美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室成功用3D打印技術(shù)修復(fù)康明斯發(fā)動機(jī)

增材制造的好處之一是減少對存儲庫存的需求。從最終產(chǎn)品到更換零件到模具制造，3D打印可以使我們在需要的時(shí)間和地點(diǎn)打印出我們需要的產(chǎn)品，并以非常低的交貨時(shí)間完成定制。不過，3D打印的另一個(gè)應(yīng)用卻容易被忽視，那就是用于零件的修復(fù)。據(jù)南極熊了解，最近，能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)與康明斯發(fā)動機(jī)公司合作成功修復(fù)了康明斯的重型發(fā)動機(jī)缸蓋。之前南極熊就為大家詳解了3D打印技術(shù)在礦上機(jī)械修復(fù)上的應(yīng)用前景【詳解】礦機(jī)易損設(shè)備3D打印修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用探討

重型康明斯氣缸蓋在道路上長時(shí)間運(yùn)行后磨損，通常這些鑄鐵部件必須用新的鑄件代替，重新鑄造一個(gè)發(fā)動機(jī)缸蓋是昂貴且耗費(fèi)時(shí)間的。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室使用增材制造技術(shù)在受損位置沉積高性能合金，就像醫(yī)生補(bǔ)牙似的，為受損的部位“補(bǔ)”上了欠缺的部分。

Niyanth Sridharan是ORNL博士后研究助理，與同事Brian Jordan和Ryan Dehoff一起完成的此項(xiàng)工作。 根據(jù)Niyanth，這個(gè)修復(fù)的過程并不是那么容易。首先，這個(gè)受損的氣缸蓋被損壞的地方很關(guān)鍵，并不是普通的部位，而是燃油噴射通道附近受到損壞?？得魉雇ㄟ^常規(guī)的CNC銑削作業(yè)將損壞區(qū)域加工掉，然后將工作轉(zhuǎn)交給橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室。

然后，研究人員繪制需要加工部分的CAD文件，并使用G代碼對3D打印機(jī)進(jìn)行預(yù)編程，以便填充的金屬材料可以直接沉積在零件上，而不需要任何其他基板。G代碼被加載到DM3D的定向能量沉積系統(tǒng)，通過安裝在5軸CNC頭上的噴嘴將金屬粉末送入到需要修復(fù)的區(qū)域上。通過激光熔化金屬粉末逐層構(gòu)建完全致密的部分。這個(gè)過程的優(yōu)點(diǎn)是可用于現(xiàn)有零件的基礎(chǔ)上，使該工藝適用于修補(bǔ)和硬面涂層。

圖片來源：ORNL

不僅如此，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室還修改了DM3D的設(shè)備，添加了紅外傳感器來監(jiān)控溫度，并通過加熱器在修理/重建過程中避免鑄鐵內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的開裂。由于易于破裂，鑄鐵極難修復(fù)。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在鑄鐵材料中添加了高含量的鎳合金材料來避免開裂和提高部件的熱效率。在增材制造過程中，沉積的合金與現(xiàn)有鑄鐵結(jié)合。通過顯微鏡分析顯示出良好的附著力，但修補(bǔ)部件尚未在道路上進(jìn)行測試。

Niyanth表示，項(xiàng)目的下一步包括測試兩種材料的粘合性和接口的機(jī)械性能。之后，該團(tuán)隊(duì)將嘗試由康明斯提出的成分略微差異的合金。接下來的在役測試將是真正的測試，將通過發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)中的的強(qiáng)烈加熱/冷卻循環(huán)進(jìn)行測試。

這個(gè)有趣的研究顯示了3D打印容易被忽略的潛力：不僅可以更換零件，還可以修復(fù)甚至升級現(xiàn)有零件。

汽車行業(yè)將從這種應(yīng)用中獲益，經(jīng)銷商甚至第三方維修店可以通過3D打印維修所需的零件，不僅減少了庫存的需要，而且降低了訂購零件的運(yùn)輸成本和縮短了交貨時(shí)間。

3D打印尤其是DED定向能量沉積技術(shù)用于零件的修復(fù)并不是新鮮事情，在航空航天及能源領(lǐng)域已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用。具體來說，這些修復(fù)的零件基本上具有一定的共性，包括零件附加值高、昂貴、大型、精密。有的材料的成本還很高，尤其是航空航天領(lǐng)域的高溫合金零件。

那么對于這些昂貴的零件來說，在經(jīng)過多年運(yùn)轉(zhuǎn)受到磨損后影響正常性能的情況下，扔掉它們無疑對制造的經(jīng)濟(jì)性是非常不劃算的。而3D打印技術(shù)可以說“挽救”了這些零件的“生命”，通過修補(bǔ)的方法，使得這些零件恢復(fù)其使用價(jià)值。

汽車再制造是一項(xiàng)頗具可行性的產(chǎn)業(yè)，有調(diào)查顯示，新制造一臺汽車發(fā)動機(jī)的能耗比再制造多出10倍;再制造一臺汽車發(fā)電機(jī)的能耗是新制造的1/7。因此，再制造不僅可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，也能同時(shí)獲得不可估量的環(huán)境效益和社會效益。這在提倡綠色制造的今天具有非常積極的意義。

而毋庸置疑，3D打印技術(shù)將在零件的再制造領(lǐng)域發(fā)揮積極的價(jià)值。而這對于探索3D打印技術(shù)的商業(yè)模式的企業(yè)來說，再制造可以作為市場的一個(gè)切入點(diǎn)來進(jìn)行布局。
來源：3D科學(xué)谷
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