3D打印，未來航空發(fā)動機制造領域的關鍵詞

魔猴君  行業(yè)資訊   2124天前

航空引擎作為工業(yè)制造成就的集大成者，是一個國家制造業(yè)水平的重要標志。隨著國家“十三五”戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，我國的航空引擎制造產(chǎn)業(yè)雖然取得了突飛猛進的發(fā)展，但對低成本、短周期、質(zhì)量輕、強度大等制造工藝的追求也越發(fā)緊迫。3D打印技術作為第三次工業(yè)革命的重要標志，它為材料和結(jié)構(gòu)提供了一種新的制造方法，為航空引擎關鍵技術突破和性能指標提高帶來更多的可能性。

1 技術簡介

3D打印技術(3D printing)是快速成型技術(Rapid Prototyping，RP)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術，極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期和加工周期[2]，其實現(xiàn)的主要方法包括：

1.1 分層實體制造
分層實體制造技術（Laminated Object Manufacturing，LOM）其工作原理如圖1所示，首先供料機構(gòu)將底面涂有熱熔膠的箔材逐層地送至工作臺的上方，然后采用CO2激光束按照計算機所設計的橫截面輪廓對工作臺上的箔材進行逐層切割，并剔除輪廓區(qū)外的材料，從而完成所需產(chǎn)品的制造。

1.2 光固化立體成形
光固化立體成形技術（Stereo Lithography Apparatus，SLA）其工作原理如圖2所示，首先在液槽中充滿液態(tài)光敏樹脂，其次通過計算機指令控制激光束的掃描路徑，在紫外激光束照射作用下，液態(tài)光敏樹脂實現(xiàn)會快速固化成型，之后利用升降臺的高度調(diào)整實現(xiàn)逐層打印，最終實現(xiàn)層層疊加構(gòu)成三維實體。


1.3 熔積成形
熔積成形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），其工作原理如圖3所示，通過高溫對各種材料進行加熱融化，按照計算機所設計的橫截面逐層堆積，最終得到成型部件的技術。


1.4 選擇性激光燒結(jié)
選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)，其工作原理如圖4所示，該技術主要是通過控制激光束按照預先設定路徑對粉末材料進行層層燒結(jié)而成型的技術，是一種由離散點層層堆積成三維實體的工藝方法。



在航空引擎制造領域，高性能金屬構(gòu)件選擇性激光燒結(jié)技術是最前沿的3D打印技術。該技術從部件數(shù)模一步實現(xiàn)高性能大型復雜構(gòu)件的成形,成形構(gòu)件形狀之復雜、節(jié)約材料程度之高，是傳統(tǒng)鑄造和機械加工方法難以企及的。

2 發(fā)展現(xiàn)狀
3D打印技術自問世以來，憑借在大尺寸部件一體化制造、異型復雜結(jié)構(gòu)件制造、變批量訂制結(jié)構(gòu)件制造方面的巨大優(yōu)勢，在航空引擎制造領域大放異彩，目前3D打印技術已成為是歐美發(fā)達國家首選的航空引擎零部件制造技術。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀
2013年美國霍尼韋爾公司打印了熱交換器和金屬支架。2014年德國西門子公司打印出了燃氣輪機的金屬零部件，成為全球工業(yè)制造業(yè)首個將采用3D打印制造的金屬零部件應用于實際生產(chǎn)中公司。GE公司通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優(yōu)化，將噴油嘴的部件數(shù)量從20多個減少到一個，通過3D打印實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍,整體提高了LEAP引擎的性能。近日，通用電氣公司采用3D打印技術制造了一臺微型噴氣式引擎，該引擎轉(zhuǎn)速高達33000r/min，將被應用于無人機。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
進入21世紀以來，以中航工業(yè)為代表的工業(yè)部門開始研究和應用3D打印技術，尤其在航空引擎的復雜部件加工中已開展了大范圍3D打印技術研究和產(chǎn)品加工。中國航發(fā)商發(fā)已完成3D打印微型渦噴引擎。中國航發(fā)航材院領導的國家重點基礎材料技術提高與產(chǎn)業(yè)化項目“超細3D打印有色/難熔金屬球形粉末制備技術”已經(jīng)啟動。截至目前，中國航發(fā)和其他國內(nèi)科研機構(gòu)先后針對渦輪氣冷葉片、燃油組件、殼體、封嚴塊、噴頭、整體葉盤、整體導向器、軸承座、葉柵等部件開展了探索研究，均取得了積極進展。

3前景分析

3D打印技術能夠自動、快速、直接、精準地將計算機中的三維設計轉(zhuǎn)化為實物模型，從研制階段打印模型到外場服務甚至戰(zhàn)時打印備件，其技術優(yōu)勢能夠廣泛應用于航空引擎的全壽命過程中。

3.1 設計研制階段

航空引擎本身就是“試出來的”產(chǎn)品，在設計階段，產(chǎn)品技術狀態(tài)尚未固化，存在大量技術狀態(tài)更改，各種零部件樣件需頻繁生產(chǎn)，傳統(tǒng)上每一輪改進都需要對模具進行修改，不僅增加制造成本，且生產(chǎn)周期較長，嚴重拖延了設計進程，加之我國航空引擎設計和生產(chǎn)分離，信息傳遞存在滯后甚至存在設計和生產(chǎn)脫節(jié)等問題。3D打印技術將設計、制造甚至維護過程融為一體，即實現(xiàn)了“設計即生產(chǎn)”的美好愿景，極大地縮小了裝備從“研制”到“定型“的時間差，且由于3D打印是從點到線，從線到面，從面到體的加法過程，沒有空間和時間的邊界限制，設計變量更多，組合更復雜，然而這些參數(shù)及其后果都是可重復可追溯的，因此可有效利用大數(shù)據(jù)和云端積累并深度學習，再通過云端管理對全球所有3D打印設備在線監(jiān)視，決策，控制，最終使航空引擎的研制更加科學，加快了裝備的更新周期。

3.2 生產(chǎn)制造階段
一是提高強度、減輕重量，提高引擎整體性能。
推重比是航空引擎的重要參數(shù)指標，減輕重量一直是航空引擎制造的重要目標。目前航空引擎整機通過螺栓或其他接口將零部件或單元體連接，如若采用3D打印一體成型既減少了材料增加了強度，又減少零部件數(shù)量從而減輕了引擎的重量，以PW1500G 引擎為例，其采用3D打印技術生產(chǎn)的實驗部件比傳統(tǒng)工藝制造的該部件減重50%。引擎整體重量的減輕，能夠產(chǎn)生更高的加速度，有效增加續(xù)航里程，擴大作戰(zhàn)半徑且降低了飛行成本。

二是降低成本、縮短周期，提高引擎生產(chǎn)效率。
航空引擎中使用的鈦合金、鎳基高溫合金等金屬材料價格昂貴，某些材料甚至是稀缺的戰(zhàn)略材料。采用傳統(tǒng)的加工制造方法，材料使用率較低，一般不大于10%。以某型引擎整體葉片為例，傳統(tǒng)制造工藝類似于“雕刻”，材料利用率僅為7%，即意味著93%的原材料被浪費，制造成本高，且加工時間長。而采用3D打印技術直接打印的整體葉盤，材料利用率提高到80%以上，同時制造時間也僅有傳統(tǒng)制造的1/20，能夠大幅的縮短引擎的生產(chǎn)周期，提高引擎的交付效率。詳見表1所示：

三是減少環(huán)節(jié)、降低要求，提高引擎產(chǎn)品質(zhì)量

航空引擎每臺零部件上以千計，組裝過程需要上百道工序，且生產(chǎn)和安裝對工人生產(chǎn)技能要求較高，如若裝配不合理極易引起零部件存在應力產(chǎn)生斷裂、間隙過大引起引擎漏氣致使性能不合格或由于連接不穩(wěn)固導致引擎產(chǎn)生振動故障。在某型號引擎故障統(tǒng)計中，由于裝配原因?qū)е碌墓收霞s占10%，裝配工人水平的高低能夠直接影響到引擎的整機質(zhì)量的好壞。采用3D打印的零部件一體成型，降低了工人的技能要求，減少了部分裝配環(huán)節(jié)，避免了人工差錯所帶來的影響，且結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強度要高于焊接等傳統(tǒng)方法，對引擎產(chǎn)品質(zhì)量有較大提高。

3.3 修理服務階段
軍用航空引擎由于戰(zhàn)訓任務重、使用條件極端等原因，在使用工作中損傷模式復雜，零備件需求量大，在外場使用過程中雖有專業(yè)的跟飛保障團隊進行維護，但每年仍有部分引擎需返廠進行修理，嚴重影響了我軍的戰(zhàn)斗力。3D打印為再制造提供了個性化、高效率的實現(xiàn)手段，是歐美發(fā)達國家首選的航空引擎零部件再制造技術。

一是按需打印，提高部隊引擎完好率
在引擎使用維護過程中，到壽件、易損件、必換件等零部件需求量大，各型號零部件技術狀態(tài)也會不同，外場部隊又不可能存放大量存放，便會出現(xiàn)引擎停飛待件的情況。3D打印技術的存在便可很好的解決這一難題，無需庫房存儲，只需要電腦中存在電子模型數(shù)據(jù)包，便可按需打印零部件。特別是戰(zhàn)時狀態(tài)，戰(zhàn)場上如果需要更換損毀部件，采用3D打印設備直接在戰(zhàn)場把所需要的部件制造出來，裝配后重新投入戰(zhàn)場，避免裝備某個零部件出現(xiàn)故障卻沒有辦法修理的窘境，從而使遭到毀傷的武器裝備得到再生。

二是及時貫改，不斷提高引擎性能
我國的航空引擎目前還處于逐漸走向成熟的階段，使用過程中故障偶有發(fā)生。由于外場單位分散，距離承制單位較遠，致使返廠周期較長，同時為了保持部隊戰(zhàn)斗力，一些排故措施和技術改進不得不結(jié)合引擎到壽返廠后一并貫徹，影響了引擎的可重復性。如若外場采用3D打印技術，只需要更新數(shù)據(jù)包便可以第一時間打印出新結(jié)構(gòu)、新材料的零部件進行更換，大大減少了產(chǎn)品長途運輸時間，避免了貫改滯后，加快了裝備的更新周期，提高了引擎的可重復性。

4總結(jié)
3D打印技術目前雖然在精度還是機械性能上與傳統(tǒng)制造工藝還有差距，但其所帶來的全新設計理念正是中國發(fā)展航空引擎的重大機遇。在這一機遇面前，我們應快速推進3D打印設計和制造的理念、方法、手段、工具和相應的規(guī)范準則，共同努力，打造出更輕、更高效、更安全、更環(huán)保、更可靠航空引擎，助力我軍早日實現(xiàn)強軍夢。

來源：中國3D打印網(wǎng)