探訪西門子瑞典芬斯蓬工廠：3D打印革命下的燃?xì)廨啓C(jī)制造

2017年12月12日，南極熊注意到，澎湃新聞發(fā)布了一篇對西門子瑞典芬斯蓬工廠的探訪，詳細(xì)的介紹了西門子在利用3D打印技術(shù)方面所做的工作及成果，可以非常系統(tǒng)的了解西門子在增材制造靈越的策略。

“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�！蔽鏖T子瑞典芬斯蓬工廠CEO漢斯·霍姆斯特龍（Hans Holmstrom）向澎湃新聞記者介紹起這項技術(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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)。重型燃?xì)廨啓C(jī)是大型天然氣發(fā)電廠的核心裝備，也是公認(rèn)最難制造的機(jī)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?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)有著超過一個世紀(jì)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?xì)廨啓C(jī)，包括全球銷量超過325臺的SGT－800，會被整體裝車，運(yùn)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(jì)，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(jī)，工廠幾易其主，但渦輪機(jī)產(chǎn)業(yè)始終不變。迄今為止，芬斯蓬工廠售出超過800臺燃?xì)廨啓C(jī)，2300臺蒸汽輪機(jī)，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?br />
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?xì)廨啓C(jī)。據(jù)介紹，芬斯蓬工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)功率從15MW到50MW（1MW=1000KW）的中型燃?xì)廨啓C(jī)，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?xì)廨啓C(jī) Industrial Trent 60，也會運(yùn)至芬斯蓬工廠成套。

△工人正在組裝燃?xì)廨啓C(jī)

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?xì)廨啓C(jī)3D打印研發(fā)基地和工廠，負(fù)責(zé)燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)零件：技術(shù)和挑戰(zhàn)

走進(jìn)芬斯蓬西門子工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)模型在不斷地點題�；裟匪固佚埥榻B道，這里將會進(jìn)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(kuò)充。

△燃?xì)廨啓C(jī)模型

而穿上安全服、戴上護(hù)目鏡才能進(jìn)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(jī)，由德國EOS公司生產(chǎn)。

記者注意到，在3D打印機(jī)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(jī)，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(jìn)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(xì)。正在打印的這個燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方，選擇性地對粉末進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)為例，首先，零件熱負(fù)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?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(dá)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?xì)廨啓C(jī)工廠——英國林肯工廠，3D打印技術(shù)對SGT-400燃?xì)廨啓C(jī)的葉片進(jìn)行了重新設(shè)計，利用多晶鎳超合金粉末制造，并改進(jìn)了冷卻性能。在滿負(fù)荷核心機(jī)測試中，葉片被高于1250攝氏度的高溫氣體包圍，運(yùn)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?xì)廨啓C(jī)葉片上取得的進(jìn)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(jī)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(jī)，我們要做的是如何使用好3D打印機(jī)。”

芬斯蓬工廠現(xiàn)有的12臺3D打印機(jī)，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(jìn)行過軟件改造的定制修復(fù)打印機(jī)。芬斯蓬工廠此前長期回收磨損的燃?xì)廨啓C(jī)零件，進(jìn)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。現(xiàn)在，定制的3D打印機(jī)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(qiáng)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(jìn)行了重新設(shè)計和制造，新葉片已在核電站中安全運(yùn)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?xì)廨啓C(jī)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(qiáng)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�的3D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。


來源：澎湃新聞