3D打印，未來航空發(fā)動機制造領(lǐng)域的關(guān)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)突破和性能指標提高帶來更多的可能性。

1 技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)(3D printing)是快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，RP)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(shù)，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(shù)（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(shè)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(shù)（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(shè)計的橫截面逐層堆積，最終得到成型部件的技術(shù)。


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(shù)主要是通過控制激光束按照預(yù)先設(shè)定路徑對粉末材料進行層層燒結(jié)而成型的技術(shù)，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(lǐng)域，高性能金屬構(gòu)件選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是最前沿的3D打印技術(shù)。該技術(shù)從部件數(shù)模一步實現(xiàn)高性能大型復(fù)雜構(gòu)件的成形,成形構(gòu)件形狀之復(fù)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(shù)自問世以來，憑借在大尺寸部件一體化制造、異型復(fù)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(lǐng)域大放異彩，目前3D打印技術(shù)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(shù)。

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(yīng)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(shè)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(shù)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(yīng)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(yīng)用3D打印技術(shù)，尤其在航空引擎的復(fù)雜部件加工中已開展了大范圍3D打印技術(shù)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(lǐng)導(dǎo)的國家重點基礎(chǔ)材料技術(shù)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(shù)”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(dǎo)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(shù)能夠自動、快速、直接、精準地將計算機中的三維設(shè)計轉(zhuǎn)化為實物模型，從研制階段打印模型到外場服務(wù)甚至戰(zhàn)時打印備件，其技術(shù)優(yōu)勢能夠廣泛應(yīng)用于航空引擎的全壽命過程中。

3.1 設(shè)計研制階段

航空引擎本身就是“試出來的”產(chǎn)品，在設(shè)計階段，產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)尚未固化，存在大量技術(shù)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(shè)計進程，加之我國航空引擎設(shè)計和生產(chǎn)分離，信息傳遞存在滯后甚至存在設(shè)計和生產(chǎn)脫節(jié)等問題。3D打印技術(shù)將設(shè)計、制造甚至維護過程融為一體，即實現(xiàn)了“設(shè)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(shè)計變量更多，組合更復(fù)雜，然而這些參數(shù)及其后果都是可重復(fù)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(xué)習(xí)，再通過云端管理對全球所有3D打印設(shè)備在線監(jiān)視，決策，控制，最終使航空引擎的研制更加科學(xué)，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(shù)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(shù)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(yīng)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(dǎo)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(wù)階段
軍用航空引擎由于戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)重、使用條件極端等原因，在使用工作中損傷模式復(fù)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(shù)。

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(shù)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(shù)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(shè)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?wèi)?zhàn)斗力，一些排故措施和技術(shù)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(fù)性。如若外場采用3D打印技術(shù)，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(fù)性。

4總結(jié)
3D打印技術(shù)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(shè)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(yīng)快速推進3D打印設(shè)計和制造的理念、方法、手段、工具和相應(yīng)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)