美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员率先3D打印出大型旋转汽轮机叶片，用于发电厂发电。该项目由西门子公司的美国研发中心西门子技术公司领导，表明电弧增材制造可用于可扩展生产超过 25 磅的关键部件。传统上，这些零件是使用铸造和锻造设施制造的，这些设施大多已转移到国外。
“现在人们意识到，我们无法从国内供应链中获得超过100或200磅的小批量铸件和锻件，”ORNL沉积科学与技术小组的首席研究和小组负责人Michael Kirka说。“这使我们处于难以为继的境地，特别是当我们看到国际冲突如何影响关键物资的国际流动时。
WAAM使用电弧在机械臂控制的过程中熔化金属丝。薄薄的金属层逐渐堆积成所需的形状。打印后，零件将被加工以满足最终设计要求。用于制造涡轮叶片的线弧技术是与林肯电气根据合作研发协议合作开发的。
电弧制造基于焊接技术，因此很容易用于修复现有零件。这可以使西门子能源等公司更容易根据与电力公司的服务合同维护和升级设备。
2019 年西门子线弧研究开始时，它专注于组件维修。然而，在 COVID-19 大流行期间，范围扩大了，当时对新铸造蒸汽轮机叶片的等待时间延长至两年。然后，该项目扩大到包括打印整个替换零件，因为这些类型的涡轮发动机用途广泛，可用于天然气、煤炭和核电站。
ORNL研究人员对材料进行了实验，并开发了更好的方法来评估打印部件的机械性能。由钢合金制成的大型汽轮机叶片是这些努力的结晶。
“最初的目的是只打印刀片顶部的 25%，”西门子技术公司高级首席关键专家 Anand Kulkarni 说。“但是，当我们看到ORNL的电弧设置的潜力时，我们认为我们可以在一次构建中完成整个叶片。在制造零件时扫描零件的能力为我们提供了正确的信息，这些信息可以提供给我们的加工人员，并使我们能够缩短生产时间。
虽然大型铸件和锻件的等待时间已缩短到七八个月，但 ORNL 能够在 12 小时内打印出刀片。据报道，包括机械加工在内，刀片可以在两周内完成。
Kirka表示，尽管电弧是一种突出的3D打印技术，但它以前从未用于制造这种规模的旋转部件。涡轮叶片通常没有平行或垂直的表面。它们的轮廓曲线向尖端变窄。“能够在没有定位功能的情况下打印和完成某些东西是一个挑战，”他说。此外，这种尺寸的较重部件冷却得更慢，从而增加了沉积层的速度和顺序的灵敏度。
加工零件后，西门子与电力科学研究院合作进行无损评估和测试。“我们仍在研究事物的属性方面，看看结果与传统方法相比如何，”Kulkarni说。然而，对于维修来说，属性不必完全相同：目前的挑战只是保持发动机运转并避免停机。“但是，如果零件的质量很好，那就为更多的按需制造打开了大门，而这个案例研究为大型组件打开了大门。
3D打印的一个关键优势是，它使公司摆脱了对他们无法控制的特定制造工具的依赖，例如由单个铸造厂为单一设计制造的模具。当今涡轮机中的许多大型部件已有几十年的历史，但由于关闭和工业离岸外包，制造它们的工具实际上已经消失了。3D打印提供了一种更可靠的选择，因为它可以复制任何设计。
汽轮机叶片是在能源部的制造示范设施中打印的。MDF由美国能源部先进材料和制造技术办公室支持，是一个全国性的合作者联盟，与ORNL合作，旨在创新、激励和促进美国制造业的转型。
