利用金屬增材製造推進模塊化工藝強化

作者：Brian K.Paul（RAPID研究所模塊化製造重點領域領導者）

麥肯錫公司運營部J. Bromberger和R. Kelly最近的市場研究《增材製造：製造商的長期改變者》中稱，在2017年，航空航天、汽車和醫療保健行業正在迅速採用逐層方式進行機械幾何形狀的數字化製造。

金屬增材製造（MAM）技術的實例包括連續金屬粉末層的激光熔覆或金屬粉末噴射到激光聚焦光束中，該激光被操縱以從下向上製造零件。到2020年，相關的增材製造市場預計每年至少達到200億美元。此外，通過利用模塊化學過程強化（MCPI）的力量減少成本、設備費用，特種化學品和太陽能熱化學能源的增材製造也具有巨大潛力。

於生產利用太陽輻射的化學物質的太陽能盤模塊

俄勒岡州立大學（OSU）和太平洋西北國家實驗室（PNNL）與太平洋西北地區和其他地方的各個行業合作，正在學習使用增材製造技術設計和建造微通道化學反應器和熱交換器，使其體積和重量減少5到10倍。

過去，俄勒岡州立大學幫助多家公司製造強化組件和反應器，並將它們推向市場。然而，對於小公司而言，集約化組件的規模擴大具有挑戰性，通常需要與供應鏈合作夥伴進行長期開發合作，以利用現有能力或新製造設備的資本投資來進行生產。

增材製造的使用可以加速新的強化技術的採用，特別是在模塊化結構中。

目前，俄勒岡州立大學和PNNL正在RAPID製造研究所的模塊製造重點領域（MMFA）內開展工作，與PNNL的一家名為Star Technology Corp.的子公司（STARS）合作，推出新的太陽能熱化學產品。

通過RAPID撥款，STARS將設立STARS模塊的試生產，以支持現場演示。STARS化學轉化技術支持多種應用，包括太陽能蒸汽甲烷重整（SMR），其中太陽能轉化為化學效率超過70%，這是一個世界紀錄，2014年曾獲得R＆D 100獎。為了滿足在盤的焦點處的太陽能機艙上的尺寸和重量預算，需要多個微通道部件。

該項目的目標之一是幫助STARS以最小的資本投入建立關鍵強化微通道組件的供應鏈。將STARS技術推向市場的一大障礙是這些強化組件的成本。除了傳統的MAM方法之外，還需要額外的成本節約來滲透更大的公用事業規模的化學生產市場。

例如，熱交換器銷售的70％以上的商品成本來自資本和粉末成本;降低使用MAM生產微通道組件的成本需要能夠解決這些成本驅動因素的新機床。

OSU先進技術和製造研究所（ATAMI）正在努力修改MAM工具，在激光緻密化之前，使用噴墨列印頭將材料噴射到粉末床，從而對材料的性能進行數字處理。

在RAPID計劃中，該工具將用於開發具有高溫強度和耐腐蝕性的新型金屬基複合材料，能夠將部件成本降低30％。

最近，俄勒岡州在未來18個月內提供了一個價值100萬美元的高影響力機會項目（HIOP），以擴大俄勒岡州當前金屬增材製造生態系統的能力。

HIOP的目標是在該州內開發新的金屬增材製造工藝、機床和材料。這些資金將用於利用當前的RAPID資助，其中正在開發的混合機器將用於探索具有增強的導熱性的Ni基超級合金的開發。

這些努力將利用在構建周期期間選擇性地摻雜或合金化金屬部件的微結構的能力，從而能夠在單個構造內定製材料特性。

PNNL設計的高溫換熱器可顯著提高太陽能熱化學反應器的效率

在金屬內部定製性能的能力將導致新的設計自由和在設計具有獨特物理特性的較小、重量較輕的反應堆部件方面發生根本性變化。通過增加所生產組件的價值，組件製造商可以承擔與增材製造工具相關的大量資本支出。

通過這種方式，利用RAPID資助項目的國家投資為建立新的供應鏈提供了機會，不僅可以用於支持模塊化學過程強化的強化組件，還可以用於未來的航空航天和生物醫學植入市場。

隨著時間的推移，對這些行業的累積經濟影響可能是數十億美元和數千個高薪工作。

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