적층 제조의 핵심 분야인 금속 3D 프린팅은 디지털 모델을 사용하여 금속 분말을 층별로 녹이고 쌓아서 고체 부품을 만드는 과정을 지시합니다. 기본 작업 중에는 전자빔 용해(EBM)와 선택적 레이저 용해(SLM)가 있습니다. SLM에서는 고{3}}에너지 레이저 빔을 사용하여 금속 분말을 녹이고, 레이저 스캐닝 경로의 정밀한 제어를 통해 복잡한 구조의 -층-층 구성이 가능합니다. Siemens Energy의 접근 방식을 기반으로 하는 SLM- 내장형 가스 터빈 버너는 13개의 용접 구성 요소를 단일 장치로 결합하여 구성 요소 수명과 신뢰성을 크게 연장합니다.
이 기술에는 세 가지 주요 이점이 있습니다. 첫째, 재료의 95% 이상을 사용하며 이는 일반 주조 방법에 사용되는 60~70%보다 훨씬 좋습니다. 둘째, 엔진 실린더 헤드 냉각을 위한 벌집 패턴과 같이 전통적인 방법으로는 만들기 어려운 복잡한 모양을 만들 수 있습니다. 셋째, 디자인을 최적화함으로써 부품을 30~70% 더 가벼우면서도 견고하게 만들 수 있습니다. 금속 3D 프린팅을 사용하여 Siemens Energy의 연구에서는 실린더 헤드의 무게가 5095g에서 1755g으로 감소하여 부피가 65% 감소하고 열 방출 효율이 40% 향상된 것으로 나타났습니다.
Siemens Energy는 Materials Solutions를 통해 90대의 산업용 금속 3D 프린터를 포괄하는 제조 시스템을 개발했습니다. SLM 기술을 사용하여 제작된 가스 터빈 블레이드는 자연을 모방하여 내부 공기 흐름을 개선하도록 설계되어 연료를 보다 효율적으로 연소하고 냉각 공기의 필요성을 줄입니다. 기술적 혁신은 재료 혁신에 있습니다. 고온 조건에 적합한 니켈-기반 합금 분말을 생성하여 650도에서 100,000시간의 서비스 수명을 유지할 수 있습니다.
블레이드 플래셔의 맞춤형 제조는 금형에 의존하고 높은 비용이 발생하는 기존 블레이드 생산의 과제를 해결하기 위해 3D 금속 프린팅 기술을 통해 달성되었습니다. 토폴로지 최적화 설계를 통해 피뢰기 무게를 40% 줄이고 설치 효율성을 3배 높였습니다. 이 기술은 유지 관리 비용을 20%까지 절감하고 해상 풍력 발전과 관련하여 전력 생산 장비의 전반적인 수명 경제성을 크게 향상시킬 수 있습니다.{4}}
3D 금속 프린팅은 마이크로터빈 엔진의 진화 과정에서 기존 방법으로는 도달하기 어려운 마이크로채널 가공이라는 어려운 문제를 해결했습니다. U예를 들어 50mm 마이크로공기냉각식 터빈의 경우 3D 프린팅으로 생성된 냉각 채널의 벽 두께가 0.3mm에 불과하므로 냉각 효율이 50% 향상되고 기존 설계보다 3배 더 높은 전력 밀도를 얻습니다.
3차원은 에너지 부문에서 금속 3D 프린팅의 세 가지{0}}적용 가치를 반영합니다.
ASiemens Energy의 사례에 따르면 장비 사용량이 200% 급증했으며, 3D 프린팅을 통해 제작된 버너 부품의 생산 주기도 기존 방식의 12주에서 4주로 단축되었습니다. 블레이드 플래셔의 맞춤형 생산으로 풍력발전 부문 납기주기가 60일에서 7일로 단축돼 시장의 빠른 대응 요구에 부응했다.
DA 제조 비용의 직접적인 감소는 재료 활용도 향상으로 인해 발생합니다. U가스터빈 블레이드를 예로 들면, 기존 주조 기술은 재료를 최대 30%까지 낭비하는 반면, 3D 프린팅을 사용하면 지지 재료 손실이 5%에 불과합니다. I에너지 장비 운영 및 유지보수 부문에서 3D 프린팅 기술은 유지보수 응답 시간을 24시간 이내로 단축하고 예비 부품 재고 비용을 40% 절감했습니다.
토폴로지 최적화 설계로 엔진 실린더 헤드의 방열 면적을 80% 증가시켜 무게를 66% 감소시켰습니다. 마이크로에너지 장비 분야에서는 3D 프린팅 기술을 통해 0.1mm 수준의 마이크로채널 정밀 제작이 가능해 연료전지 분리판 등 필수 부품의 혁신적 설계 기회를 제공하고 있다.
엄청난 기술적 이점에도 불구하고 에너지 부문에서 금속 3D 프린팅을 사용하는 데에는 여전히 세 가지 주요 어려움이 있습니다.
고압 부품에 현재 금속 분말을 제한적으로 사용하는 것은 -그 피로 강도가 제조된 재료보다 피로 강도가 15%~20% 낮기 때문입니다. 발전의 핵심은 레이저 적층 가공으로 만든 특수 티타늄 합금과 같이 900MPa 이상의 항복 강도를 달성할 수 있는 새로운 유형의 합금을 개발하는 것입니다.
공정 최적화는 여전히 열 변형으로 인한 치수 편차를 극복해야 합니다. UB다중 물리 시뮬레이션 기술을 사용하여 Siemens Energy는 실린더 헤드의 치수 정확도를 ± 0.05mm 이내로 관리합니다. 이는 기존 방법보다 50% 더 정밀합니다.
에너지 장비의 3D-프린팅 구성요소에 대한 업계 인증은 없습니다. 재료, 절차, 테스트를 포함하는 포괄적인 프로세스 표준 시스템을 구축하는 것은 현재 획기적인 경로의 일부입니다. 예를 들어, 금속 3D-프린팅 부품의 경우 독일 VDI 3405 표준은 피로 성능 테스트 절차를 표준화했습니다.
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