源：西门子

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。

燃烧器的快速修复
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Finsopong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。

图片：西门子Finspong工厂分布式发电服务技术总监Vladimir Navrotsky

分布式发电服务部门的技术总监表示，用3D打印技术进行燃烧器修复，不仅可以实现零件的现场快速修复，节省大量时间，减少停机带来的损失，同时修复后的零件还使能源利用率得到提升。可用于燃烧器修复的3D打印材料包括耐高温的镍基合金材料。

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。3D科学谷认为，无论是哪一种应用，西门子都紧紧抓住了3D打印技术在制造复杂产品、小批量产品和无模具制造方面的优势。

版权所有3D Science Valley, 转载请链接至：www.51shape.com
网站投稿请发送至editor@51shape.com

iPhone 6的图纸：

iPhone 6 Plus的图纸：

请点击查看大图。

有意思的是图纸右下脚的”NX Generated”说明苹果的设计师是用Simens NX进行设计的。这主要是因为之前在Mac上支持的3D设计软件很少，但随着Autodesk Fusion 360的加入，这一状况正在改善。

本文为3D科学谷原创文章，未经允许请勿转载。如需转载请联系editor@51shape.com.