殼牌和 GE Additive 合作開發(fā) 3D 打印氧氫微混合器

殼牌和GE Additive的聯(lián)合制造的氧氫微混合器3D打印展品

在 Formnext 2022 期間，殼牌國(guó)際公司和GE Additive公布了一個(gè)聯(lián)合設(shè)計(jì)和工程項(xiàng)目的成果：增材制造的氧氫微混合器。氧氫微混合器也稱為氫氧燃燒器，此類部件通常用于設(shè)計(jì)用于有效熔化金屬?gòu)U料的熔爐，或工業(yè)、煉油廠或發(fā)電渦輪機(jī)。該模型由鎳合金718使用Concept Laser M Line3D打印機(jī)生產(chǎn)，最初只是作為原型開發(fā)的，但隨著GE從事許多渦輪機(jī)研發(fā)項(xiàng)目，類似的東西有一天可能會(huì)找到最終用途。

“我們真的很想讓M Line通過(guò)它的步伐，并測(cè)試它的極限，”殼牌的增材技術(shù)主題專家Joost Kroon解釋說(shuō)?！拔覀兣cGE增材制造團(tuán)隊(duì)合作，同意應(yīng)用增材技術(shù)來(lái)重新構(gòu)想一個(gè)大型、復(fù)雜的零件，納入傳統(tǒng)上難以制造的通道。開發(fā)氧氫微混合器與我們公司在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮積極作用的戰(zhàn)略非常吻合?！?/span>

GE Additive的ATC研發(fā)

作為美國(guó)能源跨國(guó)公司 GE 的一個(gè)業(yè)務(wù)部門，GE Additive 專注于利用金屬 3D 打印潛力設(shè)計(jì)和制造零件。大部分工作發(fā)生在位于辛辛那提的 GE 增材技術(shù)中心 (ATC) 以及附近較新的 GE 增材工廠，在生產(chǎn)前優(yōu)化了兩個(gè)零件的設(shè)計(jì)和公司自身的技術(shù)。

GE 的 3D 打印燃料噴嘴頭是該設(shè)施開發(fā)的最引人注目的部件之一。該部件設(shè)計(jì)為比 CFM56 替代品輕 25%，燃油效率高 15%，已成為航空航天工業(yè) 3D 打印的典型代表，現(xiàn)已制造超過(guò) 140,000 次。

在過(guò)去十年中，GE 通過(guò)收購(gòu) Morris Technologies、Arcam 和 Concept Laser 建立了其 3D 打印能力。該公司不僅繼續(xù)銷售這些機(jī)器，而且使用它們來(lái)開發(fā)更多的航空航天零件。這些已在 GE90、GE9X 和 Catalyst 發(fā)動(dòng)機(jī)以及 GE-Safran Aircraft Engines 合資企業(yè) CFM International 的 LEAP 發(fā)動(dòng)機(jī)中得到應(yīng)用。

GE 的技術(shù)現(xiàn)在在國(guó)防領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎，它正在與美國(guó)陸軍合作開發(fā) GE T901 發(fā)動(dòng)機(jī)的替代品。為了擴(kuò)大其商業(yè)產(chǎn)品，該公司還推出了 3 系列 Binder Jet 3D 打印機(jī)，該平臺(tái)旨在實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)鑄件等大型金屬部件。

3D打印增強(qiáng)型微型混合器

殼牌和 GE Additive 的微混合器原型是作為聯(lián)合設(shè)計(jì)和工程項(xiàng)目的一部分開發(fā)的，旨在將 M 系列推向絕對(duì)極限。從一開始，GE Additive 工程師 Sonali Sonawane 的任務(wù)就是研究、設(shè)計(jì)和迭代零件的設(shè)計(jì)，然后在今年的 Formnext 貿(mào)易展上制造和展示。

具體來(lái)說(shuō)，Sonawane 的任務(wù)是想出一個(gè)大型、復(fù)雜的部件，該部件具有供氫氣和壓縮氧氣通過(guò)的通道。當(dāng)她和 GE Additive AddWorks 團(tuán)隊(duì)的同事選定氧氫微混合器后，他們發(fā)現(xiàn)他們能夠利用 3D 打印提供的設(shè)計(jì)自由度來(lái)開發(fā)具有結(jié)構(gòu)增強(qiáng)阻力特性的部件。

Sonawane 解釋說(shuō)：“我們的初步研究表明，現(xiàn)有的微混合器在采用傳統(tǒng)制造方式時(shí)通常是圓柱形的，以適應(yīng)儲(chǔ)罐、管道和噴嘴的復(fù)雜布局。為了增加復(fù)雜性，我們選擇了一個(gè)大的圓錐形設(shè)計(jì)，并且還從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到帶有 ISO 網(wǎng)格的彎曲結(jié)構(gòu)，以增加整體強(qiáng)度，而不是通常的平面結(jié)構(gòu)?！?/span>

將 330 多個(gè)獨(dú)立噴嘴組合成一個(gè)圓形圖案，由此產(chǎn)生的部件圍繞類似于斐波那契數(shù)列的圖案構(gòu)建，僅在花朵和花瓣中復(fù)制。該大型建筑高 296 毫米，直徑 484 毫米，經(jīng)過(guò)后期處理（并已在荷蘭阿姆斯特丹殼牌能源轉(zhuǎn)型園區(qū) (ETCA) 展出）。

雖然名義上是作為原型開發(fā)的，但微混合器也可以在 GE 更廣泛的能源業(yè)務(wù)中應(yīng)用。就在 2022 年 10 月，通用電氣還從美國(guó)能源部獲得了 660 萬(wàn)美元的資金，用于開發(fā)能夠燃燒更高水平氫氣的 F 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，使其更具可持續(xù)性。

殼牌參與微混合器的開發(fā)標(biāo)志著在石油和天然氣領(lǐng)域更廣泛采用 3D 打印的更廣泛趨勢(shì)。事實(shí)上，殼牌在今年早些時(shí)候與玻璃纖維增強(qiáng)專家 Poly Products 合作，還為其海上設(shè)施之一 3D 打印了過(guò)時(shí)部件，從而幫助其繞過(guò)了成本和交貨時(shí)間障礙。

殼牌 3D 打印卓越中心和車間的工程師

認(rèn)識(shí)到這種需求轉(zhuǎn)變，3D Systems 也將其經(jīng)過(guò)認(rèn)證的 CuNi30 3D 打印材料推向了市場(chǎng)。該合金最初是為 Huntington Ingalls Industries 的子公司 Newport News 開發(fā)的，當(dāng)暴露在 400°C (752°F) 到低溫 -270°C (-454°F) 的溫度范圍內(nèi)時(shí)，該合金具有出色的耐腐蝕性和高水平的穩(wěn)定性。

“鑒于這是迄今為止在M生產(chǎn)線上建造的最大和最復(fù)雜的零件之一，我們一直與慕尼黑的GE添加劑團(tuán)隊(duì)保持密切聯(lián)系，并在阿姆斯特丹當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師的支持下提供支持。經(jīng)過(guò)一開始的一些調(diào)整，構(gòu)建在九天內(nèi)順利運(yùn)行，“Kieft-Leenders說(shuō)。

在設(shè)計(jì)階段 Sonawane Thakker 在混合器中加入了除粉孔，使得打印件的后處理變得更容易。該部件于11月初完成，并送到GE添加劑在Formnext的展位?；顒?dòng)結(jié)束后，微型混合器將被退回并在殼牌的ECTA展出。

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