Caterpillar 將利用3D打印提升重型柴油發(fā)動機燃油經濟性

來源：3D科學谷

2018年10月，GE航空位于阿拉巴馬州的奧本工廠，順利生產了第3萬個3D打印燃油噴嘴頭。雖然燃油噴嘴只是航空發(fā)動機中一個不起眼的小部件，但GE 通過3D打印技術制造的噴嘴與上一代產品相比有著顯著的不同，其重量比上一代輕25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。安裝了這款燃油噴嘴的GE LEAP飛機發(fā)動機，也因在燃油經濟性上的表現(xiàn)，已經獲得了超過1.6萬臺的總訂單數(shù)量，總價值超過2,360億美元。

根據GE，最終的燃油噴嘴頂部結構只有核桃般大小，里面卻有14條精密的流體通道。如此復雜的結構通過傳統(tǒng)的制造加工方式嘗試了8次，但每次都失敗了，在多番嘗試之后GE 通過金屬3D打印技術實現(xiàn)了這種優(yōu)化燃油噴嘴結構的制造，并最終走向了量產。

3D打印技術在制造復雜燃燒部件中所發(fā)揮的價值是顯著的，而這一價值除了受到了航空航天發(fā)動機制造商與燃氣輪機制造商的重視之外，也引起民用發(fā)動機制造商的重視。近日，世界領先的建筑/采礦設備和柴油發(fā)動機制造商卡特彼勒（Caterpillar ）正在推動3D打印技術在優(yōu)化重型柴油發(fā)動機燃料噴霧幾何結構中的應用。

提高燃油經濟性
卡特彼勒（Caterpillar ）與美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory ）正在聯(lián)手研發(fā)重型柴油發(fā)動機, 雙方團隊將合作優(yōu)化Caterpillar C15發(fā)動機的活塞和燃料噴霧幾何結構，從而提高這款發(fā)動機的效率、減少排放。他們采用的發(fā)動機優(yōu)化技術包括仿真、高性能計算和增材制造/3D打印。

Section view_Convergent Science圖：研究人員使用耦合共軛傳熱和計算流體動力學模型創(chuàng)建了發(fā)動機幾何結構的預測橫截面視圖，顯示了缸內和金屬活塞溫度。

來源：Convergent Science和美國阿貢國家實驗室。

卡特彼勒和阿貢國家實驗室的目標是為柴油發(fā)動機設計開發(fā)突破性的解決方案。雙方將建造和測試重型柴油發(fā)動機，以減少排放并提高燃油經濟性。此外，合作的另一個目標是降低制造設計成本，縮短將科研技術應用到工業(yè)規(guī)模制造流程中所需的交付周期。

阿貢國家實驗室的高性能計算仿真和卡特彼勒的柴油發(fā)動機與增材制造設備將在合作的多個階段協(xié)同工作。在合作時，雙方會將卡特彼勒的發(fā)動機專業(yè)知識與阿貢實驗室在燃料噴霧和燃燒建模方面的專業(yè)知識相結合，并在這一過程中使用計算流體動力學軟件包CONVERGE與實驗室的高性能計算系統(tǒng)。

根據市場觀察，卡特彼勒擁有先進的單缸和多缸發(fā)動機測試設備，以及種類全面的3D打印設備。該公司有推動發(fā)動機仿真極限的歷史，并且是建模能力優(yōu)化的持續(xù)支持者。

根據市場研究，卡特彼勒早在1990年就建立了快速原型實驗室，該實驗室使用了大量的3D打印設備來制造推土機、挖掘機以及其他設備的零件原型，并且為生產車間制造工具。后來該實驗室并入卡特彼勒成立的增材制造集團，集團使用FDM,SLA, SLS等3D打印設備制造測量工具、展示模型，組裝夾具，手工具以及其他的功能部件。2016年，卡特彼勒在美國的研發(fā)中心成立了3D打印與創(chuàng)新加速器，從產品創(chuàng)新、為增材制造而設計和鑄造三個方向推進3D打印技術的應用和成果轉化。

圖：卡特彼勒通過金屬粉末床熔化技術3D打印的燃油混合器

經過多年的摸索，卡特彼勒將3D打印的零部件引入到其供應鏈中。目前卡特彼勒生產的3D打印零件主要用于售后市場，包括提供給經銷商用于設備的維修和零件更換。舉例來說，用于安裝在自動平地機上的墊圈，這些墊圈由3D打印彈性塑料制造出來。由于這些墊圈在售后市場上消耗量很小，通過3D打印技術從而節(jié)省了庫存所占用的資源。尤其是對于那些消耗量很小的備品備件，如果要重新開模來生產，成本會十分昂貴，卡特彼勒發(fā)現(xiàn)3D打印在重新制造這些高度專業(yè)化的組件方面具備明顯的優(yōu)勢，那就是小批量的經濟性和靈活性。

在與阿貢實驗室啟動重型柴油發(fā)動機創(chuàng)新研發(fā)項目之前，卡特彼勒就已經在積極的應用金屬3D打印技術。其中一個經典的例子是，由卡特彼勒的太陽能渦輪機公司生產的燃氣輪機需要采用傳統(tǒng)方法難以鑄造的帶復雜翅片設計的燃油混合器，卡特彼勒的團隊發(fā)現(xiàn)粉末床熔化金屬3D打印技術能夠制造出這種復雜的燃油混合器。通過3D打印所獲得的燃料混合器具有所要求的復雜內部通道。由于它是一種整體式的零件，所以不需要額外的組裝和焊接工作。

來源：3D科學谷