“3D打印重新定義了制造業。千百年來，制造業是一種減法：拿到原材料，車銑刨磨，去除多余的部分，最終成型；3D打印則讓制造業變成了一種不斷添加原材料的加法。”西門子瑞(rui)典芬斯蓬工廠CEO漢斯·霍姆斯特龍（Hans Holmstrom）向澎湃新(xin)聞(wen)（www.thepaper.cn）記者介紹起這項技術(shu)時，充(chong)滿了一種他自稱(cheng)為“工程師(shi)的激動”的情緒。

　　從“減法”到“加法”的比喻，點出了3D打印的本質：增材制造（Additive Manufacturing, AM），即在數字化 3D 設計數據的基礎上逐層制造零部件的生產工藝。

　　芬斯(si)蓬工廠自2009年開始嘗試，將增(zeng)材(cai)制造(zao)用于(yu)燃氣輪機的原型設計、維修(xiu)和生產。西(xi)門(men)子提供的數據顯示，增(zeng)材(cai)制造(zao)使生產資源(yuan)減少(shao)了(le)63%，維修(xiu)速(su)度提升60％，交貨期縮短50%。

　　不(bu)過，比起生產(chan)和維修，霍姆斯特(te)龍更(geng)(geng)看重(zhong)增(zeng)材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)對加快(kuai)原型設計的影響：“最重(zhong)要的不(bu)是(shi)更(geng)(geng)快(kuai)地(di)制(zhi)(zhi)造(zao)，而是(shi)更(geng)(geng)快(kuai)地(di)設計。這簡直是(shi)工程師的終極夢想。通過數字(zi)建模(mo)，試誤(wu)(wu)幾乎是(shi)零(ling)成本。重(zhong)復一(yi)百次失誤(wu)(wu)，你就可能有(you)一(yi)次大收獲(huo)。”

　　芬斯蓬與燃氣輪機

　　燃氣(qi)輪機是(shi)以連續流動的氣(qi)體帶動葉輪高(gao)速旋轉的內燃式發動機。重(zhong)型燃氣(qi)輪機是(shi)大型天然(ran)氣(qi)發電(dian)廠的核心裝備，也是(shi)公(gong)認最難制造(zao)的機械裝備之(zhi)一，其核心關鍵技術為(wei)西門子(zi)、GE等(deng)制造(zao)業巨頭掌(zhang)握。

　　芬斯(si)蓬(peng)這座人口不過(guo)萬余的(de)瑞典(dian)東(dong)約特(te)蘭省小城，與燃氣輪(lun)機產(chan)業有(you)著超過(guo)一(yi)個世紀的(de)淵源(yuan)。芬斯(si)蓬(peng)向東(dong)半小時車(che)程，是東(dong)部港(gang)口城市北雪(xue)平，有(you)“瑞典(dian)的(de)曼徹(che)斯(si)特(te)”之稱。

　　西門子芬斯(si)蓬(peng)工(gong)廠(chang)生產或組裝的(de)上百噸重的(de)燃氣輪機，包(bao)括(kuo)全(quan)球(qiu)銷量超過325臺的(de)SGT－800，會被整(zheng)體裝車(che)，運(yun)向北雪(xue)平港，從波羅(luo)的(de)海出發，輸(shu)往世界各(ge)地的(de)客戶。

　　這個區域是瑞典工業化起源地之一。16世紀，德格爾家族看中了芬斯蓬的森林和河流資源，在山上一塊巖石裸露的平地建立工廠，為皇室生產大炮和炮彈。1913年，芬斯蓬工廠開始生產渦輪機，工廠幾易其主，但渦輪機產業始終不變。迄今為止，芬斯蓬工廠售出超過800臺燃氣輪機，2300臺蒸汽輪機，其中(zhong)95%的產品向100多個國家出口。

　　西門(men)子(zi)(zi)于2003年收購工(gong)廠(chang)，成(cheng)為北(bei)雪(xue)平和芬(fen)斯蓬(peng)最大的(de)私營雇(gu)主(zhu)。芬(fen)斯蓬(peng)市中心人(ren)(ren)口(kou)只有數千(qian)，而西門(men)子(zi)(zi)工(gong)廠(chang)雇(gu)傭了3300員工(gong)，將近一半為當地人(ren)(ren)。

　　在芬斯蓬工(gong)廠，澎湃新聞記者(zhe)看到(dao)身穿黃色安全服的(de)(de)(de)工(gong)人正在組(zu)裝大小(xiao)各異、處于不同裝配階段的(de)(de)(de)燃氣(qi)(qi)輪(lun)機(ji)。據介紹，芬斯蓬工(gong)廠負責(ze)生產功率從(cong)15MW到(dao)50MW（1MW=1000KW）的(de)(de)(de)中(zhong)型燃氣(qi)(qi)輪(lun)機(ji)，即從(cong)SGT-500到(dao)SGT-800的(de)(de)(de)5個型號。此外，英國生產的(de)(de)(de)更小(xiao)功率SGT-300和SGT-400，以及北美(mei)生產的(de)(de)(de)航(hang)改型燃氣(qi)(qi)輪(lun)機(ji) Industrial Trent 60，也會運至芬斯蓬工(gong)廠成套。

　　2016年2月(yue)，西門子投資2000多萬歐元，將芬斯(si)蓬一處(chu)遷出(chu)的學校改造(zao)成了西門子工(gong)業(ye)型(xing)(xing)燃(ran)氣(qi)輪機3D打印研(yan)發基(ji)地和工(gong)廠(chang)，負(fu)責燃(ran)氣(qi)輪機零部(bu)件的快(kuai)速(su)(su)原型(xing)(xing)設計、快(kuai)速(su)(su)維修和快(kuai)速(su)(su)生產(chan)。2016年7月(yue)，3D打印零件開始商業(ye)化制造(zao)。

　　3D打印燃氣輪機零件：技術和挑戰

　　走進(jin)芬斯蓬(peng)西(xi)門(men)子(zi)工業型燃氣輪(lun)(lun)機(ji)3D打(da)印(yin)研發基(ji)地(di)(di)和工廠，多處裝修(xiu)和陳設還保(bao)留著(zhu)原先(xian)學校的(de)痕跡。只(zhi)有(you)每個房間擺放著(zhu)的(de)大(da)大(da)小小、五顏六(liu)色的(de)燃氣輪(lun)(lun)機(ji)模型在(zai)不(bu)斷地(di)(di)點(dian)題。霍姆斯特龍介(jie)紹道，這里將會進(jin)行(xing)較大(da)的(de)改造(zao)，以適應對3D打(da)印(yin)的(de)后續(xu)投入和規模擴充。

　　而穿上(shang)安全服、戴上(shang)護目鏡才能(neng)進入的工(gong)作間(jian)，又是另(ling)一種(zhong)畫風。工(gong)作間(jian)大致分為原型設計、打(da)(da)印(yin)、維修和后期處理四個區(qu)域，共配有12臺3D打(da)(da)印(yin)機，由(you)德國EOS公司(si)生(sheng)產。

　　澎湃新聞記者注意到，在3D打印機(ji)全天(tian)候工(gong)作時(shi)，工(gong)作間幾乎沒有(you)工(gong)作人員。芬斯蓬工(gong)廠產品經理(li)安(an)德斯·佩森（Anders Persson）解釋道，工(gong)作間采用了數(shu)字化管理(li)系(xi)統，只需(xu)少量人力操作。

　　走近(jin)自(zi)動工(gong)作的(de)(de)打印機，透(tou)過(guo)泛(fan)出(chu)綠光的(de)(de)玻璃窗口(kou)，可以看到4個綠色光點(dian)正(zheng)沿著特定(ding)的(de)(de)路徑，在一(yi)(yi)(yi)(yi)層白色的(de)(de)粉末上快速移動，留下(xia)凝固成(cheng)型的(de)(de)銀灰色金屬(shu)圖案。接著，工(gong)作平(ping)臺向下(xia)降低(di)一(yi)(yi)(yi)(yi)級，一(yi)(yi)(yi)(yi)條(tiao)金屬(shu)片掃過(guo)整個平(ping)臺，重新鋪(pu)滿白色粉末，進行新一(yi)(yi)(yi)(yi)層的(de)(de)金屬(shu)圖案繪制。

　　佩森介(jie)紹道(dao)，打(da)印的(de)每一層金屬厚度大約在(zai)0.02mm到(dao)0.04mm之間，比(bi)頭發絲還細。正(zheng)在(zai)打(da)印的(de)這個燃氣輪機(ji)零件，共由9000多層構成。算(suan)法可(ke)以檢(jian)測(ce)每一層出現(xian)的(de)漏洞，然(ran)后(hou)實現(xian)自我(wo)修正(zheng)。

　　這是一種名為選(xuan)(xuan)擇性激光熔化（SLM）的(de)增材制造技術(shu)。與激光燒結（SLS）技術(shu)相比，選(xuan)(xuan)擇性激光熔化打印機(ji)控制激光在鋪設好的(de)粉(fen)末上方(fang)，選(xuan)(xuan)擇性地對(dui)粉(fen)末進行照射，將(jiang)金(jin)(jin)屬(shu)粉(fen)末加熱到完(wan)全熔化后成(cheng)型(xing)(xing)，不需要黏合劑，成(cheng)型(xing)(xing)的(de)金(jin)(jin)屬(shu)零件致密度和力(li)學(xue)性能(neng)都更好。

 　不(bu)過，發電領域(yu)給3D打(da)印工藝提出了(le)更高的(de)要求。以燃(ran)氣輪機(ji)為例(li)，首先，零件熱負(fu)荷接近于所用金屬的(de)熔(rong)點(dian)；其次，渦輪葉片所承受的(de)離心力是凈重力的(de)10000倍；最后(hou)，葉片尖端(duan)的(de)線速度接近聲速。

　　西門子是率先利用選擇性激光熔化技術生產燃氣輪機和蒸汽輪機金屬部件的企業之一。那么，這些3D打印工藝而成的零件，上崗后表現如何呢？

　　13合1

　　佩森介紹道，應(ying)用在燃(ran)氣輪機(ji)上的(de)3D打印部件展現出了(le)相同的(de)安全性和可靠性，效率和可持續(xu)性方面也具有優勢。

　　芬斯蓬工廠目(mu)前采(cai)用3D打印(yin)制造的(de)燃氣輪(lun)機零件，集中在燃燒室部(bu)分。相關工程人(ren)員著重介紹了SGT-800燃燒室前端。在傳統(tong)生產過程中，這個(ge)部(bu)位(wei)由(you)13個(ge)部(bu)件和18個(ge)焊(han)接點組成，而3D打印(yin)技(ji)術將(jiang)其作為整體打印(yin)，生產時(shi)間由(you)數(shu)月縮(suo)短到一兩周。

　　這(zhe)些經過3D打印設計(ji)制(zhi)造的燃(ran)燒室，支持更高燃(ran)燒溫度，可(ke)以處理高達60%的氫與天(tian)(tian)然(ran)氣(qi)的共燃(ran)。由于氫氣(qi)比天(tian)(tian)然(ran)氣(qi)便(bian)宜(yi)，相比起純天(tian)(tian)然(ran)氣(qi)燃(ran)料，每年可(ke)以節(jie)省300萬歐(ou)元。

　　而在(zai)(zai)西(xi)門(men)子的(de)另一個燃(ran)氣(qi)輪(lun)機工(gong)廠——英(ying)國(guo)林肯工(gong)廠，3D打印技術對SGT-400燃(ran)氣(qi)輪(lun)機的(de)葉片進行(xing)了(le)重(zhong)新設計，利(li)用多晶鎳超合金粉末制造，并改進了(le)冷(leng)卻性能。在(zai)(zai)滿負(fu)荷核心機測試中(zhong)，葉片被(bei)高(gao)于1250攝氏度的(de)高(gao)溫氣(qi)體(ti)包圍(wei)，運行(xing)速度超過每(mei)小(xiao)時1600公里，相當于受力(li)11噸。

　　英國林肯工廠在3D打印(yin)燃氣輪機葉片(pian)上取得的(de)進展，與西(xi)門子2016年(nian)收(shou)購的(de)英國3D打印(yin)公(gong)司(si)Materials Solutions有(you)著緊密(mi)的(de)關聯，后者專門生產渦(wo)輪機高溫應用的(de)高性能部件。

　　不會代替大規模制造

　　波音、惠普(pu)、巴斯夫(fu)、拜耳(er)、霍尼韋爾等(deng)企業也在加緊(jin)3D打印材料、裝(zhuang)備、軟件系統、服(fu)務等(deng)領域的產(chan)業滲透。西門子的主要競爭對手GE，在2016年斥巨資收(shou)購了金屬3D打印德國ConceptLaser公(gong)司和瑞典Arcam公(gong)司75%的股權(quan)。

　　在這(zhe)股大潮(chao)下(xia)，西門子怎樣部署3D打印的未來？西門子全球分布式發電業務(wu)(wu)及(ji)石油與(yu)天然氣服務(wu)(wu)CEO索比約恩(en)·福爾斯（Thorbjorn Fors）直白地說(shuo)道：“西門子不會制造3D打印機(ji)，我們要做的是(shi)如(ru)何使用好3D打印機(ji)。”

　　芬(fen)斯蓬工廠(chang)現(xian)有的(de)12臺(tai)3D打(da)印機(ji)，來自德國EOS公(gong)司。其(qi)中(zhong)，有4臺(tai)是專門適(shi)應(ying)西門子的(de)需求，進行過軟件(jian)(jian)改造的(de)定(ding)制修(xiu)復(fu)打(da)印機(ji)。芬(fen)斯蓬工廠(chang)此前長期回收(shou)磨(mo)損的(de)燃氣輪機(ji)零件(jian)(jian)，進行修(xiu)復(fu)，像前文提到的(de)曾由13個(ge)部件(jian)(jian)和(he)18個(ge)焊接點組成和(he)燃燒室前端(duan)，以往需要大(da)規模的(de)切(qie)斷(duan)、重(zhong)鑄。現(xian)在，定(ding)制的(de)3D打(da)印機(ji)只需要截去頂部的(de)24mm，快速打(da)印，交貨時間縮短60%。

　　霍姆斯特龍也強調，3D打印技術暫時不會代替大規模制造。西門子將著力發揮自身的軟件和控制數字化優勢，有信心在3D打印原型設計中領先一個身位。

　　霍姆斯特龍(long)舉了一(yi)個例子，顯示芬斯蓬工(gong)廠(chang)已經開始為第三方提(ti)供(gong)3D打(da)(da)印服務。前不久，工(gong)廠(chang)為斯洛文尼(ni)亞的Kr?ko核(he)電站提(ti)供(gong)了解(jie)決方案：核(he)電站循環水(shui)泵的一(yi)個直(zhi)徑(jing)108mm的金屬葉(xie)片(pian)需要換新，而原生產商已停止(zhi)生產。芬斯蓬工(gong)廠(chang)通(tong)過3D打(da)(da)印技術對葉(xie)片(pian)進行(xing)了重新設計和制造，新葉(xie)片(pian)已在(zai)核(he)電站中安全運行(xing)。

　　在虛擬的(de)(de)數字(zi)化模(mo)型中，工程師們可(ke)以在批(pi)量生(sheng)產前測試特定的(de)(de)性能，開發時間大大縮短。這種近(jin)乎零成本(ben)的(de)(de)試誤令霍姆斯特龍感到(dao)興奮。他說(shuo)道，目前已采用3D打印(yin)的(de)(de)燃氣輪機零件(jian)只有(you)一(yi)小部分(fen)，從制造(zao)成本(ben)來(lai)看(kan)，有(you)高有(you)低(di)。

　　但霍姆斯特龍(long)強調，對(dui)于西門子的3D打(da)印布局而言，成本并不是(shi)最(zui)重要的，最(zui)重要的還(huan)是(shi)無限靈活(huo)的設(she)計(ji)帶來(lai)的未(wei)來(lai)潛(qian)力。

　　相(xiang)比起無(wu)限的(de)設計潛力，人才的(de)需求缺(que)口日益(yi)凸(tu)顯。霍姆斯(si)特龍需要的(de)3D打印研發人才，既要是熟(shu)練的(de)數字(zi)化工(gong)程(cheng)師，又具備(bei)創造力和(he)想象力。