3D打印涡轮机部件：加速开发、提升性能与可持续性
3D打印正在改变涡轮机械制造中的原型制作、生产和维护流程。
该技术为各类涡轮机械部件提供了铸造和机加工的强大替代方案。
在本期"应用聚焦"中，我们将探讨3D打印在涡轮机械制造中的实际效益，并展示引人注目的真实案例。
什么是涡轮机？
每一个现代动力系统——从火箭、喷气发动机到风力涡轮机和水力发电——都依赖涡轮机械。涡轮机是一种旋转装置，其转子或叶轮在流体（气体、蒸汽、水或空气）中运动，将流体能量转化为可用的机械动力。
3D打印在涡轮机械中的优势
加速产品开发
3D打印大幅缩短了从设计到原型的周期。工程师无需制造工装，可直接将数字文件发送至打印机，在数小时或数天内生产出功能性部件。
西门子在2017年采用此方法开发和测试燃气轮机叶片。通过打印原型，西门子将开发和验证时间从两年缩短至仅两个月，并在此期间从测试单一设计转变为评估十种变体。
由于叶片可在真实工况下测试，西门子改进了冷却系统并延长了叶片寿命。公司预计将在未来三到五年内过渡到全3D打印叶片生产。
加快生产速度
苏尔寿将金属3D打印与机加工相结合，制造闭式叶轮——这是一种将流体加速以产生压力的关键泵部件。
传统铸造闭式叶轮可能产生表面缺陷，且耗时长达35天。苏尔寿的混合工艺——锻造坯料的五轴铣削后接激光金属沉积（LMD）——可在约48小时内完成整个部件。
设计灵活性
3D打印实现部件集成，减少装配步骤并增强强度。西门子将燃气轮机燃料旋流器从十个铸造和机加工零件重新设计为单个增材制造部件。
重新设计的旋流器采用固溶强化Inconel合金制造，可在单次EOS M 400-4四激光粉末床熔融构建中生产，每次构建最多生产16个单元，耗时长达100小时。
快速维修
选择性激光熔融（SLM）和LMD也简化了磨损部件的维修。西门子开创了SLM燃烧器喷嘴尖端修复工艺，仅切除受损区域并逐层重建尖端。
该工艺将维修时间缩短90%，自2013年以来西门子已修复超过2000个燃烧器。西门子还采用LMD更换叶片和导叶，消除了传统焊接工艺。
3D打印——涡轮机械的未来？
增材制造加速产品开发、提升部件性能并缩短维修周期。下一个前沿在于集成传感器：Optomec利用其气溶胶喷射技术直接在涡轮叶片上打印应变传感器，实现实时结构监测。
通用电气、橡树岭国家实验室和施乐旗下PARC获得130万美元资助，旨在将3D打印涡轮部件的设计验证时间线缩减高达65%。目标是制造无缺陷、高性能、多功能的部件，能承受极端温度和应力。
尽管涡轮机械3D打印仍处于新兴阶段，但其势头不可阻挡。随着制造商追求耐用性和效率，增材制造将成为未来涡轮设计的核心组成部分。
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