“3D打印重新定義了制造業(yè)。千百年來，制造業(yè)是一種減法：拿到原材料，車銑刨磨，去除多余的部分，最終成型;3D打印則讓制造業(yè)變成了一種不斷添加原材料的加法。”西門子瑞典芬斯蓬工廠CEO漢斯·霍姆斯特龍(Hans Holmstrom)介紹起這項技術(shù)時，充滿了一種他自稱為“工程師的激動”的情緒。
從“減法”到“加法”的比喻，點出了3D打印的本質(zhì)：增材制造(Additive Manufacturing, AM)，即在數(shù)字化 3D 設(shè)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上逐層制造零部件的生產(chǎn)工藝。
△西門子瑞典芬斯蓬工廠
芬斯蓬工廠自2009年開始嘗試，將增材制造用于燃氣輪機的原型設(shè)計、維修和生產(chǎn)。西門子提供的數(shù)據(jù)顯示，增材制造使生產(chǎn)資源減少了63%，維修速度提升60%，交貨期縮短50%。
不過，比起生產(chǎn)和維修，霍姆斯特龍更看重增材制造對加快原型設(shè)計的影響：“最重要的不是更快地制造，而是更快地設(shè)計。這簡直是工程師的終極夢想。通過數(shù)字建模，試誤幾乎是零成本。重復(fù)一百次失誤，你就可能有一次大收獲。”
芬斯蓬與燃氣輪機
燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)燃式發(fā)動機。重型燃氣輪機是大型天然氣發(fā)電廠的核心裝備，也是公認最難制造的機械裝備之一，其核心關(guān)鍵技術(shù)為西門子、GE等制造業(yè)巨頭掌握。
芬斯蓬這座人口不過萬余的瑞典東約特蘭省小城，與燃氣輪機產(chǎn)業(yè)有著超過一個世紀的淵源。芬斯蓬向東半小時車程，是東部港口城市北雪平，有“瑞典的曼徹斯特”之稱。
西門子芬斯蓬工廠生產(chǎn)或組裝的上百噸重的燃氣輪機，包括全球銷量超過325臺的SGT-800，會被整體裝車，運向北雪平港，從波羅的海出發(fā)，輸往世界各地的客戶。
這個區(qū)域是瑞典工業(yè)化起源地之一。16世紀，德格爾家族看中了芬斯蓬的森林和河流資源，在山上一塊巖石裸露的平地建立工廠，為皇室生產(chǎn)大炮和炮彈。1913年，芬斯蓬工廠開始生產(chǎn)渦輪機，工廠幾易其主，但渦輪機產(chǎn)業(yè)始終不變。迄今為止，芬斯蓬工廠售出超過800臺燃氣輪機，2300臺蒸汽輪機，其中95%的產(chǎn)品向100多個國家出口。
西門子于2003年收購工廠，成為北雪平和芬斯蓬最大的私營雇主。芬斯蓬市中心人口只有數(shù)千，而西門子工廠雇傭了3300員工，將近一半為當(dāng)?shù)厝恕?/p>
在芬斯蓬工廠，記者看到身穿黃色安全服的工人正在組裝大小各異、處于不同裝配階段的燃氣輪機。據(jù)介紹，芬斯蓬工廠負責(zé)生產(chǎn)功率從15MW到50MW(1MW=1000KW)的中型燃氣輪機，即從SGT-500到SGT-800的5個型號。此外，英國生產(chǎn)的更小功率SGT-300和SGT-400，以及北美生產(chǎn)的航改型燃氣輪機 Industrial Trent 60，也會運至芬斯蓬工廠成套。
△工人正在組裝燃氣輪機
2016年2月，西門子投資2000多萬歐元，將芬斯蓬一處遷出的學(xué)校改造成了西門子工業(yè)型燃氣輪機3D打印研發(fā)基地和工廠，負責(zé)燃氣輪機零部件的快速原型設(shè)計、快速維修和快速生產(chǎn)。2016年7月，3D打印零件開始商業(yè)化制造。
3D打印燃氣輪機零件：技術(shù)和挑戰(zhàn)
走進芬斯蓬西門子工業(yè)型燃氣輪機3D打印研發(fā)基地和工廠，多處裝修和陳設(shè)還保留著原先學(xué)校的痕跡。只有每個房間擺放著的大大小小、五顏六色的燃氣輪機模型在不斷地點題?；裟匪固佚埥榻B道，這里將會進行較大的改造，以適應(yīng)對3D打印的后續(xù)投入和規(guī)模擴充。
△燃氣輪機模型
而穿上安全服、戴上護目鏡才能進入的工作間，又是另一種畫風(fēng)。工作間大致分為原型設(shè)計、打印、維修和后期處理四個區(qū)域，共配有12臺3D打印機，由德國EOS公司生產(chǎn)。
記者注意到，在3D打印機全天候工作時，工作間幾乎沒有工作人員。芬斯蓬工廠產(chǎn)品經(jīng)理安德斯·佩森(Anders Persson)解釋道，工作間采用了數(shù)字化管理系統(tǒng)，只需少量人力操作。
走近自動工作的打印機，透過泛出綠光的玻璃窗口，可以看到4個綠色光點正沿著特定的路徑，在一層白色的粉末上快速移動，留下凝固成型的銀灰色金屬圖案。接著，工作平臺向下降低一級，一條金屬片掃過整個平臺，重新鋪滿白色粉末，進行新一層的金屬圖案繪制。
佩森介紹道，打印的每一層金屬厚度大約在0.02mm到0.04mm之間，比頭發(fā)絲還細。正在打印的這個燃氣輪機零件，共由9000多層構(gòu)成。算法可以檢測每一層出現(xiàn)的漏洞，然后實現(xiàn)自我修正。
這是一種名為選擇性激光熔化(SLM)的增材制造技術(shù)。與激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)相比，選擇性激光熔化打印機控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方，選擇性地對粉末進行照射，將金屬粉末加熱到完全熔化后成型，不需要黏合劑，成型的金屬零件致密度和力學(xué)性能都更好。
△選擇性激光熔化(SLM)
不過，發(fā)電領(lǐng)域給3D打印工藝提出了更高的要求。以燃氣輪機為例，首先，零件熱負荷接近于所用金屬的熔點;其次，渦輪葉片所承受的離心力是凈重力的10000倍;最后，葉片尖端的線速度接近聲速。
西門子是率先利用選擇性激光熔化技術(shù)生產(chǎn)燃氣輪機和蒸汽輪機金屬部件的企業(yè)之一。那么，這些3D打印工藝而成的零件，上崗后表現(xiàn)如何呢?
13合1
佩森介紹道，應(yīng)用在燃氣輪機上的3D打印部件展現(xiàn)出了相同的安全性和可靠性，效率和可持續(xù)性方面也具有優(yōu)勢。
芬斯蓬工廠目前采用3D打印制造的燃氣輪機零件，集中在燃燒室部分。相關(guān)工程人員著重介紹了SGT-800燃燒室前端。在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，這個部位由13個部件和18個焊接點組成，而3D打印技術(shù)將其作為整體打印，生產(chǎn)時間由數(shù)月縮短到一兩周。
這些經(jīng)過3D打印設(shè)計制造的燃燒室，支持更高燃燒溫度，可以處理高達60%的氫與天然氣的共燃。由于氫氣比天然氣便宜，相比起純天然氣燃料，每年可以節(jié)省300萬歐元。
△適用3D打印的燃燒室前端
而在西門子的另一個燃氣輪機工廠——英國林肯工廠，3D打印技術(shù)對SGT-400燃氣輪機的葉片進行了重新設(shè)計，利用多晶鎳超合金粉末制造，并改進了冷卻性能。在滿負荷核心機測試中，葉片被高于1250攝氏度的高溫氣體包圍，運行速度超過每小時1600公里，相當(dāng)于受力11噸。
英國林肯工廠在3D打印燃氣輪機葉片上取得的進展，與西門子2016年收購的英國3D打印公司Materials Solutions有著緊密的關(guān)聯(lián)，后者專門生產(chǎn)渦輪機高溫應(yīng)用的高性能部件。
不會代替大規(guī)模制造
波音、惠普、巴斯夫、拜耳、霍尼韋爾等企業(yè)也在加緊3D打印材料、裝備、軟件系統(tǒng)、服務(wù)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)滲透。西門子的主要競爭對手GE，在2016年斥巨資收購了金屬3D打印德國ConceptLaser公司和瑞典Arcam公司75%的股權(quán)。
在這股大潮下，西門子怎樣部署3D打印的未來?西門子全球分布式發(fā)電業(yè)務(wù)及石油與天然氣服務(wù)CEO索比約恩·福爾斯(Thorbjorn Fors)直白地說道：“西門子不會制造3D打印機，我們要做的是如何使用好3D打印機。”
芬斯蓬工廠現(xiàn)有的12臺3D打印機，來自德國EOS公司。其中，有4臺是專門適應(yīng)西門子的需求，進行過軟件改造的定制修復(fù)打印機。芬斯蓬工廠此前長期回收磨損的燃氣輪機零件，進行修復(fù)，像前文提到的曾由13個部件和18個焊接點組成和燃燒室前端，以往需要大規(guī)模的切斷、重鑄?，F(xiàn)在，定制的3D打印機只需要截去頂部的24mm，快速打印，交貨時間縮短60%。
霍姆斯特龍也強調(diào)，3D打印技術(shù)暫時不會代替大規(guī)模制造。西門子將著力發(fā)揮自身的軟件和控制數(shù)字化優(yōu)勢，有信心在3D打印原型設(shè)計中領(lǐng)先一個身位。
霍姆斯特龍舉了一個例子，顯示芬斯蓬工廠已經(jīng)開始為第三方提供3D打印服務(wù)。前不久，工廠為斯洛文尼亞的Kr?ko核電站提供了解決方案：核電站循環(huán)水泵的一個直徑108mm的金屬葉片需要換新，而原生產(chǎn)商已停止生產(chǎn)。芬斯蓬工廠通過3D打印技術(shù)對葉片進行了重新設(shè)計和制造，新葉片已在核電站中安全運行。
在虛擬的數(shù)字化模型中，工程師們可以在批量生產(chǎn)前測試特定的性能，開發(fā)時間大大縮短。這種近乎零成本的試誤令霍姆斯特龍感到興奮。他說道，目前已采用3D打印的燃氣輪機零件只有一小部分，從制造成本來看，有高有低。
但霍姆斯特龍強調(diào)，對于西門子的3D打印布局而言，成本并不是最重要的，最重要的還是無限靈活的設(shè)計帶來的未來潛力。
相比起無限的設(shè)計潛力，人才的需求缺口日益凸顯?；裟匪固佚埿枰?D打印研發(fā)人才，既要是熟練的數(shù)字化工程師，又具備創(chuàng)造力和想象力。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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