助力波音777X首飛成功的GE9X發(fā)動機有何“過人之處”？先從3D打印說起

來源：GE 中國

2020年1月25日（美國時間），搭載了兩臺GE9X發(fā)動機的波音777X飛機在華盛頓州埃弗雷特的佩恩機場起飛，順利完成其首飛！相信很多人都已知曉這一令人期盼已久的消息。從2013年起，GE航空集團就開始了GE9X的設計與測試工作。為籌備這次首飛，GE航空集團已經(jīng)在其加州維克多維爾市的波音747空中試車臺上對GE9X進行了72次飛行測試，共計超過400飛行小時。截至到目前，GE9X已經(jīng)完成了超過4,100小時的地面與空中測試以及6,500次發(fā)動機循環(huán)。

波音777X在空中的靚影。圖片來源：波音

雖然GE9X還未正式投入商用，但已獲得了諸多肯定。GE9X在去年獲得了吉尼斯世界上推力最大發(fā)動機的紀錄；是GE航空史上燃油效率最高的噴氣發(fā)動機，燃油消耗低于競品10%；擁有直徑134英寸的最大尺寸前風扇、復合材料風扇機匣和16片第四代碳纖維復合材料風扇葉片……除了這些硬核優(yōu)勢，還有一個史無前例的創(chuàng)新性舉措——使用3D打印零部件，本期我們就來從GE9X發(fā)動機的3D打印零部件說起。

Stefka Petkova大學畢業(yè)就加入了GE，現(xiàn)在作為GE航空集團的一員，她和她的團隊正在為GE9X設計開發(fā)并準備投產(chǎn)3D打印的部件。

2014年，Petkova就職于位于俄亥俄州辛辛那提市GE航空集團的總部。當時GE航空開發(fā)了首批3D打印零部件，包括用于CFM LEAP噴氣發(fā)動機的燃油噴嘴和用于GE90的傳感器外殼，Petkova對這項技術(shù)深感著迷?，F(xiàn)在，Petkova在俄亥俄州西切斯特GE航空的增材制造科技中心（ATC）工作，這里距離GE航空的總部只有很短的車程。

ATC聘請了來自GE航空、GE增材制造的數(shù)百名工程師、設計師和工人，它也許是全球最大、最先進的3D打印機構(gòu)。GE航空負責增材制造的總經(jīng)理Eric Gatlin說：“在ATC，我們進行的許多工作都是初次探索，這在一定程度上也激發(fā)了我們的熱情和動力，形成了一股特有的文化氛圍”。

空中試車臺上的GE9X發(fā)動機

毫不夸張，在這里工作的很多工程師，包括剛畢業(yè)不久的年輕人都沒有在學校里學習過增材制造。這項技術(shù)才剛剛起步，但這并沒有影響工程師們迅速掌握這一技術(shù)，同時幫助GE的其他部門迎頭趕上。

在ATC，工程師們可以設計出形狀最理想的零件，然后直接通過計算機文件打印出來。增材制造通過激光或電子束將薄層金屬粉末熔融在一起，從而打印出最終產(chǎn)品。它可以讓工程師們制造出從前成本過于昂貴或無法用傳統(tǒng)方法制造的形狀，比如沖壓或鑄造制造工藝。ATC的現(xiàn)場負責人Antroine Townes說：“增材制造的獨特之處和價值在于設計的靈活性和創(chuàng)新的速度。過去，設計師們受困于既有的制造方法。現(xiàn)在你可以不考慮這些限制，設計最適合發(fā)動機的零件，而不是最容易制造的東西?！?br />
Petkova和他們的同事們積極協(xié)助3D打印零部件批量生產(chǎn)的準備工作，他們確定制造流程，并將制造工作轉(zhuǎn)移到GE航空位于阿拉巴馬州奧本市的增材制造工廠。另外，他們也和GE9X的設計人員緊密合作，以幫助他們在發(fā)動機持續(xù)產(chǎn)生測試結(jié)果的情況下，快速且低成本地改進計劃。

GE9X將300多個發(fā)動機部件組合成7個3D打印的部件，其中包括能精確地讓燃料和空氣的混合物進入燃燒室的燃油噴嘴、低壓渦輪葉片和熱交換器。另一個是導流器，它能讓發(fā)動機排出吸入的灰塵、沙子和其他碎片，延長發(fā)動機的使用壽命。這樣創(chuàng)新的設計很難被制造出來，甚至于之前GE也從未在商用噴氣發(fā)動機中使用過。

“除了3D打印，這樣的導流器無法通過其他任何方式制造，”GE航空的高級制造工程師Zach Studt說。如此一來，增材制造就為發(fā)動機在更大程度上創(chuàng)造了更好的性能表現(xiàn)，通過不同的制造過程交付更好的產(chǎn)品。未來，也許大部分的發(fā)動機都會裝配同款導流器。

但增材制造的作用不止于此。它不僅精確，而且考慮到所制造零件的復雜性，它的生產(chǎn)速度還足夠快。就拿燃燒室旋流器來說，它的工作原理就像汽車的化油器，讓發(fā)動機在噴嘴中獲得準確的燃油空氣比。過去，GE通過在模具中澆注熔融金屬來制造這些旋流器，這個過程被稱為鑄造。但是，制作模具的過程和工具不僅慢，且造價高，相對缺乏靈活性的工序讓設計師難以做出改進。3D打印在此時再次發(fā)揮了作用。Studt說：“相比于許多傳統(tǒng)制造方式，3D打印能讓我們更快融入新的設計流程中，而且我們不必在設計上做出妥協(xié)?！?br />
這點非常重要。因為發(fā)動機的開發(fā)和測試工作是按照與飛機制造商商定的時間表來嚴格進行的。對于GE9X而言，飛機制造商便是波音公司。增材制造的優(yōu)點體現(xiàn)在，當來自第一臺測試發(fā)動機的測試結(jié)果出現(xiàn)時，團隊能夠及時分析、深入了解，并在第二臺測試發(fā)動機上進行相應的設計改動。Petkova說，“我們有許多不同的構(gòu)型，我們學到最多的是如果使用3D打印之外的其他方式，我們是無法趕上進度要求的。”

包括七個3D打印部件。圖片來源：Alex Schroff

在ATC，團隊用Concept Laser提供的機器打印了GE9X的零件，例如漩流器和導流器。Concept Laser是一家德國公司，于2016年被GE收購至增材制造部門旗下。低壓渦輪葉片是由Arcam打印設備制造完成的，該公司也在2016年歸入GE旗下。此外，Arcam還生產(chǎn)用于3D打印的金屬粉末。Studt說，“我們利用GE航空和GE增材制造同處一棟大樓的優(yōu)勢互幫互助，讓GE增材制造生產(chǎn)出業(yè)內(nèi)一流的機器，還幫助GE航空集團制造出最好的發(fā)動機零件?！?br />
GE9X的各項取證測試即將全部完成，預計在今年晚些時候?qū)@得適航認證。目前，GE航空集團生產(chǎn)了8臺GE9X發(fā)動機及兩臺備發(fā)以支持波音的測試項目。前3架飛機的發(fā)動機已順利交付，剩余發(fā)動機將會在接下來的幾周內(nèi)交付至西雅圖。

除了GE9X發(fā)動機，ATC的團隊正在和開發(fā)Catalyst的工程師們密切合作，這將是30年來首個從零開始設計的新型渦輪螺旋槳發(fā)動機，他們采用3D打印技術(shù)將數(shù)百個發(fā)動機零件組合成十幾個左右的大部件。