首台中国3D打印冲击式水轮机真机转轮研制成功

冲击式水轮机是水力发电的四大机型之一，转轮是冲击式水力发电厂的关键部件，但由于冲击式水轮机转轮是在轮毂上装有20～25个曲面水斗，其曲面形状非常复杂。目前国内企业研制的转轮主要是利用国外80年代的模型转轮型线为基础，采用整体铸造、人工打磨的工艺进行研制。

根据哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司，中国首台增材制造冲击式水轮机真机转轮在该公司研制成功并交付，标志着哈电电机增材制造(3D打印)技术的研究与应用进入新的发展阶段。

水轮的大挑战

哈电集团电机公司2013年即进入3D打印领域，是国内较早开展3D打印技术应用研究的单位，并于2015年成功制造了国内首台可应用于模型水轮机水力试验的3D打印非金属模型转轮，完成了模型转轮金属3D打印技术的可行性研究与前期研发。

哈电集团电机公司基于模型转轮3D打印项目团队，组建了“水轮机转轮增材制造双创团队”，并依托水力发电设备国家重点实验室和国家水力发电设备工程技术研究中心等平台，立足行业发展，以市场需求为导向，面向行业内产品制造的焦点和难点，将水轮机转轮中最具代表性的冲击式转轮3D打印-增材制造作为突破点，深入开展应用研发创新。

弯道超车的尝试

这类大型结构件制造领域中应用该技术，是目前增材制造技术研发的重要方向，同时面临着很多亟待攻克的技术难题。中国首台增材制造冲击式转轮的成功研制和未来电站的运行验证，可为水力开发超高水头、超大容量冲击式转轮制造提供有效可行的新方案。

▲安全性高的冲击式转轮

该项目团队根据冲击式转轮的结构特点和运行工况，独创了安全性高的增材制造结构，研发了基于机器人技术的转轮增材制造工艺，形成了完整的、具有自主知识产权的转轮增材制造技术。

后续的制造过程验证了该技术的应用，大幅降低了冲击式转轮的制造成本、周期和难度，具有良好的经济性，符合研发预期，市场前景广阔。近期，增材制造冲击式转轮即可装机运行，其运行的安全性、寿命和效率等将得到进一步的评估和验证。

3D科学谷Review

水轮的设计过程需要将CAD/CAM/CAE/CFD技术进行有机结合，通过过程仿真和转轮的刚、强度分析，利用分析的结果，对转轮的结构进行修改，直到获得水力性能、结构可靠性、可制造性等各个方面都较优的转轮。

除了文中提到的通过直接3D打印实现水轮转轮的制造，根据3D科学谷的市场观察，国际上还通过3D打印砂型与铸造的结合实现了大型水轮转轮的制造。

谈起3D打印与铸造相结合的应用，还需要从理解3D打印的优势来着眼，3D打印有两大特点：1是无模化，对应的优势是作为研发试制阶段的捷径，加速迭代过程，减少研发成本；2是对产品的复杂性成本不敏感，对应的优势是适合创新颠覆产品的设计，使得产品设计以功能实现为主导。

国内铸造业存在的普遍误区是，仅仅发挥了3D打印的第一个优势，将3D打印砂模或者3D打印PMMA熔模用于产品的试制开发阶段，也就是说加工的还是传统设计的产品，而没有将3D打印从源头上用于创新产品的设计。

3D打印的最大优势是用来制造那些传统方式实现不了的设计，包括薄壁，复杂的形状这样的设计，用在汽车领域来说，可以通过3D打印经过特殊设计的冷却系统（这样的设计通过传统制造工艺无法制造出来），从而实现产品更高的性能。

一般来说，铸件尺寸越大，需要制造的砂芯数量就越多。3D打印技术用于大型铸件砂模制造方面存在着砂芯排气、砂芯固定，以及外冷铁设置和固定等挑战。

不仅如此，这些砂模在金属铸造过程中通常还要满足超高温、超厚宽断面、高承压、干净、无损等要求。在这方面，voxeljet-维捷通过与泵制造商的合作成功制造了3.2吨重的佩尔顿式水轮机用叶轮。

▲佩尔顿式水轮机用叶轮，来源voxeljet-维捷

voxeljet-维捷的特点是基于粘结剂喷射的大幅面3D打印技术，对于这款佩尔顿式水轮机用叶轮来说，由于尺寸巨大，通过传统制造方法通常需要分拆成不同的部分来完成铸造过程，再通过焊接将18个叶片焊接到叶轮上，这个过程非常复杂、耗时且昂贵。

通过voxeljet-维捷大型工业级3D打印机VX4000一次性完成了全部工作，VX4000的打印面积为4,000 x 2,000 x 1,000 mm（长x宽x高）。打印过程为72小时，之后只需要KBL的专有涂层技术进行后期处理。

1. 部分资料来源：哈电集团电机公司

（3D科学谷）

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