利用金属增材制造推进模块化工艺强化

作者：Brian K.Paul（RAPID研究所模块化制造重点领域领导者）

麦肯锡公司运营部J. Bromberger和R. Kelly最近的市场研究《增材制造：制造商的长期改变者》中称，在2017年，航空航天、汽车和医疗保健行业正在迅速采用逐层方式进行机械几何形状的数字化制造。

金属增材制造（MAM）技术的实例包括连续金属粉末层的激光熔覆或金属粉末喷射到激光聚焦光束中，该激光被操纵以从下向上制造零件。到2020年，相关的增材制造市场预计每年至少达到200亿美元。此外，通过利用模块化学过程强化（MCPI）的力量减少成本、设备费用，特种化学品和太阳能热化学能源的增材制造也具有巨大潜力。

于生产利用太阳辐射的化学物质的太阳能盘模块

俄勒冈州立大学（OSU）和太平洋西北国家实验室（PNNL）与太平洋西北地区和其他地方的各个行业合作，正在学习使用增材制造技术设计和建造微通道化学反应器和热交换器，使其体积和重量减少5到10倍。

过去，俄勒冈州立大学帮助多家公司制造强化组件和反应器，并将它们推向市场。然而，对于小公司而言，集约化组件的规模扩大具有挑战性，通常需要与供应链合作伙伴进行长期开发合作，以利用现有能力或新制造设备的资本投资来进行生产。

增材制造的使用可以加速新的强化技术的采用，特别是在模块化结构中。

目前，俄勒冈州立大学和PNNL正在RAPID制造研究所的模块制造重点领域（MMFA）内开展工作，与PNNL的一家名为Star Technology Corp.的子公司（STARS）合作，推出新的太阳能热化学产品。

通过RAPID拨款，STARS将设立STARS模块的试生产，以支持现场演示。STARS化学转化技术支持多种应用，包括太阳能蒸汽甲烷重整（SMR），其中太阳能转化为化学效率超过70%，这是一个世界纪录，2014年曾获得R＆D 100奖。为了满足在盘的焦点处的太阳能机舱上的尺寸和重量预算，需要多个微通道部件。

该项目的目标之一是帮助STARS以最小的资本投入建立关键强化微通道组件的供应链。将STARS技术推向市场的一大障碍是这些强化组件的成本。除了传统的MAM方法之外，还需要额外的成本节约来渗透更大的公用事业规模的化学生产市场。

例如，热交换器销售的70％以上的商品成本来自资本和粉末成本;降低使用MAM生产微通道组件的成本需要能够解决这些成本驱动因素的新机床。

OSU先进技术和制造研究所（ATAMI）正在努力修改MAM工具，在激光致密化之前，使用喷墨打印头将材料喷射到粉末床，从而对材料的性能进行数字处理。

在RAPID计划中，该工具将用于开发具有高温强度和耐腐蚀性的新型金属基复合材料，能够将部件成本降低30％。

最近，俄勒冈州在未来18个月内提供了一个价值100万美元的高影响力机会项目（HIOP），以扩大俄勒冈州当前金属增材制造生态系统的能力。HIOP的目标是在该州内开发新的金属增材制造工艺、机床和材料。这些资金将用于利用当前的RAPID资助，其中正在开发的混合机器将用于探索具有增强的导热性的Ni基超级合金的开发。

这些努力将利用在构建周期期间选择性地掺杂或合金化金属部件的微结构的能力，从而能够在单个构造内定制材料特性。

PNNL设计的高温换热器可显著提高太阳能热化学反应器的效率在金属内部定制性能的能力将导致新的设计自由和在设计具有独特物理特性的较小、重量较轻的反应堆部件方面发生根本性变化。通过增加所生产组件的价值，组件制造商可以承担与增材制造工具相关的大量资本支出。

通过这种方式，利用RAPID资助项目的国家投资为建立新的供应链提供了机会，不仅可以用于支持模块化学过程强化的强化组件，还可以用于未来的航空航天和生物医学植入市场。随着时间的推移，对这些行业的累积经济影响可能是数十亿美元和数千个高薪工作。

来源：3D打印商情