探访西门子瑞典芬斯蓬工厂:3D打印革命下的燃气轮机制造

澎湃新闻 2017-12-12 09:53:07 本文作者:虞涵棋本网编辑:欧文

小到牙齿填料,大到汽车火箭,3D打印技术正在各个行业施展出其颠覆性的影响。受高温、高压和离心力的限制,3D打印似乎与发电行业存在天然隔阂。不过,制造业巨头们的投资决心并未受此影响。

“3D打印重新定义了制造业。千百年来,制造业是一种减法:拿到原材料,车铣刨磨,去除多余的部分,最终成型;3D打印则让制造业变成了一种不断添加原材料的加法。”西门子瑞典芬斯蓬工厂CEO汉斯·霍姆斯特龙(Hans Holmstrom)向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者介绍起这项技术时,充满了一种他自称为“工程师的激动”的情绪。

从“减法”到“加法”的比喻,点出了3D打印的本质:增材制造(Additive Manufacturing, AM),即在数字化 3D 设计数据的基础上逐层制造零部件的生产工艺。

芬斯蓬工厂自2009年开始尝试,将增材制造用于燃气轮机的原型设计、维修和生产。西门子提供的数据显示,增材制造使生产资源减少了63%,维修速度提升60%,交货期缩短50%。

不过,比起生产和维修,霍姆斯特龙更看重增材制造对加快原型设计的影响:“最重要的不是更快地制造,而是更快地设计。这简直是工程师的终极梦想。通过数字建模,试误几乎是零成本。重复一百次失误,你就可能有一次大收获。”

芬斯蓬与燃气轮机

燃气轮机是以连续流动的气体带动叶轮高速旋转的内燃式发动机。重型燃气轮机是大型天然气发电厂的核心装备,也是公认最难制造的机械装备之一,其核心关键技术为西门子、GE等制造业巨头掌握。

芬斯蓬这座人口不过万余的瑞典东约特兰省小城,与燃气轮机产业有着超过一个世纪的渊源。芬斯蓬向东半小时车程,是东部港口城市北雪平,有“瑞典的曼彻斯特”之称。

西门子芬斯蓬工厂生产或组装的上百吨重的燃气轮机,包括全球销量超过325台的SGT-800,会被整体装车,运向北雪平港,从波罗的海出发,输往世界各地的客户。

这个区域是瑞典工业化起源地之一。16世纪,德格尔家族看中了芬斯蓬的森林和河流资源,在山上一块岩石裸露的平地建立工厂,为皇室生产大炮和炮弹。1913年,芬斯蓬工厂开始生产涡轮机,工厂几易其主,但涡轮机产业始终不变。迄今为止,芬斯蓬工厂售出超过800台燃气轮机,2300台蒸汽轮机,其中95%的产品向100多个国家出口。

西门子于2003年收购工厂,成为北雪平和芬斯蓬最大的私营雇主。芬斯蓬市中心人口只有数千,而西门子工厂雇佣了3300员工,将近一半为当地人。

在芬斯蓬工厂,澎湃新闻记者看到身穿黄色安全服的工人正在组装大小各异、处于不同装配阶段的燃气轮机。据介绍,芬斯蓬工厂负责生产功率从15MW到50MW(1MW=1000KW)的中型燃气轮机,即从SGT-500到SGT-800的5个型号。此外,英国生产的更小功率SGT-300和SGT-400,以及北美生产的航改型燃气轮机 Industrial Trent 60,也会运至芬斯蓬工厂成套。

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工人正在组装燃气轮机

2016年2月,西门子投资2000多万欧元,将芬斯蓬一处迁出的学校改造成了西门子工业型燃气轮机3D打印研发基地和工厂,负责燃气轮机零部件的快速原型设计、快速维修和快速生产。2016年7月,3D打印零件开始商业化制造。

3D打印燃气轮机零件:技术和挑战

走进芬斯蓬西门子工业型燃气轮机3D打印研发基地和工厂,多处装修和陈设还保留着原先学校的痕迹。只有每个房间摆放着的大大小小、五颜六色的燃气轮机模型在不断地点题。霍姆斯特龙介绍道,这里将会进行较大的改造,以适应对3D打印的后续投入和规模扩充。

燃气轮机模型

而穿上安全服、戴上护目镜才能进入的工作间,又是另一种画风。工作间大致分为原型设计、打印、维修和后期处理四个区域,共配有12台3D打印机,由德国EOS公司生产。

澎湃新闻记者注意到,在3D打印机全天候工作时,工作间几乎没有工作人员。芬斯蓬工厂产品经理安德斯·佩森(Anders Persson)解释道,工作间采用了数字化管理系统,只需少量人力操作。

走近自动工作的打印机,透过泛出绿光的玻璃窗口,可以看到4个绿色光点正沿着特定的路径,在一层白色的粉末上快速移动,留下凝固成型的银灰色金属图案。接着,工作平台向下降低一级,一条金属片扫过整个平台,重新铺满白色粉末,进行新一层的金属图案绘制。

佩森介绍道,打印的每一层金属厚度大约在0.02mm到0.04mm之间,比头发丝还细。正在打印的这个燃气轮机零件,共由9000多层构成。算法可以检测每一层出现的漏洞,然后实现自我修正。

这是一种名为选择性激光熔化(SLM)的增材制造技术。与激光烧结(SLS)技术相比,选择性激光熔化打印机控制激光在铺设好的粉末上方,选择性地对粉末进行照射,将金属粉末加热到完全熔化后成型,不需要黏合剂,成型的金属零件致密度和力学性能都更好。

选择性激光熔化(SLM)

不过,发电领域给3D打印工艺提出了更高的要求。以燃气轮机为例,首先,零件热负荷接近于所用金属的熔点;其次,涡轮叶片所承受的离心力是净重力的10000倍;最后,叶片尖端的线速度接近声速。

西门子是率先利用选择性激光熔化技术生产燃气轮机和蒸汽轮机金属部件的企业之一。那么,这些3D打印工艺而成的零件,上岗后表现如何呢?

13合1

佩森介绍道,应用在燃气轮机上的3D打印部件展现出了相同的安全性和可靠性,效率和可持续性方面也具有优势。

芬斯蓬工厂目前采用3D打印制造的燃气轮机零件,集中在燃烧室部分。相关工程人员着重介绍了SGT-800燃烧室前端。在传统生产过程中,这个部位由13个部件和18个焊接点组成,而3D打印技术将其作为整体打印,生产时间由数月缩短到一两周。

这些经过3D打印设计制造的燃烧室,支持更高燃烧温度,可以处理高达60%的氢与天然气的共燃。由于氢气比天然气便宜,相比起纯天然气燃料,每年可以节省300万欧元。

适用3D打印的燃烧室前端

而在西门子的另一个燃气轮机工厂——英国林肯工厂,3D打印技术对SGT-400燃气轮机的叶片进行了重新设计,利用多晶镍超合金粉末制造,并改进了冷却性能。在满负荷核心机测试中,叶片被高于1250摄氏度的高温气体包围,运行速度超过每小时1600公里,相当于受力11吨。

英国林肯工厂在3D打印燃气轮机叶片上取得的进展,与西门子2016年收购的英国3D打印公司Materials Solutions有着紧密的关联,后者专门生产涡轮机高温应用的高性能部件。

不会代替大规模制造

波音、惠普、巴斯夫、拜耳、霍尼韦尔等企业也在加紧3D打印材料、装备、软件系统、服务等领域的产业渗透。西门子的主要竞争对手GE,在2016年斥巨资收购了金属3D打印德国ConceptLaser公司和瑞典Arcam公司75%的股权。

在这股大潮下,西门子怎样部署3D打印的未来?西门子全球分布式发电业务及石油与天然气服务CEO索比约恩·福尔斯(Thorbjorn Fors)直白地说道:“西门子不会制造3D打印机,我们要做的是如何使用好3D打印机。”

芬斯蓬工厂现有的12台3D打印机,来自德国EOS公司。其中,有4台是专门适应西门子的需求,进行过软件改造的定制修复打印机。芬斯蓬工厂此前长期回收磨损的燃气轮机零件,进行修复,像前文提到的曾由13个部件和18个焊接点组成和燃烧室前端,以往需要大规模的切断、重铸。现在,定制的3D打印机只需要截去顶部的24mm,快速打印,交货时间缩短60%。

霍姆斯特龙也强调,3D打印技术暂时不会代替大规模制造。西门子将着力发挥自身的软件和控制数字化优势,有信心在3D打印原型设计中领先一个身位。

霍姆斯特龙举了一个例子,显示芬斯蓬工厂已经开始为第三方提供3D打印服务。前不久,工厂为斯洛文尼亚的Krško核电站提供了解决方案:核电站循环水泵的一个直径108mm的金属叶片需要换新,而原生产商已停止生产。芬斯蓬工厂通过3D打印技术对叶片进行了重新设计和制造,新叶片已在核电站中安全运行。

在虚拟的数字化模型中,工程师们可以在批量生产前测试特定的性能,开发时间大大缩短。这种近乎零成本的试误令霍姆斯特龙感到兴奋。他说道,目前已采用3D打印的燃气轮机零件只有一小部分,从制造成本来看,有高有低。

但霍姆斯特龙强调,对于西门子的3D打印布局而言,成本并不是最重要的,最重要的还是无限灵活的设计带来的未来潜力。

相比起无限的设计潜力,人才的需求缺口日益凸显。霍姆斯特龙需要的3D打印研发人才,既要是熟练的数字化工程师,又具备创造力和想象力。


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