3D打印集成制造的佳實(shí)例：從855個(gè)零件到12個(gè)零件的非凡效益

3D打印集成制造的佳實(shí)例：從855個(gè)零件到12個(gè)零件的非凡效益

    上周『多材料金屬3D打印航空應(yīng)用的集大成者—GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)』進(jìn)行了詳細(xì)紹，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)融入了GE航空過去十年開發(fā)的大量先進(jìn)技術(shù)，是新一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)的巔峰之作，3D打印為其做出了重要貢獻(xiàn)。本期我們來對GE航空另一款引以為傲的發(fā)動(dòng)機(jī)—新型渦輪螺旋槳（ATP）發(fā)動(dòng)機(jī)GE Catalyst進(jìn)行介紹，在該案例中，3D打印一體化集成制造優(yōu)勢體現(xiàn)的淋漓盡致。

GE Catalyst渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

▌世界首臺(tái)大規(guī)模、大尺寸采用3D打印的型號發(fā)動(dòng)機(jī)

GE Catalyst是世界上臺(tái)采用3D打印組件的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)?D打印降低了制造復(fù)雜性，它將此前通過傳統(tǒng)工藝制造的855個(gè)零件經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少為12個(gè)部件，零件數(shù)量的減少極大提高了生產(chǎn)效率，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的重量減少了5％，燃油效率提高了1％，這顯示出3D打印集成制造優(yōu)勢。

零件的大尺度合并意味著尺寸的急劇增加，與此同時(shí)，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共有35%的零件采用3D打印制造，這在商用型號發(fā)動(dòng)機(jī)上均屬首次。這些3D打印的零件包括固定流路部件、集油槽、熱交換器、燃燒器襯套、中框組件、排氣機(jī)匣以及軸承座，材料覆蓋鈦合金、鈷鉻合金以及鎳基高溫合金。其開發(fā)團(tuán)隊(duì)由大名鼎鼎的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴工程師組成，可謂陣容強(qiáng)大，3D打印大大簡化了制造、打樣過程，縮短了研制周期。

● 中框組件：300個(gè)零件集成為1個(gè)，壽命延長，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)極大優(yōu)化

GE Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)具代表性的集成優(yōu)化部件就是中框組件，該部件在過去的傳統(tǒng)制造中包含了300個(gè)單獨(dú)的零件，通過焊接、螺栓連接等方式構(gòu)成一個(gè)部件。工程師通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，終將該部件的零件集成在了一起，形成了一個(gè)復(fù)雜的單一零件結(jié)構(gòu)，它無法通過傳統(tǒng)鑄造或機(jī)械加工制造，唯有3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)一體成型。由此產(chǎn)生的結(jié)果在于該部件不再需要裝配，不僅減輕了重量，更排除了磨損的可能性，因此發(fā)動(dòng)機(jī)兩次維護(hù)的時(shí)間被拉長了1000小時(shí)。
 

3D打印的GE Catalyst渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)中框組件
 

中框組件由過去的300個(gè)零件優(yōu)化為一個(gè)

集成制造帶來的制造效率和供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化效應(yīng)同樣非常明顯。在傳統(tǒng)制造過程中，中框組件的300個(gè)零件需要50家供應(yīng)商提供，然后由至少60名工程師先將其組裝成7個(gè)組件，再裝配成一個(gè)部件，維修點(diǎn)達(dá)到5處；而通過優(yōu)化后采用3D打印制造，僅需要1臺(tái)設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)整個(gè)部件的直接制造，多8名工程師便可實(shí)現(xiàn)終部件的處理，維修點(diǎn)也變成了零件本身。由此導(dǎo)致的制造效率提升是顯而易見的。
 

3D打印與傳統(tǒng)工藝在中框組件
制造過程中的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)對比

使用傳統(tǒng)制造技術(shù)（如銑削和鉆孔）來完成零件可能很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀和內(nèi)部形狀。但金屬3D打印機(jī)能夠打印出空心、復(fù)雜的形狀。燃油加熱器內(nèi)部包含眾多微小復(fù)雜的蜂窩式通道，零件的集成制造不僅減輕了零件重量，還將曾經(jīng)可能出現(xiàn)的燃油泄漏問題完全排除，因而減少了維修頻率，提高了燃油效率。
 
C型油箱是從螺旋槳到發(fā)動(dòng)機(jī)的主要負(fù)載部分，用于支撐渦輪機(jī)的軸承。該部件采用了仿生學(xué)設(shè)計(jì)，整體形狀類似植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。3D打印將原來軸承座和油底殼的80個(gè)零件組合成1個(gè)，通過金屬打印制造的部件既保持了強(qiáng)度又減輕了重量。

● 內(nèi)置3D打印B型油箱的燃燒室外殼
 

B型油箱為中央軸承提供支撐，并提供潤滑通風(fēng)作用，3D打印通過將部件合并和降低裝配復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)了重量和成本效益。通過優(yōu)化部件形狀和空氣動(dòng)力學(xué)，使部件承受的應(yīng)力達(dá)到小，從而使部件性能和耐久性也得到了改善。

● 排氣機(jī)匣

作為具有空氣動(dòng)力學(xué)流道的部件，排氣機(jī)匣允許空氣以小的壓力損失離開發(fā)動(dòng)機(jī)，該部件必須有足夠的強(qiáng)度，承受通過發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流壓力。如果使用減法制造技術(shù)設(shè)計(jì)排氣機(jī)匣，工程師不得不由薄弱位置設(shè)計(jì)整個(gè)機(jī)匣的厚度，這會(huì)對部件增加不必要的重量。
 

通過使用3D打印，工程師設(shè)計(jì)了更復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)外形，并增加了提高結(jié)構(gòu)剛度的特征。排氣機(jī)匣有一個(gè)非常薄的內(nèi)襯，其形狀遵守空氣動(dòng)力學(xué)的要求，工程師在外殼上打印了外部翼梁，保證在空氣動(dòng)力學(xué)要求高的地方提供所需的剛度，同時(shí)降低整個(gè)外殼的重量。

除上述部件外，ATP發(fā)動(dòng)機(jī)另有其他部件也采用3D打印制造，如燃燒器的旋流器，它由原來的四個(gè)部件組合為一個(gè)，從而節(jié)省了大量時(shí)間，提高了產(chǎn)品性能。

▌將認(rèn)證速度大規(guī)模提前

3D打印對于航空制造來說的另一個(gè)好處是加快了發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證計(jì)劃。由于3D打印允許以更快的速度生產(chǎn)零件，燃燒器襯里的制造僅用了兩天，GE因此提前六個(gè)月完成了ATP燃燒器鉆機(jī)測試。

通過盡可能快地對真實(shí)硬件進(jìn)行測試，工程師因此可以使用結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行下一次迭代以獲得更好的產(chǎn)品，這比使用傳統(tǒng)制造方法可以更快的獲得產(chǎn)品。

據(jù)新的消息，GE公司有望在大約15個(gè)月內(nèi)完成對Catalyst渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的認(rèn)證。

END

3D打印的一大優(yōu)勢便是集成制造，但通常情況下我們看到案例非常少，像Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)這樣大規(guī)模的一體化集成堪稱3D打印集成制造的佳實(shí)踐。雖然航空業(yè)界很多項(xiàng)目都在開始嘗試增材制造技術(shù)，但在型號發(fā)動(dòng)機(jī)上，這樣占35%發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的大規(guī)模、大尺寸的采用增材制造工藝還屬首次。