美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成功用3D打印技術(shù)修復(fù)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)

增材制造的好處之一是減少對(duì)存儲(chǔ)庫(kù)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?cè)谛枰臅r(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(guò)，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(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)與康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)公司合作成功修復(fù)了康明斯的重型發(fā)動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)機(jī)缸蓋是昂貴且耗費(fèi)時(shí)間的。橡樹(shù)嶺國(guó)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(guò)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^(guò)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(shù)嶺國(guó)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(duì)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(guò)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(guò)激光熔化金屬粉末逐層構(gòu)建完全致密的部分。這個(gè)過(guò)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(lái)源：ORNL

不僅如此，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還修改了DM3D的設(shè)備，添加了紅外傳感器來(lái)監(jiān)控溫度，并通過(guò)加熱器在修理/重建過(guò)程中避免鑄鐵內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的開(kāi)裂。由于易于破裂，鑄鐵極難修復(fù)。橡樹(shù)嶺國(guó)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(lái)避免開(kāi)裂和提高部件的熱效率。在增材制造過(guò)程中，沉積的合金與現(xiàn)有鑄鐵結(jié)合。通過(guò)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(cè)試。

Niyanth表示，項(xiàng)目的下一步包括測(cè)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(lái)的在役測(cè)試將是真正的測(cè)試，將通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)中的的強(qiáng)烈加熱/冷卻循環(huán)進(jìn)行測(cè)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(jí)現(xiàn)有零件。

汽車(chē)行業(yè)將從這種應(yīng)用中獲益，經(jīng)銷(xiāo)商甚至第三方維修店可以通過(guò)3D打印維修所需的零件，不僅減少了庫(kù)存的需要，而且降低了訂購(gòu)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(lái)說(shuō)，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(duì)于這些昂貴的零件來(lái)說(shuō)，在經(jīng)過(guò)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(wú)疑對(duì)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(shuō)“挽救”了這些零件的“生命”，通過(guò)修補(bǔ)的方法，使得這些零件恢復(fù)其使用價(jià)值。

汽車(chē)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(tái)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗比再制造多出10倍;再制造一臺(tái)汽車(chē)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(huì)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(duì)于探索3D打印技術(shù)的商業(yè)模式的企業(yè)來(lái)說(shuō)，再制造可以作為市場(chǎng)的一個(gè)切入點(diǎn)來(lái)進(jìn)行布局。
來(lái)源：3D科學(xué)谷
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