Mohawk 借助Velo3D：將陽(yáng)極廢氣回收鼓風(fēng)機(jī)的價(jià)格降低 60%

導(dǎo)讀：眾所周知，碳?xì)浠�合物在燃燒時(shí)會(huì)釋放污染物，研究人員正積極尋找和研發(fā)不需要燃燒碳?xì)浠�合物的方式。到目前為止，有一種從研究階段進(jìn)入商業(yè)化階段的的方法，那就是固體氧化物燃料電池 (SOFC) 技術(shù)。Mohawk Innovative Technology和 Velo3D 之間基于此進(jìn)行合作，讓這種技術(shù)真正的應(yīng)用起來。



美國(guó)能源部 (DOE) 多年來一直對(duì) SOFC 進(jìn)行投資（自 1995 年以來已投資 7.5 億美元）。美國(guó)能源部將 SOFC 描述為一種電化學(xué)裝置，它直接通過碳?xì)淙剂希ㄍǔＪ翘烊粴猓┑难趸瘉戆l(fā)電，同時(shí)消除了實(shí)際的燃燒過程。基本上，SOFC 的作用就像一個(gè)無限壽命的電池，不斷地被充電，而不會(huì)燃燒給它充電的氣體。

小包裝，大能量輸出
Mohawk Innovative Technology (MITI) 工程副總裁 Jose Luis Cordova 博士說：“固體氧化物燃料電池非常有前景，因?yàn)樗鼈冊(cè)诜浅Ｐ〉姆庋b中就能產(chǎn)生大量能量，SOFC 結(jié)構(gòu)緊湊，可以在工廠制造，然后運(yùn)輸?shù)叫枰�支持分布式能源生產(chǎn)的特定地點(diǎn)，相比之下，集中式多兆瓦發(fā)電廠需要數(shù)十億美元和多年的時(shí)間。SOFC 的效率很高，與普通電池不同，它們不會(huì)隨著時(shí)間的推移而斷電，用戶只需要提供試劑材料，就可以無限期地繼續(xù)電化學(xué)反應(yīng)。"

Mohawk 是一家總部位于紐約奧爾巴尼的28歲的公司，致力于多項(xiàng)DOE資助的項(xiàng)目，專注于“清潔技術(shù)”，聚焦于高效、成本效益、環(huán)境低影響、無油渦輪機(jī)械的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，包括可再生能源渦輪發(fā)電機(jī)、無油渦輪壓縮機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)等。


△Mohawk 創(chuàng)新技術(shù)與 Velo3D 合作，以3D打印燃料電池部件來降低成本。

面臨成本和耐用性問題
盡管2019年全球運(yùn)送了超過 40,000 個(gè) 100 千瓦燃料電池（每個(gè)能夠?yàn)?50 個(gè)家庭供電），但由于許多 SOFC 組件的制造成本很高，并且這些組件存在磨損，該技術(shù)的廣泛采用受到了限制。

為了幫助克服這些挑戰(zhàn)，Mohawk設(shè)計(jì)了一些關(guān)鍵部件，以延長(zhǎng)使用壽命和提高效率。一個(gè)例子是陽(yáng)極廢氣再循環(huán)風(fēng)機(jī) (AORB)，這是一種“設(shè)備自平衡”（支持 SOFC 燃料堆的機(jī)械）的重要組成部分。

在運(yùn)行期間，每個(gè)燃料電池僅使用其所供給的氣體的約 70%。剩下的大約 30% 與水（電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物）一起直接通過系統(tǒng)。如果用戶不想扔掉剩余的氣體或水，可以把它們送回流程的入口，這就是 AORB 的用武之地，它本質(zhì)上是一個(gè)低壓壓縮機(jī)或風(fēng)扇，回收廢氣并將其返回燃料電池的前部。

由于鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中存在工藝氣體，傳統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)容易腐蝕和降解；混合物中的氫會(huì)侵蝕制造鼓風(fēng)機(jī)的合金，還會(huì)損壞為鼓風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力的電機(jī)的磁鐵和電氣元件。大多數(shù)鼓風(fēng)機(jī)還含有也會(huì)降解的潤(rùn)滑劑，如油。因此，用戶最終會(huì)得到可靠性非常低的鼓風(fēng)機(jī)，增加工廠的成本，并且SOFC 工廠需要每?jī)傻剿那�小時(shí)進(jìn)行一次大修。這一統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)未達(dá)到DOE的目標(biāo)，即SOFC的使用壽命為 40,000 小時(shí)，并且安裝成本從平均 12,000 美元/千瓦（電能千瓦）降低到 900 美元/千瓦。



Jose Luis Cordova 說：“因此，我們意識(shí)到 Mohawk 專有的無油柔性箔軸承 (CFB) 技術(shù)、專業(yè)涂層和數(shù)十年的渦輪機(jī)械專業(yè)知識(shí)非常適合應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)�！�

AM提供解決方案
DOE 的資金為 Mohawk 提供了在由 FuelCell Energy 運(yùn)營(yíng)的 SOFC 示范發(fā)電廠中設(shè)計(jì)和測(cè)試 AORB 原型的方法。在實(shí)際操作條件下進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，測(cè)試其耐用性和性能。最新的測(cè)試結(jié)果表明零件或輸出沒有顯著下降，并且完全消除了任何性能或可靠性問題。

然而，AORB 的成本仍然高得令人望而卻步，這在很大程度上是由于其高速離心葉輪，該葉輪在極端機(jī)械和熱應(yīng)力下連續(xù)運(yùn)行。為了獲得最長(zhǎng)的使用壽命，此零件必須由昂貴、高強(qiáng)度、鎳基、耐腐蝕的超合金材料制成，例如 Inconel 718 或 Haynes 282，這些材料難以加工或鑄造。在葉輪中實(shí)現(xiàn)最佳空氣動(dòng)力學(xué)效率需要復(fù)雜的三維幾何形狀，這對(duì)制造來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。除此之外，由于目前SOFC市場(chǎng)的初期性，葉輪的生產(chǎn)批量較小，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

為了應(yīng)對(duì)上述問題，增材制造提供了解決方案。在 FuelCell Energy 的原始項(xiàng)目不斷發(fā)展的同時(shí)，Mohawk 還接到了研發(fā)團(tuán)隊(duì)的電話，尋求燃料電池組件設(shè)計(jì)方面的幫助。Jose Luis Cordova 說：“由于這些制造商和集成商中的許多技術(shù)仍處于研究階段，因此每個(gè)制造商都有不同的操作條件，使用傳統(tǒng)制造，只制造他們想要的少數(shù)定制葉輪或蝸殼，成本會(huì)非常高。這就是我們開始關(guān)注 AM 的地方，我們對(duì) AM制造商進(jìn)行了調(diào)研，并與LPBF供應(yīng)商Velo3D建立了聯(lián)系�！�

能力合作
Jose Luis Cordova 指出：“以降低成本和提高 SOFC 性能為目標(biāo)，美國(guó)能源部對(duì)增材制造等創(chuàng)新制造方法充滿熱情，他們的資金（通過小型企業(yè)工業(yè)研究項(xiàng)目）支持我們目前與 Velo3D 的合作伙伴關(guān)系以及與 FuelCell Energy 的合作伙伴關(guān)系。”

Velo3D 的Mohawk項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，Matt Karesh說：“與像Mohawk這樣的公司攜手合作，他們?cè)敢馀c我們合作并向我們提供反饋，推動(dòng)我們內(nèi)部工藝參數(shù)和能力的進(jìn)步，并幫助指導(dǎo)我們?nèi)绾胃倪M(jìn)我們的打印方法�！�

AM的成本降低
Jose Luis Cordova 說：“我們傳統(tǒng)的減材制造葉輪每件售價(jià)高達(dá) 15,000 至 19,000 美元。當(dāng)我們 3D 打印它們時(shí)，小批量生產(chǎn)可以一次打印8個(gè)，而不是一次一個(gè)，成本降低非常顯著，可以到達(dá)500到600美元。除了降低制造成本外，LPBF 還是一種可以提供設(shè)計(jì)靈活性的技術(shù)。AM 對(duì)葉輪葉片的數(shù)量、它們的角度或間距沒有任何限制，所有這些都對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)效率有直接影響。我們現(xiàn)在擁有實(shí)現(xiàn)更高性能旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)和降低相關(guān)制造成本所需的幾何精度，”



選擇合適的材料
在 Velo3D Sapphire 系統(tǒng)上打印的葉輪（在 Velo3D 全球網(wǎng)絡(luò)中的合同制造商 Duncan Machine），選擇使用 Inconel 718，這是一種耐高溫的鎳基合金，可以有更大的軸承承載能力。

“Inconel 具有足夠的化學(xué)惰性，并且在相當(dāng)高的溫度下仍能保持其機(jī)械性能，絕對(duì)超過鋁或鈦，”Mohawk 的機(jī)械工程師 Hannah Lea 說。

雖然 Velo3D 已經(jīng)確定選擇了Inconel 718，但 Mohawk 進(jìn)行了額外的材料研究，以增加關(guān)于 3D 打印版高溫合金的知識(shí)體系。測(cè)試表明，LPBF 3D 打印的 Inconel 718 具有高于鑄造材料的機(jī)械性能，例如屈服應(yīng)力和蠕變耐受性，高應(yīng)力離心鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)應(yīng)用來說至關(guān)重要。

不斷改進(jìn)
隨著葉輪工作的進(jìn)展，Mohawk 的工程師與 Velo3D 專家就設(shè)計(jì)迭代、修改和打印策略進(jìn)行了合作�！斑@真的很有趣，因?yàn)槲覀儾槐貙?duì)我們正在使用的原始葉輪進(jìn)行任何重大的設(shè)計(jì)更改 -，使用 Velo3D 的藍(lán)寶石系統(tǒng)，我們可以打印我們想要的東西，”Jose Luis Cordova 說�！霸谥�撐結(jié)構(gòu)考慮和表面粗糙度方面進(jìn)行了一些工藝調(diào)整和修改�！�

隨著葉輪項(xiàng)目的進(jìn)展，AM 提供的周轉(zhuǎn)時(shí)間比鑄造或銑削所允許的要快得多，因?yàn)榭梢钥焖俅蛴　⒃u(píng)估、迭代和再次打印零件。在隨后的 3D 打印運(yùn)行中，可以在同一構(gòu)建板上同時(shí)制作多個(gè)新舊葉輪設(shè)計(jì)示例，以比較結(jié)果。葉輪尺寸相對(duì)較小（直徑 60 毫米），因此團(tuán)隊(duì)需要開發(fā)“犧牲罩”——一種臨時(shí)的打印外殼，以保證葉片的真實(shí)尺寸和精度。



犧牲護(hù)罩和更光滑的表面
Velo3D 的 Matt Karesh 說：“對(duì)于大多數(shù)當(dāng)前的增材技術(shù)，帶罩葉輪基本上是不可直接打印的，因?yàn)樗�需要支撐結(jié)構(gòu)。我們使用了一種減少支持的方法�！盡ohawk指出：“ 使用 Velo3d 的技術(shù)，能夠在葉輪上構(gòu)建一次性護(hù)罩，獲得他們想要的翼型和流路形狀，然后通過非常簡(jiǎn)單的機(jī)加工操作來移除護(hù)罩。”

根據(jù)Mohawk工程師 Rochelle Wooding 的說法，表面光潔度是另一個(gè)重點(diǎn)�！霸谖覀�?cè)缙诘牡�代中，零件表面還是有點(diǎn)粗糙。犧牲護(hù)罩的有趣之處在于，它為我們提供了一條穿過葉片的流動(dòng)路徑，我們可以使用該路徑通過擠壓珩磨來校正粗糙度；需要進(jìn)一步確定要向刀片添加多少材料才能達(dá)到我們想要的所需刀片厚度。我們獲得的最終表面光潔度與鑄件相當(dāng)，并且符合我們的空氣動(dòng)力學(xué)目的�！�

未來前景
下一步是用新的葉輪改裝 AORB 并在現(xiàn)場(chǎng)條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。Jose Luis Cordova 指出：“我們希望這兩項(xiàng)任務(wù)的成功執(zhí)行將充分證明 LPBF 技術(shù)交付的 3D 打印 Inconel 零件是制造渦輪機(jī)械部件的可行且可靠的替代方案，使用 AM 制造其他鼓風(fēng)機(jī)部件（如外殼和蝸殼）的工作已經(jīng)在進(jìn)行中。通過這些 DOE 資助的項(xiàng)目，我們已經(jīng)能夠開發(fā)一個(gè)通用部件庫(kù)。“