Caterpillar 將利用3D打印提升重型柴油發動機燃油經濟性
2018年10月，GE航空位于阿拉巴馬州的奧本工廠，順利生產了第3萬個3D打印燃油噴嘴頭。雖然燃油噴嘴只是航空發動機中一個不起眼的小部件，但GE 通過3D打印技術制造的噴嘴與上一代產品相比有著顯著的不同，其重量比上一代輕25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。安裝了這款燃油噴嘴的GE LEAP飛機發動機，也因在燃油經濟性上的表現，已經獲得了超過1.6萬臺的總訂單數量，總價值超過2,360億美元。
根據GE，最終的燃油噴嘴頂部結構只有核桃般大小，里面卻有14條精密的流體通道。如此復雜的結構通過傳統的制造加工方式嘗試了8次，但每次都失敗了，在多番嘗試之后GE 通過金屬3D打印技術實現了這種優化燃油噴嘴結構的制造，并最終走向了量產。
3D打印技術在制造復雜燃燒部件中所發揮的價值是顯著的，而這一價值除了受到了航空航天發動機制造商與燃氣輪機制造商的重視之外，也引起民用發動機制造商的重視。近日，3D科學谷就看到了世界領先的建筑/采礦設備和柴油發動機制造商卡特彼勒（Caterpillar ）正在推動3D打印技術在優化重型柴油發動機燃料噴霧幾何結構中的應用。
提高燃油經濟性
卡特彼勒（Caterpillar ）與美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory ）正在聯手研發重型柴油發動機, 雙方團隊將合作優化Caterpillar C15發動機的活塞和燃料噴霧幾何結構，從而提高這款發動機的效率、減少排放。他們采用的發動機優化技術包括仿真、高性能計算和增材制造/3D打印。
圖：研究人員使用耦合共軛傳熱和計算流體動力學模型創建了發動機幾何結構的預測橫截面視圖，顯示了缸內和金屬活塞溫度。
來源：Convergent Science和美國阿貢國家實驗室。卡特彼勒和阿貢國家實驗室的目標是為柴油發動機設計開發突破性的解決方案。雙方將建造和測試重型柴油發動機，以減少排放并提高燃油經濟性。此外，合作的另一個目標是降低制造設計成本，縮短將科研技術應用到工業規模制造流程中所需的交付周期。
阿貢國家實驗室的高性能計算仿真和卡特彼勒的柴油發動機與增材制造設備將在合作的多個階段協同工作。在合作時，雙方會將卡特彼勒的發動機專業知識與阿貢實驗室在燃料噴霧和燃燒建模方面的專業知識相結合，并在這一過程中使用計算流體動力學軟件包CONVERGE與實驗室的高性能計算系統。
卡特彼勒擁有先進的單缸和多缸發動機測試設備，以及種類全面的3D打印設備。該公司有推動發動機仿真極限的歷史，并且是建模能力優化的持續支持者。
卡特彼勒早在1990年就建立了快速原型實驗室，該實驗室使用了大量的3D打印設備來制造推土機、挖掘機以及其他設備的零件原型，并且為生產車間制造工具。后來該實驗室并入卡特彼勒成立的增材制造集團，集團使用FDM,SLA, SLS等3D打印設備制造測量工具、展示模型，組裝夾具，手工具以及其他的功能部件。2016年，卡特彼勒在美國的研發中心成立了3D打印與創新加速器，從產品創新、為增材制造而設計和鑄造三個方向推進3D打印技術的應用和成果轉化。
圖：卡特彼勒通過金屬粉末床熔化技術3D打印的燃油混合器
經過多年的摸索，卡特彼勒將3D打印的零部件引入到其供應鏈中。目前卡特彼勒生產的3D打印零件主要用于售后市場，包括提供給經銷商用于設備的維修和零件更換。舉例來說，用于安裝在自動平地機上的墊圈，這些墊圈由3D打印彈性塑料制造出來。由于這些墊圈在售后市場上消耗量很小，通過3D打印技術從而節省了庫存所占用的資源。尤其是對于那些消耗量很小的備品備件，如果要重新開模來生產，成本會十分昂貴，卡特彼勒發現3D打印在重新制造這些高度專業化的組件方面具備明顯的優勢，那就是小批量的經濟性和靈活性。
在與阿貢實驗室啟動重型柴油發動機創新研發項目之前，卡特彼勒就已經在積極的應用金屬3D打印技術。其中一個經典的例子是，由卡特彼勒的太陽能渦輪機公司生產的燃氣輪機需要采用傳統方法難以鑄造的帶復雜翅片設計的燃油混合器，卡特彼勒的團隊發現粉末床熔化金屬3D打印技術能夠制造出這種復雜的燃油混合器。通過3D打印所獲得的燃料混合器具有所要求的復雜內部通道。由于它是一種整體式的零件，所以不需要額外的組裝和焊接工作。
(責任編輯：admin)
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