3D打印技術(shù)在航空發(fā)動機維修中的應(yīng)用

來源：3D打印研究院

3D打印技術(shù)近幾年的發(fā)展飛速，在國內(nèi)外的航空領(lǐng)域，都屬于前沿研究技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域之一。而3D打印在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用不僅是關(guān)鍵零部件制造，它在航空發(fā)動機維修應(yīng)用中也日漸受到重視。首先和大家科普一下，航空發(fā)動機的維修場景都涉及些什么：

1、發(fā)動機維修零備件的采購
2、發(fā)動機戰(zhàn)場裝備的應(yīng)急維修
3、航空發(fā)動機維修中零部件的再制造

發(fā)動機維修零備件的采購就一個字，難。

01 一般這些零備件的采購包括到壽件、易損件、必換件等。

國內(nèi)航空發(fā)動機現(xiàn)狀是“多品種，小批量”而且仍有部分進口發(fā)動機服役，導(dǎo)致備件種類繁多且不可相互代替。所以零備件采購后的庫存管理存在很多問題，例如：
1、需要使用的備件缺貨，導(dǎo)致影響生產(chǎn)進度；
2、大量庫存過期或老化，造成經(jīng)濟浪費；
3、庫存運營成本高，需要大量的空間和人力盤點和維護庫存，等等
利用3D打印制造出所需要的零備件，使原本采用傳統(tǒng)方法短時間內(nèi)無法滿足設(shè)備、工藝等基礎(chǔ)條件的航空發(fā)動機維修企業(yè)也具備了零部件制造能力，既節(jié)約了制造成本，又縮短了維修周期。

02 在未來信息化高技術(shù)戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場上如果需要更換毀損部件，那么發(fā)動機戰(zhàn)場裝備的應(yīng)急維修也是重中之重。
應(yīng)急維修最主要的條件就是“及時”、“快速”。如果在戰(zhàn)場上無法及時制造毀損不見，那么可能會出現(xiàn)裝備某個零部件出現(xiàn)故障卻無法維修的窘境。
但是采用3D打印設(shè)備可以直接在戰(zhàn)場上把所需要的部件制造出來，裝配后再投入戰(zhàn)場，真正地做到了“應(yīng)急”搶修。

03 在歐美國家，航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件如壓氣機葉片、渦輪葉片等的再制造技術(shù)是被嚴密封鎖的關(guān)鍵核心技術(shù)，因為每當(dāng)發(fā)動機工作時都會導(dǎo)致這些零部件損傷報廢嚴重，成為制約發(fā)動機維修周期和成本的主要因素。

其實以上三個維修應(yīng)用場景的核心就是3D打印技術(shù)的制造與再制造，適用于航空發(fā)動機金屬零部件制造與再制造的3D打印技術(shù)主要如下圖：

針對發(fā)動機維修零備件的采購和發(fā)動機戰(zhàn)場裝備的應(yīng)急維修的兩個場景中，主要涉及的都是利用3D打印技術(shù)來制造航空發(fā)動機零部件，而3D打印研究院其實已經(jīng)針對這個方面發(fā)表了幾篇文章。

所以今天的重點就在于，3D打印技術(shù)在維修與再制造發(fā)動機零部件的應(yīng)用。

在這個過程中應(yīng)用了一個技術(shù)概念，那就是“3D打印再制造”，也稱為“增材修復(fù)技術(shù)”，指的就是融合了3D 打印技術(shù)和再制造技術(shù)。
近年來，進入實施階段的3D打印再制造技術(shù)種類包括了：激光再制造技術(shù)、再制造毛坯快速成型技術(shù)、冷/熱噴涂技術(shù)、各類堆焊等。
然而，像噴涂技術(shù)或者各種堆焊技術(shù)都存在一定的局限性。

例如熱噴涂技術(shù)，其涂層內(nèi)部存在1%~2%的孔隙率，涂層與基體結(jié)合強度低；堆焊技術(shù)在進行大面積沉積作業(yè)的時候會有效能低、成本高和表面精度低等問題，不適用于綠色循環(huán)經(jīng)濟。

△熱噴涂技術(shù)

所以目前來說，對關(guān)鍵重要零部件進行修復(fù)和再制造技術(shù)中運用得最多的就是激光再制造技術(shù)。
激光再制造技術(shù)是被綠色循環(huán)經(jīng)濟大力提倡的技術(shù)。它以能源節(jié)省、資源節(jié)約、保護生態(tài)環(huán)境為主要特色，能夠?qū)�廢舊部件剩余價值進行開發(fā)以及利用，減少了大量報廢、失效零件對生態(tài)環(huán)境可能造成的危害。

激光再制造技術(shù)可用于激光再制造的前、中、后處理，具體的技術(shù)分類如下圖：

△激光再制造技術(shù)分類

圖中的“激光成形修復(fù)技術(shù)”是激光再制造技術(shù)的核心，其中的激光熔覆成形和激光快速成形屬于的3D打印技術(shù)。目前應(yīng)用較為廣泛的就是激光熔覆成形技術(shù)。

那什么是激光熔覆成形？它在維修時候的工藝流程是什么樣的呢？

△激光熔覆成形

激光熔覆成形技術(shù)屬于表面增材技術(shù)，可以對失效的零件進行再制造，延長其使用壽命。它是利用高能激光束輻照，通過迅速熔化、擴展和凝固，在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料，構(gòu)成一種不同于基材的新材料，以彌補基體所缺少的高性能。

此外，激光熔覆技術(shù)也是可以滿足成形、成性一體化需求的增材制造技術(shù)，可兼顧精確成形和高性能成性，集激光技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)及材料技術(shù)等諸多現(xiàn)代先進技術(shù)于一體，已逐漸發(fā)展成為可實現(xiàn)智能制造的先進技術(shù)。

激光熔覆技術(shù)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1、激光束有較高能量密度，僅僅需要將少許能量注入就可實現(xiàn)激光熔覆。
2、激光熔覆層有著比較低的稀釋率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，熔覆材料的成分也將決定熔覆層的成分及性能。
3、激光熔覆層微觀缺陷少，有著較為致密的組織。
4、能夠精確控制熔覆層。

它在維修時候的主要涉及的工藝流程如下：

不過，在3D打印技術(shù)在航空發(fā)動機維修中的應(yīng)用中，也依然存在一些問題：
1、許多航空發(fā)動機維修企業(yè)3D打印技術(shù)手段缺乏；
2、用戶對再制造產(chǎn)品的認可度有待提高。

結(jié)語

隨著現(xiàn)在科技的不斷發(fā)展，大功率的新型激光器能夠更好的滿足材料對能量的吸收，模擬軟件的不斷更新?lián)Q代也為激光熔覆技術(shù)的革新和進一步發(fā)展提供了保障。激光熔覆技術(shù)作為綠色3D打印技術(shù)再制造技術(shù)之一，不僅會在航空發(fā)動機的維修與再制造中得到深入應(yīng)用，相信在其他領(lǐng)域也會逐漸得到認可。