利用金屬增材制造推進(jìn)模塊化工藝強(qiáng)化

作者：Brian K.Paul（RAPID研究所模塊化制造重點(diǎn)領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者）

麥肯錫公司運(yùn)營(yíng)部J. Bromberger和R. Kelly最近的市場(chǎng)研究《增材制造：制造商的長(zhǎng)期改變者》中稱(chēng)，在2017年，航空航天、汽車(chē)和醫(yī)療保健行業(yè)正在迅速采用逐層方式進(jìn)行機(jī)械幾何形狀的數(shù)字化制造。

金屬增材制造（MAM）技術(shù)的實(shí)例包括連續(xù)金屬粉末層的激光熔覆或金屬粉末噴射到激光聚焦光束中，該激光被操縱以從下向上制造零件。到2020年，相關(guān)的增材制造市場(chǎng)預(yù)計(jì)每年至少達(dá)到200億美元。此外，通過(guò)利用模塊化學(xué)過(guò)程強(qiáng)化（MCPI）的力量減少成本、設(shè)備費(fèi)用，特種化學(xué)品和太陽(yáng)能熱化學(xué)能源的增材制造也具有巨大潛力。

于生產(chǎn)利用太陽(yáng)輻射的化學(xué)物質(zhì)的太陽(yáng)能盤(pán)模塊

俄勒岡州立大學(xué)（OSU）和太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）與太平洋西北地區(qū)和其他地方的各個(gè)行業(yè)合作，正在學(xué)習(xí)使用增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)和建造微通道化學(xué)反應(yīng)器和熱交換器，使其體積和重量減少5到10倍。

過(guò)去，俄勒岡州立大學(xué)幫助多家公司制造強(qiáng)化組件和反應(yīng)器，并將它們推向市場(chǎng)。然而，對(duì)于小公司而言，集約化組件的規(guī)模擴(kuò)大具有挑戰(zhàn)性，通常需要與供應(yīng)鏈合作伙伴進(jìn)行長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)合作，以利用現(xiàn)有能力或新制造設(shè)備的資本投資來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。

增材制造的使用可以加速新的強(qiáng)化技術(shù)的采用，特別是在模塊化結(jié)構(gòu)中。

目前，俄勒岡州立大學(xué)和PNNL正在RAPID制造研究所的模塊制造重點(diǎn)領(lǐng)域（MMFA）內(nèi)開(kāi)展工作，與PNNL的一家名為Star Technology Corp.的子公司（STARS）合作，推出新的太陽(yáng)能熱化學(xué)產(chǎn)品。

通過(guò)RAPID撥款，STARS將設(shè)立STARS模塊的試生產(chǎn)，以支持現(xiàn)場(chǎng)演示。STARS化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)支持多種應(yīng)用，包括太陽(yáng)能蒸汽甲烷重整（SMR），其中太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)效率超過(guò)70%，這是一個(gè)世界紀(jì)錄，2014年曾獲得R＆D 100獎(jiǎng)。為了滿(mǎn)足在盤(pán)的焦點(diǎn)處的太陽(yáng)能機(jī)艙上的尺寸和重量預(yù)算，需要多個(gè)微通道部件。

該項(xiàng)目的目標(biāo)之一是幫助STARS以最小的資本投入建立關(guān)鍵強(qiáng)化微通道組件的供應(yīng)鏈。將STARS技術(shù)推向市場(chǎng)的一大障礙是這些強(qiáng)化組件的成本。除了傳統(tǒng)的MAM方法之外，還需要額外的成本節(jié)約來(lái)滲透更大的公用事業(yè)規(guī)模的化學(xué)生產(chǎn)市場(chǎng)。

例如，熱交換器銷(xiāo)售的70％以上的商品成本來(lái)自資本和粉末成本;降低使用MAM生產(chǎn)微通道組件的成本需要能夠解決這些成本驅(qū)動(dòng)因素的新機(jī)床。

OSU先進(jìn)技術(shù)和制造研究所（ATAMI）正在努力修改MAM工具，在激光致密化之前，使用噴墨打印頭將材料噴射到粉末床，從而對(duì)材料的性能進(jìn)行數(shù)字處理。

在RAPID計(jì)劃中，該工具將用于開(kāi)發(fā)具有高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性的新型金屬基復(fù)合材料，能夠?qū)⒉考杀窘档?0％。

最近，俄勒岡州在未來(lái)18個(gè)月內(nèi)提供了一個(gè)價(jià)值100萬(wàn)美元的高影響力機(jī)會(huì)項(xiàng)目（HIOP），以擴(kuò)大俄勒岡州當(dāng)前金屬增材制造生態(tài)系統(tǒng)的能力。HIOP的目標(biāo)是在該州內(nèi)開(kāi)發(fā)新的金屬增材制造工藝、機(jī)床和材料。這些資金將用于利用當(dāng)前的RAPID資助，其中正在開(kāi)發(fā)的混合機(jī)器將用于探索具有增強(qiáng)的導(dǎo)熱性的Ni基超級(jí)合金的開(kāi)發(fā)。

這些努力將利用在構(gòu)建周期期間選擇性地?fù)诫s或合金化金屬部件的微結(jié)構(gòu)的能力，從而能夠在單個(gè)構(gòu)造內(nèi)定制材料特性。

PNNL設(shè)計(jì)的高溫?fù)Q熱器可顯著提高太陽(yáng)能熱化學(xué)反應(yīng)器的效率在金屬內(nèi)部定制性能的能力將導(dǎo)致新的設(shè)計(jì)自由和在設(shè)計(jì)具有獨(dú)特物理特性的較小、重量較輕的反應(yīng)堆部件方面發(fā)生根本性變化。通過(guò)增加所生產(chǎn)組件的價(jià)值，組件制造商可以承擔(dān)與增材制造工具相關(guān)的大量資本支出。

通過(guò)這種方式，利用RAPID資助項(xiàng)目的國(guó)家投資為建立新的供應(yīng)鏈提供了機(jī)會(huì)，不僅可以用于支持模塊化學(xué)過(guò)程強(qiáng)化的強(qiáng)化組件，還可以用于未來(lái)的航空航天和生物醫(yī)學(xué)植入市場(chǎng)。隨著時(shí)間的推移，對(duì)這些行業(yè)的累積經(jīng)濟(jì)影響可能是數(shù)十億美元和數(shù)千個(gè)高薪工作。

來(lái)源：3D打印商情