Основная отрасль аддитивного производства, 3D-печать металлом, использует цифровые модели для управления плавлением и укладкой металлических порошков слой за слоем для создания твердых компонентов. Среди основных операций — электронно-лучевая плавка (EBM) и селективная лазерная плавка (SLM). В SLM высокоэнергетические лазерные лучи-используются для плавления металлических порошков, что позволяет послойно--строить сложные структуры за счет точного управления траекториями лазерного сканирования. Основываясь на подходе Siemens Energy, ее газовая турбинная горелка, построенная по принципу SLM-, объединяет 13 сварных компонентов в единый блок, что значительно продлевает срок службы и надежность компонентов.
У этой технологии есть три ключевых преимущества: во-первых, она использует более 95% материала, что намного лучше, чем 60-70%, используемые при обычных методах литья; во-вторых, он может создавать сложные формы, которые трудно изготовить традиционными методами, например, сотовые узоры для охлаждения головок цилиндров двигателей; и в-третьих, за счет оптимизации конструкции детали можно сделать на 30–70 % легче, сохраняя при этом прочность. Исследование Siemens Energy с использованием 3D-печати металлом показало, что вес головок цилиндров снизился с 5095 граммов до 1755 граммов, что привело к уменьшению объема на 65 % и увеличению эффективности отвода тепла на 40 %.
С помощью Materials Solutions компания Siemens Energy разработала производственную систему, охватывающую девяносто промышленных 3D-принтеров по металлу. С помощью технологии SLM изготовленные лопатки газовой турбины улучшают воздушный поток внутри них, имитируя природный, что помогает более эффективно сжигать топливо и снижает потребность в охлаждающем воздухе. Технологическая новизна заключается в инновациях в материалах: создании порошков сплавов на основе никеля-, пригодных для работы в условиях высоких-температур и обеспечивающих срок службы 100 000 часов при температуре 650 градусов.
Изготовление индикаторов для лезвий по индивидуальному заказу было достигнуто с помощью технологии 3D-печати металлом, чтобы решить проблемы традиционного производства лезвий, которое зависит от форм и требует высоких затрат. Топологическая оптимизация позволила снизить вес молниеотвода на сорок процентов и утроить эффективность установки. Эта технология может снизить затраты на техническое обслуживание на 20 % и значительно улучшить общую экономию срока службы оборудования для производства электроэнергии-в контексте морской ветроэнергетики.
3D-печать металлом решила сложную проблему обработки микроканалов, которую трудно достичь традиционными методами в развитии микротурбинных двигателей. UНапример, для турбины диаметром 50 мм с микровоздушным-охлаждением толщина стенки канала охлаждения, полученного с помощью 3D-печати, составляет всего 0,3 мм, что повышает эффективность охлаждения на 50 % и обеспечивает плотность мощности в три раза выше, чем в традиционных конструкциях.
Три измерения отражают тройную-ценность применения 3D-печати металлом в энергетическом секторе:
Согласно практике Siemens Energy, использование оборудования выросло на 200%, а цикл производства компонентов горелок, изготовленных с помощью 3D-печати, сократился с 12 недель традиционными методами до 4 недель. Изготовление лопастных мигалок по индивидуальному заказу сократило цикл поставки с 60 дней до всего 7 дней в секторе ветроэнергетики, тем самым удовлетворив спрос на быстрое реагирование на рынке.
Прямое снижение производственных затрат DA происходит за счет улучшения использования материалов. Если взять в качестве примера лопатки газовой турбины, то традиционные методы литья приводят к потере до 30% материалов, а 3D-печать приводит к потере лишь 5% вспомогательных материалов. В секторе эксплуатации и технического обслуживания энергетического оборудования технология 3D-печати позволила сократить время реагирования на техническое обслуживание до 24 часов и снизить затраты на запасные части на 40%.
Оптимизированная топология увеличивает площадь теплоотвода головки блока цилиндров двигателя на 80 %, что приводит к снижению веса на 66 %. В области микроэнергетического оборудования технология 3D-печати позволила добиться точного изготовления микроканалов на уровне 0,1 мм, что открывает возможности для инновационного проектирования основных компонентов, таких как биполярные пластины топливных элементов.
Несмотря на большие технологические преимущества, использование 3D-печати металлом в энергетике по-прежнему сопряжено с тремя основными трудностями.
Ограниченное использование современных металлических порошков в компонентах,-высоком давлении обусловлено тем, что их усталостная прочность на 15–20 % ниже, чем у промышленных материалов. Ключом к прогрессу является разработка новых типов сплавов, таких как специальные титановые сплавы, изготовленные с помощью лазерного аддитивного производства, которые могут достичь предела текучести 900 МПа и более.
Оптимизация процесса все еще требует преодоления отклонений размеров, вызванных термической деформацией. Используя технологию мульти-физического моделирования, компания Siemens Energy обеспечивает точность размеров головок цилиндров с точностью до ± 0,05 мм, что на 50 % точнее, чем позволяют традиционные методы.
Для компонентов энергетического оборудования, напечатанных на 3D-принтере, отраслевой сертификации не существует. Создание комплексной системы стандартов процессов, включающей материалы, процедуры и испытания, является частью текущего прорывного пути. Например, для металлических компонентов, напечатанных на 3D-принтере-, немецкий стандарт VDI 3405 стандартизирует процедуры испытаний на усталость.
https://www.china-3dprinting.com/metal-3d-printing/3d-printing-титановый-сплав-parts-in-medical.html