航空發(fā)動機鏖戰(zhàn)正酣 3D打印應用成新戰(zhàn)場

航空發(fā)動機被譽為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”，涉及大量前沿學科和基礎學科，其直接影響飛機的性能、可靠性及經(jīng)濟性，已成為一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。

目前，全球范圍內(nèi)能生產(chǎn)高性能航空發(fā)動機的企業(yè)屈指可數(shù)。數(shù)據(jù)顯示，美國通用（GE）、美國普惠（P&W）、和英國的勞斯萊斯（Rolls Royce）這三家航空發(fā)動機制造廠商占據(jù)了全球七成的市場份額。通用和勞斯萊斯的競爭最為激烈。

如果說波音和空客是干線客機領域的雙寡頭，那么通用電氣和勞斯萊斯/羅羅則是干線客機發(fā)動機市場的一對大鱷。作為英國主導的國際型企業(yè)，勞斯萊斯的發(fā)動機市場占有率與GE相當，最有名的當屬RB-211型發(fā)動機。早在上世紀60年代，勞斯萊斯便開始了世界上第一臺實用三轉(zhuǎn)子渦輪風扇發(fā)動機，即RB211發(fā)動機的研制。

注：Rolls Royce即羅爾斯·羅伊斯（又稱勞斯萊斯），是英國著名的航空發(fā)動機公司，也是歐洲最大的航空發(fā)動機企業(yè)，它研制的各種航空發(fā)動機廣為世界民用和軍用飛機所采用。羅爾斯·羅伊斯由英文Rolls-Royce翻譯而來，也被譯為“羅爾斯-羅伊斯”，簡稱“羅羅”。

勞斯萊斯RB211發(fā)動機

而隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，發(fā)動機制造正在與3D打印的進行創(chuàng)新性結合，這一點在航空發(fā)動機制造領域表現(xiàn)得尤為明顯。實踐證明，3D打印可很好的應用于飛機發(fā)動機零部件的生產(chǎn)，有效縮短發(fā)動機研發(fā)周期，并能提高材料利用率、優(yōu)化結構、減輕重量和降低成本。

勞斯萊斯/羅羅（Rolls Royce）與3D打印

3D打印是勞斯萊斯正在利用的關鍵新技術之一。早期勞斯萊斯就已將LENS（激光工程化凈成形）技術用于RB211發(fā)動機渦輪葉片冠部阻尼面鈷基耐磨合金涂覆層的強化處理，并提出了6項專利申請，涉及LENS技術的裝置、噴粉嘴、工藝和應用。

注: LENS（激光工程化凈成形技術，Laser Engineering Net Shaping），3D打印技術的一種，亦可稱為“激光近形制造技術”、“激光近凈成形技術”或“工程化凈成形技術”，它的工藝原理是將選擇性激光燒結（SLS）技術和激光熔覆（Laser Cladding）技術相結合，快速獲得致密度和強度均較高的金屬零件。

勞斯萊斯RB211發(fā)動機

根據(jù)歐洲航空安全局于2014年公布的Part-66飛機維修牌照的飛機類別評級顯示，RB211發(fā)動機就已搭載于包括波音、洛克希德馬丁和TUPOLEV公司在內(nèi)的14架機型上。

此外，在澳洲航空（QANTAS AIRWAYS）的航空隊中，僅2006年的統(tǒng)計就有21架波音747-438、5架波音767-336ER和2架波音767-336裝備了勞斯萊斯RB211發(fā)動機。

澳洲航空部分機型

值得一提的是，2015年，勞斯萊斯通過與英國制造技術中心（MTC）所屬的新國家増材制造中心合作，利用3D打印技術制造出了有史以來首個最大的民用航空發(fā)動機組件——Trent XWB-97發(fā)動機，該發(fā)動機亦被業(yè)界譽為“世界上最高效的民用飛機發(fā)動機”，已搭載于空客A380機型上。使用3D打印技術去制作這樣一臺復雜而又精良的發(fā)動機，也再一次證明了勞斯萊斯所掌握的3D打印技術已經(jīng)達到世界頂尖水平。參與該項目的還有謝菲爾德大學和3D打印專家Arcam公司。Arcam公司的電子束的儀器被用于生產(chǎn)葉片。MTC對鈦粉進行分析，結果可供在組裝之前評估組件的完整性，這對于了解如何回收鈦粉和如何識別工藝過程中的缺陷有重要意義。

根據(jù)勞斯萊斯官網(wǎng)顯示，目前勞斯萊斯已將3D打印的零部件和新材料引入到了Advance3發(fā)動機的生產(chǎn)之中。據(jù)悉，Advance3共包含約20000個零部件，測試時長已超過100小時。報告顯示，由3D打印技術和陶瓷基復合材料制成的零部件表現(xiàn)出了十分優(yōu)異的性能。勞斯萊斯方面稱：“Advance3將會開拓民用航空航空的未來�！�

勞斯萊斯正在其未來的發(fā)動機項目中引入陶瓷基復合材料

美國通用電氣（GE）與3D打印
與勞斯萊斯相比，美國通用在3D打印應用方面有過之而無不及。早期，通用在LENS技術的專利申請上也卓有成就。如今，通用電氣航空公司運營著一個三座足球場規(guī)模的增材制造技術中心，內(nèi)有90臺3D打印機和300名員工。通用已為最暢銷的LEAP噴氣發(fā)動機等機器出貨了超過25,000個3D打印零件，并帶來了超過2000億美元的訂單。

GE航空集團 3D 打印的燃料噴嘴

2018年可以說是GE發(fā)動機發(fā)展史上的里程碑之年，這一年GE取得了一系列突破性進展，包括旗下公司Affinity的渦扇發(fā)動機、單軸渦輪軸發(fā)動機T901、Catalyst渦輪螺旋槳發(fā)動機和GE9X渦輪風扇發(fā)動機……在這些發(fā)動機的零件制造方面大量的應用了3D打印技術。

GE Affinity渦扇發(fā)動機

同年（2018年），GE已完成了半個世紀以來首個商用噴氣式飛機專用超音速發(fā)動機和首個民用超音速發(fā)動機的初步設計。3D打印技術亦應用其中，據(jù)悉該發(fā)動機能夠滿足Aerion AS2的超音速飛行要求。

此外，GE宣布美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）已批準3D打印支架用于GEnx-2B發(fā)動機，該支架將取代傳統(tǒng)制造的電動門打開系統(tǒng)（PDOS）支架。GEnx 發(fā)動機是GE航空生產(chǎn)的一款先進的雙轉(zhuǎn)子軸流式大涵道渦輪風扇發(fā)動機，使用于波音787、747-8及空中客車A350。將安裝3D打印支架的GEnx-2B發(fā)動機使用于波音747-8機型。3D打印的PDOS支架作用是打開和關閉發(fā)動機的風扇罩門。GE表示，與傳統(tǒng)制造方式制造的支架相比，3D打印技術將減少高達90%的材料浪費，傳統(tǒng)支架的制造中，因金屬加工而產(chǎn)生的材料浪費約占50%。據(jù)悉，這款3D打印支架是GE第一個獲得認證的由Concept Laser 選區(qū)激光熔融設備生產(chǎn)的3D打印零件，也是GE航空第一次在10個月內(nèi)完成一種3D打印零件的開發(fā)項目。

GE航空獲得FAA 批準的3D打印支架

3D打印技術除了在發(fā)動機零部件生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用外，在優(yōu)化和修復中更有不可替代的地位。就目前情況而言，金屬3D打印技術在修復成型方面所表現(xiàn)出的潛力甚至高于其制造本身。

以飛機發(fā)動機上的高性能整體渦輪葉盤零件為例，當盤上的某一葉片受損，則整個渦輪葉盤將報廢，直接經(jīng)濟損失價值在百萬之上。較之前，這種損失可能不可挽回，令人心痛，但是基于3D打印逐層制造的特點，只需將受損的葉片看作是一種特殊的基材，在受損部位進行激光立體成型，就可以回復零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印過程中的可控性，其修復帶來的負面影響很有限。

2014年，中國航材院就成功使用3D打印技術修復了RB211渦輪導向葉片和PW4000擴散機匣。這是國內(nèi)首次用3D打印技術成功修復航空發(fā)動機關鍵件，標志中國3D打印技術獲得了重大進展，中國躋身于能用3D打印技術修復航空發(fā)動機關鍵件的少數(shù)國家行列。

傳統(tǒng)制造技術適用于大批量成型產(chǎn)品的生產(chǎn)，而3D打印技術則更適合定制化和精細化結構產(chǎn)品的制造。將3D打印技術和傳統(tǒng)制造技術相結合，各取所長，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使制造技術發(fā)揮更大的威力。3D打印應用于飛機發(fā)動機這一高精尖領域，既是對其成型工藝和終端產(chǎn)品性能的肯定，也在一定程度上加速3D打印由小眾到大眾的市場化推廣。作為科技創(chuàng)新和工業(yè)4.0的重要組成部分，3D打印在為全領域注入新鮮元素，將科技、創(chuàng)新、智能制造有機結合，開創(chuàng)智能制造新時代。


來源：3D帝國網(wǎng)