Caterpillar引领未来：3D打印技术提升重型柴油发动机燃油经济性

2018年10月，GE航空位于阿拉巴马州的奥本工厂，顺利生产了第3万个3D打印燃油喷嘴头。虽然燃油喷嘴只是航空发动机中一个不起眼的小部件，但GE 通过3D打印技术制造的喷嘴与上一代产品相比有着显著的不同，其重量比上一代轻25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。安装了这款燃油喷嘴的GE LEAP飞机发动机，也因在燃油经济性上的表现，已经获得了超过1.6万台的总订单数量，总价值超过2,360亿美元。

根据GE，最终的燃油喷嘴顶部结构只有核桃般大小，里面却有14条精密的流体通道。如此复杂的结构通过传统的制造加工方式尝试了8次，但每次都失败了，在多番尝试之后GE 通过金属3D打印技术实现了这种优化燃油喷嘴结构的制造，并最终走向了量产。

3D打印技术在制造复杂燃烧部件中所发挥的价值是显著的，而这一价值除了受到了航空航天发动机制造商与燃气轮机制造商的重视之外，也引起民用发动机制造商的重视。近日，3D科学谷就看到了世界领先的建筑/采矿设备和柴油发动机制造商卡特彼勒（Caterpillar ）正在推动3D打印技术在优化重型柴油发动机燃料喷雾几何结构中的应用。

提高

燃油经济性

卡特彼勒（Caterpillar ）与美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory ）正在联手研发重型柴油发动机, 双方团队将合作优化Caterpillar C15发动机的活塞和燃料喷雾几何结构，从而提高这款发动机的效率、减少排放。他们采用的发动机优化技术包括仿真、高性能计算和增材制造/3D打印。

图：研究人员使用耦合共轭传热和计算流体动力学模型创建了发动机几何结构的预测横截面视图，显示了缸内和金属活塞温度。 来源：Convergent Science和美国阿贡国家实验室。

卡特彼勒和阿贡国家实验室的目标是为柴油发动机设计开发突破性的解决方案。双方将建造和测试重型柴油发动机，以减少排放并提高燃油经济性。此外，合作的另一个目标是降低制造设计成本，缩短将科研技术应用到工业规模制造流程中所需的交付周期。

阿贡国家实验室的高性能计算仿真和卡特彼勒的柴油发动机与增材制造设备将在合作的多个阶段协同工作。在合作时，双方会将卡特彼勒的发动机专业知识与阿贡实验室在燃料喷雾和燃烧建模方面的专业知识相结合，并在这一过程中使用计算流体动力学软件包CONVERGE与实验室的高性能计算系统。

3D科学谷 Review

根据3D科学谷的市场观察，卡特彼勒拥有先进的单缸和多缸发动机测试设备，以及种类全面的3D打印设备。该公司有推动发动机仿真极限的历史，并且是建模能力优化的持续支持者。

根据3D科学谷的市场研究，卡特彼勒早在1990年就建立了快速原型实验室，该实验室使用了大量的3D打印设备来制造推土机、挖掘机以及其他设备的零件原型，并且为生产车间制造工具。后来该实验室并入卡特彼勒成立的增材制造集团，集团使用FDM,SLA, SLS等3D打印设备制造测量工具、展示模型，组装夹具，手工具以及其他的功能部件。2016年，卡特彼勒在美国的研发中心成立了3D打印与创新加速器，从产品创新、为增材制造而设计和铸造三个方向推进3D打印技术的应用和成果转化。

图：卡特彼勒通过金属粉末床熔化技术3D打印的燃油混合器

经过多年的摸索，卡特彼勒将3D打印的零部件引入到其供应链中。目前卡特彼勒生产的3D打印零件主要用于售后市场，包括提供给经销商用于设备的维修和零件更换。举例来说，用于安装在自动平地机上的垫圈，这些垫圈由3D打印弹性塑料制造出来。由于这些垫圈在售后市场上消耗量很小，通过3D打印技术从而节省了库存所占用的资源。尤其是对于那些消耗量很小的备品备件，如果要重新开模来生产，成本会十分昂贵，卡特彼勒发现3D打印在重新制造这些高度专业化的组件方面具备明显的优势，那就是小批量的经济性和灵活性。

在与阿贡实验室启动重型柴油发动机创新研发项目之前，卡特彼勒就已经在积极的应用金属3D打印技术。其中一个经典的例子是，由卡特彼勒的太阳能涡轮机公司生产的燃气轮机需要采用传统方法难以铸造的带复杂翅片设计的燃油混合器，卡特彼勒的团队发现粉末床熔化金属3D打印技术能够制造出这种复杂的燃油混合器。通过3D打印所获得的燃料混合器具有所要求的复杂内部通道。由于它是一种整体式的零件，所以不需要额外的组装和焊接工作。

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