案例洞悉金属3D打印独角兽在重工业中的应用

| 3DScienceValley · 2020/10/10

当Desktop Metal推出金属粘结剂喷射工艺的时候，国内市场的判断主要集中在两方面，一是粘结剂喷射金属3D打印工艺听起来并不新鲜，市场上有的公司早在多年之前就已经有了类似的技术；二是金属粉末以粘结剂的方式粘结在一起，还需要进一步的烧结工作去除掉粘结剂这些化学成分，市场上对该技术对产品的变形（缩小），以及零件的致密度颇有质疑。

不过随着Desktop Metal以材料技术、软件以及设备所形成的整体性的竞争实力，市场的关注更多的聚焦在Desktop Metal所开辟的应用机会。本期，3D科学谷与谷友根据Desktop Metal在重工业所获得的几个典型应用，来与谷友共同领略“小荷才露尖尖角、已有蜻蜓立上头”的间接金属3D打印技术应用场景。

Desktop Metal的生产型3D打印机。来源：Desktop Metal

重工业的痛点与机会

重工业是一个独特的行业，包括化工、石油和天然气、造船、铁路和采矿等。为重工业生产的零件通常是少量制造的，并且按订单设计以适合特定的应用和客户，其小批量生产的特点通常也导致交货时间长和成本高。

由于重工业机械庞大且资本密集，因此预期使用寿命较长。这意味着零件可能在首次制造后数年就需要更换，从而迫使公司跟踪和维护模具，以便可以根据需要生产零件。另一种选择是将大量的备件库存入库，不过这样带来巨大的资源占用和大量的后勤挑战。

由于重工业中使用的许多零件都是定制的，因此其制造通常需要定制的夹具和CNC数控加工编程，这增加了本来就很长的交货时间和高昂的非经常性工程（NRE）成本。

3D打印为重工业提供了一种节约成本的解决方案，当需要少量高度定制的零件时，无需模具即可大大简化生产。无论需要一个还是100个零件，每件成本和交货时间都保持不变。用户只需将设计上传到3D打印机，金属零件就可以在几天内制造出来并安装完毕。

太阳齿轮

Master Drilling这家公司位于南非的约翰内斯堡，专门制造大型机器，其中大部分用于采矿业，Master Drilling的许多钻机都有一个行星齿轮组，该行星齿轮组连接到电动机，然后再连接到钻头。

Master Drilling遇到一个挑战，需要更换齿轮组中的太阳齿轮，工程师试图从中国的一家铸造厂采购零件，并被告知这项工作将需要三个月才能完成，然而这对于公司来说是不可接受的延迟，他们需要迅速更换齿轮并快速使得设备重新运行。

太阳齿轮。来源：Desktop Metal

通过Desktop Metal的Studio 3D打印系统，仅在3周内就可以对齿轮进行打印、脱脂、烧结、后期加工和表面硬化处理。3D科学谷了解到通过齿轮的热处理，他们能够将硬度提高到43 HRC，后来通过等离子渗氮提高到64 HRC。Master Drilling可以将交货时间从3个月减少到3周，并且比传统制造更快地将钻头投入使用。

太阳齿轮。来源：Desktop Metal

超高温雾化器

作为排放控制和清洁空气燃烧系统的领先供应商，John Zink Hamworthy Combustion最近启动了一个项目，以重新设计用于液化天然气（LNG）油轮的UHT雾化器。

雾化器。来源：Desktop Metal

最初的简单雾化器在低负荷时燃烧器的调节比为15：1。为了创建新的雾化器，JZHC的工程师和设计师立即转向了增材制造。通过使用Desktop Metal的Studio 3D打印系统，3D科学谷了解到他们能够快速生产具有新型功能的雾化器设计原型，这些设计具有复杂的通道和不规则形状的孔等特征，而这些特征在传统制造中是不可能生产的，但却非常易于通过3D打印来实现。

这极大地改善了燃烧器中的燃料-空气混合物，使船舶减少了燃烧的燃料量。最终结果是新的雾化器，燃烧器的调节比从25：1显著提高，与早期设计相比提高了67％。由此，John Zink Hamworthy Combustion的客户每年可节省90,000美元至160,000美元的燃料。

金属增材制造允许在选择最终设计之前对UHT雾化器进行多次迭代设计。

井下工具滑移零件

该井下工具滑移零件是石油和天然气工业中的常见组件，用于压裂桥塞与已有管道之间保持摩擦。该零件已在Desktop Metal的Studio系统上进行原型设计，通过测试不同几何形状的面，以针对不同的泵送场景优化夹持力。通过金属3D打印，可以快速将不同几何形状产品快速生产出来，并进行性能测试。