美国橡树岭国家实验室成功用3D打印技术修复康明斯发动机

增材制造的好处之一是减少对存储库存的需求。从最终产品到更换零件到模具制造，3D打印可以使我们在需要的时间和地点打印出我们需要的产品，并以非常低的交货时间完成定制。不过，3D打印的另一个应用却容易被忽视，那就是用于零件的修复。据南极熊了解，最近，能源部橡树岭国家实验室的研究团队与康明斯发动机公司合作成功修复了康明斯的重型发动机缸盖。之前南极熊就为大家详解了3D打印技术在矿上机械修复上的应用前景【详解】矿机易损设备3D打印修复技术的应用探讨

重型康明斯气缸盖在道路上长时间运行后磨损，通常这些铸铁部件必须用新的铸件代替，重新铸造一个发动机缸盖是昂贵且耗费时间的。橡树岭国家实验室使用增材制造技术在受损位置沉积高性能合金，就像医生补牙似的，为受损的部位“补”上了欠缺的部分。

Niyanth Sridharan是ORNL博士后研究助理，与同事Brian Jordan和Ryan Dehoff一起完成的此项工作。 根据Niyanth，这个修复的过程并不是那么容易。首先，这个受损的气缸盖被损坏的地方很关键，并不是普通的部位，而是燃油喷射通道附近受到损坏。康明斯通过常规的CNC铣削作业将损坏区域加工掉，然后将工作转交给橡树岭国家实验室。

然后，研究人员绘制需要加工部分的CAD文件，并使用G代码对3D打印机进行预编程，以便填充的金属材料可以直接沉积在零件上，而不需要任何其他基板。G代码被加载到DM3D的定向能量沉积系统，通过安装在5轴CNC头上的喷嘴将金属粉末送入到需要修复的区域上。通过激光熔化金属粉末逐层构建完全致密的部分。这个过程的优点是可用于现有零件的基础上，使该工艺适用于修补和硬面涂层。

图片来源：ORNL

不仅如此，橡树岭国家实验室还修改了DM3D的设备，添加了红外传感器来监控温度，并通过加热器在修理/重建过程中避免铸铁内部应力导致的开裂。由于易于破裂，铸铁极难修复。橡树岭国家实验室的研究人员在铸铁材料中添加了高含量的镍合金材料来避免开裂和提高部件的热效率。在增材制造过程中，沉积的合金与现有铸铁结合。通过显微镜分析显示出良好的附着力，但修补部件尚未在道路上进行测试。

Niyanth表示，项目的下一步包括测试两种材料的粘合性和接口的机械性能。之后，该团队将尝试由康明斯提出的成分略微差异的合金。接下来的在役测试将是真正的测试，将通过发动机工作状态中的的强烈加热/冷却循环进行测试。

这个有趣的研究显示了3D打印容易被忽略的潜力：不仅可以更换零件，还可以修复甚至升级现有零件。

汽车行业将从这种应用中获益，经销商甚至第三方维修店可以通过3D打印维修所需的零件，不仅减少了库存的需要，而且降低了订购零件的运输成本和缩短了交货时间。

3D打印尤其是DED定向能量沉积技术用于零件的修复并不是新鲜事情，在航空航天及能源领域已经有着广泛的应用。具体来说，这些修复的零件基本上具有一定的共性，包括零件附加值高、昂贵、大型、精密。有的材料的成本还很高，尤其是航空航天领域的高温合金零件。

那么对于这些昂贵的零件来说，在经过多年运转受到磨损后影响正常性能的情况下，扔掉它们无疑对制造的经济性是非常不划算的。而3D打印技术可以说“挽救”了这些零件的“生命”，通过修补的方法，使得这些零件恢复其使用价值。

汽车再制造是一项颇具可行性的产业，有调查显示，新制造一台汽车发动机的能耗比再制造多出10倍;再制造一台汽车发电机的能耗是新制造的1/7。因此，再制造不仅可以获得较好的经济效益，也能同时获得不可估量的环境效益和社会效益。这在提倡绿色制造的今天具有非常积极的意义。

而毋庸置疑，3D打印技术将在零件的再制造领域发挥积极的价值。而这对于探索3D打印技术的商业模式的企业来说，再制造可以作为市场的一个切入点来进行布局。
来源：3D科学谷
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