3D打印，未來航空發動機制造領域的關鍵詞
時間：2019-02-28 08:38 來源：空軍裝備部 作者：中國3D打印網 閱讀：次
航空發動機作為工業制造成就的集大成者，是一個國家制造業水平的重要標志。隨著國家“十三五”戰略的穩步推進，我國的航空發動機制造產業雖然取得了突飛猛進的發展，但對低成本、短周期、質量輕、強度大等制造工藝的追求也越發緊迫。3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志，它為材料和結構提供了一種新的制造方法，為航空發動機關鍵技術突破和性能指標提升帶來更多的可能性。
1 技術簡介
3D打印技術(3D printing)是快速成型技術(Rapid Prototyping，RP)的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，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造物體的技術，極大地縮短了產品的研制周期和加工周期[2]，其實現的主要方法包括：
1.1 分層實體制造
分層實體制造技術（Laminated Object Manufacturing，LOM）其工作原理如圖1所示，首先供料機構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，并剔除輪廓區外的材料，從而完成所需產品的制造。
1.2 光固化立體成形
光固化立體成形技術（Stereo Lithography Apparatus，SLA）其工作原理如圖2所示，首先在液槽中充滿液態光敏樹脂，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，液態光敏樹脂實現會快速固化成型，之后利用升降臺的高度調整實現逐層打印，最終實現層層疊加構成三維實體。
1.3 熔積成形
熔積成形（Fused Deposition Modeling，FDM），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，按照計算機所設計的橫截面逐層堆積，最終得到成型零件的技術。
1.4 選擇性激光燒結
選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)，其工作原理如圖4所示，該技術主要是通過控制激光束按照預先設定路徑對粉末材料進行層層燒結而成型的技術，是一種由離散點層層堆積成三維實體的工藝方法。
在航空發動機制造領域，高性能金屬構件選擇性激光燒結技術是最前沿的3D打印技術。該技術從零件數模一步實現高性能大型復雜構件的成形,成形構件形狀之復雜、節省材料程度之高，是傳統鑄造和機械加工方法難以企及的。
2 發展現狀
3D打印技術自問世以來，憑借在大尺寸零件一體化制造、異型復雜結構件制造、變批量定制結構件制造方面的巨大優勢，在航空發動機制造領域大放異彩，目前3D打印技術已成為是歐美發達國家首選的航空發動機零部件制造技術。
2.1 國外發展現狀
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，成為全球工業制造業第一個將采用3D打印制造的金屬零部件應用于實際生產中公司。GE公司通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優化，將噴油嘴的零件數量從20多個減少到一個，通過3D打印實現結構一體化，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發動機的性能。近日，通用電氣公司采用3D打印技術制造了一臺微型噴氣式發動機，該發動機轉速高達33000r/min，將被應用于無人機。
2.2 國內發展現狀
進入21世紀以來，以中航工業為代表的工業部門開始研究和應用3D打印技術，尤其在航空發動機的復雜部件加工中已開展了大范圍3D打印技術研究和產品加工。中國航發商發已完成增材制造微型渦噴發動機。中國航發航材院牽頭的國家重點基礎材料技術提升與產業化項目“超細3D打印有色/難熔金屬球形粉末制備技術”已經啟動。截至目前，中國航發和其他國內科研機構先后針對渦輪氣冷葉片、燃油組件、殼體、封嚴塊、噴嘴、整體葉盤、整體導向器、軸承座、葉柵等零件開展了探索研究，均取得了積極進展。
3 前景分析
3D打印技術能夠自動、快速、直接、精準地將計算機中的三維設計轉化為實物模型，從研制階段打印模型到外場服務甚至戰時打印備件，其技術優勢能夠廣泛應用于航空發動機的全壽命過程中。
3.1 設計研制階段
航空發動機本身就是“試出來的”產品，在設計階段，產品技術狀態尚未固化，存在大量技術狀態更改，各種零部件樣件需頻繁生產，傳統上每一輪改進都需要對模具進行修改，不僅增加制造成本，且生產周期較長，嚴重拖延了設計進程，加之我國航空發動機設計和生產分離，信息傳遞存在滯后甚至存在設計和生產脫節等問題。3D打印技術將設計、制造甚至維護過程融為一體，即實現了“設計即生產”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，設計變量更多，組合更復雜，然而這些參數及其后果都是可重復可追溯的，因此可有效利用大數據和云端積累并深度學習，再通過云端管理對全球所有增材制造設備在線監控，決策，控制，最終使航空發動機的研制更加科學，加快了裝備的更新周期。
3.2 生產制造階段
一是提升強度、減輕重量，提高發動機整體性能。
推重比是航空發動機的重要參數指標，減重一直是航空發動機制造的重要目標。目前航空發動機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，又減少零部件數量從而減輕了發動機的重量，以PW1500G 發動機為例，其采用3D打印技術生產的試驗部件比傳統工藝制造的該部件重量減輕50%。發動機整體重量的減輕，能夠產生更高的加速度，有效增加續航里程，擴大作戰半徑且降低了飛行成本。
二是降低成本、縮短周期，提升發動機生產效率。
航空發動機中使用的鈦合金、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略材料。采用傳統的加工制造方法，材料使用率較低，一般不大于10%。以某型發動機整體葉片為例，傳統制造工藝類似于“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制造的1/20，能夠大幅的縮短發動機的生產周期，提高發動機的交付效率。詳見表1所示：
三是減少環節、降低要求，提升發動機產品質量
航空發動機每臺零部件上以千計，組裝過程需要上百道工序，且生產和安裝對工人生產技能要求較高，如若裝配不合理極易引起零部件存在應力產生斷裂、間隙過大引起發動機漏氣致使性能不合格或由于連接不穩固導致發動機產生振動故障。在某型號發動機故障統計中，由于裝配原因導致的故障約占10%，裝配工人水平的高低能夠直接影響到發動機的整機質量的好壞。采用3D打印的零部件一體成型，降低了工人的技能要求，減少了部分裝配環節，避免了人工差錯所帶來的影響，且結構之間的穩固性和連接強度要高于焊接等傳統方法，對發動機產品質量有較大提升。
3.3 維修服務階段
軍用航空發動機由于戰訓任務重、使用條件極端等原因，在使用工作中損傷模式復雜，零備件需求量大，在外場使用過程中雖有專業的跟飛保障團隊進行維護，但每年仍有部分發動機需返廠進行維修，嚴重影響了我軍的戰斗力。3D打印為再制造提供了個性化、高效率的實現手段，是歐美發達國家首選的航空發動機零部件再制造技術。
一是按需打印，提升部隊發動機完好率
在發動機使用維護過程中，到壽件、易損件、必換件等零部件需求量大，各型號零部件技術狀態也會不同，外場部隊又不可能存放大量存放，便會出現發動機停飛待件的情況。3D打印技術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據包，便可按需打印零部件。特別是戰時狀態，戰場上如果需要更換損毀部件，采用3D打印設備直接在戰場把所需要的部件制造出來，裝配后重新投入戰場，避免裝備某個零部件出現故障卻無法維修的窘境，從而使遭到毀傷的武器裝備得到再生。
二是及時貫改，不斷提升發動機性能
我國的航空發動機目前還處于逐漸走向成熟的階段，使用過程中故障偶有發生。由于外場單位分散，距離承制單位較遠，致使返廠周期較長，同時為了保持部隊戰斗力，一些排故措施和技術改進不得不結合發動機到壽返廠后一并貫徹，影響了發動機的可靠性。如若外場采用3D打印技術，只需要更新數據包便可以第一時間打印出新結構、新材料的零部件進行更換，大大減少了產品長途運輸時間，避免了貫改滯后，加快了裝備的更新周期，提升了發動機的可靠性。
4 總結
3D打印技術目前雖然在精度還是機械性能上與傳統制造工藝還有差距，但其所帶來的全新設計理念正是中國發展航空發動機的重大機遇。在這一機遇面前，我們應快速推進3D打印設計和制造的理念、方法、手段、工具和相應的規范準則，共同努力，打造出更輕、更高效、更安全、更環保、更可靠航空發動機，助力我軍早日實現強軍夢。
1 技術簡介
3D打印技術(3D printing)是快速成型技術(Rapid Prototyping，RP)的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，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造物體的技術，極大地縮短了產品的研制周期和加工周期[2]，其實現的主要方法包括：
1.1 分層實體制造
分層實體制造技術（Laminated Object Manufacturing，LOM）其工作原理如圖1所示，首先供料機構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，并剔除輪廓區外的材料，從而完成所需產品的制造。
圖1 分層實體制造技術工作原理
1.2 光固化立體成形
光固化立體成形技術（Stereo Lithography Apparatus，SLA）其工作原理如圖2所示，首先在液槽中充滿液態光敏樹脂，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，液態光敏樹脂實現會快速固化成型，之后利用升降臺的高度調整實現逐層打印，最終實現層層疊加構成三維實體。
圖2 光固化立體成形技術工作原理
1.3 熔積成形
熔積成形（Fused Deposition Modeling，FDM），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，按照計算機所設計的橫截面逐層堆積，最終得到成型零件的技術。
圖3 熔積成形技術工作原理
1.4 選擇性激光燒結
選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)，其工作原理如圖4所示，該技術主要是通過控制激光束按照預先設定路徑對粉末材料進行層層燒結而成型的技術，是一種由離散點層層堆積成三維實體的工藝方法。
圖4 選擇性激光燒結技術工作原理
在航空發動機制造領域，高性能金屬構件選擇性激光燒結技術是最前沿的3D打印技術。該技術從零件數模一步實現高性能大型復雜構件的成形,成形構件形狀之復雜、節省材料程度之高，是傳統鑄造和機械加工方法難以企及的。
2 發展現狀
3D打印技術自問世以來，憑借在大尺寸零件一體化制造、異型復雜結構件制造、變批量定制結構件制造方面的巨大優勢，在航空發動機制造領域大放異彩，目前3D打印技術已成為是歐美發達國家首選的航空發動機零部件制造技術。
2.1 國外發展現狀
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，成為全球工業制造業第一個將采用3D打印制造的金屬零部件應用于實際生產中公司。GE公司通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優化，將噴油嘴的零件數量從20多個減少到一個，通過3D打印實現結構一體化，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發動機的性能。近日，通用電氣公司采用3D打印技術制造了一臺微型噴氣式發動機，該發動機轉速高達33000r/min，將被應用于無人機。
2.2 國內發展現狀
進入21世紀以來，以中航工業為代表的工業部門開始研究和應用3D打印技術，尤其在航空發動機的復雜部件加工中已開展了大范圍3D打印技術研究和產品加工。中國航發商發已完成增材制造微型渦噴發動機。中國航發航材院牽頭的國家重點基礎材料技術提升與產業化項目“超細3D打印有色/難熔金屬球形粉末制備技術”已經啟動。截至目前，中國航發和其他國內科研機構先后針對渦輪氣冷葉片、燃油組件、殼體、封嚴塊、噴嘴、整體葉盤、整體導向器、軸承座、葉柵等零件開展了探索研究，均取得了積極進展。
3 前景分析
3D打印技術能夠自動、快速、直接、精準地將計算機中的三維設計轉化為實物模型，從研制階段打印模型到外場服務甚至戰時打印備件，其技術優勢能夠廣泛應用于航空發動機的全壽命過程中。
3.1 設計研制階段
航空發動機本身就是“試出來的”產品，在設計階段，產品技術狀態尚未固化，存在大量技術狀態更改，各種零部件樣件需頻繁生產，傳統上每一輪改進都需要對模具進行修改，不僅增加制造成本，且生產周期較長，嚴重拖延了設計進程，加之我國航空發動機設計和生產分離，信息傳遞存在滯后甚至存在設計和生產脫節等問題。3D打印技術將設計、制造甚至維護過程融為一體，即實現了“設計即生產”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，設計變量更多，組合更復雜，然而這些參數及其后果都是可重復可追溯的，因此可有效利用大數據和云端積累并深度學習，再通過云端管理對全球所有增材制造設備在線監控，決策，控制，最終使航空發動機的研制更加科學，加快了裝備的更新周期。
3.2 生產制造階段
一是提升強度、減輕重量，提高發動機整體性能。
推重比是航空發動機的重要參數指標，減重一直是航空發動機制造的重要目標。目前航空發動機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，又減少零部件數量從而減輕了發動機的重量，以PW1500G 發動機為例，其采用3D打印技術生產的試驗部件比傳統工藝制造的該部件重量減輕50%。發動機整體重量的減輕，能夠產生更高的加速度，有效增加續航里程，擴大作戰半徑且降低了飛行成本。
二是降低成本、縮短周期，提升發動機生產效率。
航空發動機中使用的鈦合金、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略材料。采用傳統的加工制造方法，材料使用率較低，一般不大于10%。以某型發動機整體葉片為例，傳統制造工藝類似于“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制造的1/20，能夠大幅的縮短發動機的生產周期，提高發動機的交付效率。詳見表1所示：
表1 航空盤形零件采用3D打印技術與傳統制造方式的對比
三是減少環節、降低要求，提升發動機產品質量
航空發動機每臺零部件上以千計，組裝過程需要上百道工序，且生產和安裝對工人生產技能要求較高，如若裝配不合理極易引起零部件存在應力產生斷裂、間隙過大引起發動機漏氣致使性能不合格或由于連接不穩固導致發動機產生振動故障。在某型號發動機故障統計中，由于裝配原因導致的故障約占10%，裝配工人水平的高低能夠直接影響到發動機的整機質量的好壞。采用3D打印的零部件一體成型，降低了工人的技能要求，減少了部分裝配環節，避免了人工差錯所帶來的影響，且結構之間的穩固性和連接強度要高于焊接等傳統方法，對發動機產品質量有較大提升。
3.3 維修服務階段
軍用航空發動機由于戰訓任務重、使用條件極端等原因，在使用工作中損傷模式復雜，零備件需求量大，在外場使用過程中雖有專業的跟飛保障團隊進行維護，但每年仍有部分發動機需返廠進行維修，嚴重影響了我軍的戰斗力。3D打印為再制造提供了個性化、高效率的實現手段，是歐美發達國家首選的航空發動機零部件再制造技術。
一是按需打印，提升部隊發動機完好率
在發動機使用維護過程中，到壽件、易損件、必換件等零部件需求量大，各型號零部件技術狀態也會不同，外場部隊又不可能存放大量存放，便會出現發動機停飛待件的情況。3D打印技術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據包，便可按需打印零部件。特別是戰時狀態，戰場上如果需要更換損毀部件，采用3D打印設備直接在戰場把所需要的部件制造出來，裝配后重新投入戰場，避免裝備某個零部件出現故障卻無法維修的窘境，從而使遭到毀傷的武器裝備得到再生。
二是及時貫改，不斷提升發動機性能
我國的航空發動機目前還處于逐漸走向成熟的階段，使用過程中故障偶有發生。由于外場單位分散，距離承制單位較遠，致使返廠周期較長，同時為了保持部隊戰斗力，一些排故措施和技術改進不得不結合發動機到壽返廠后一并貫徹，影響了發動機的可靠性。如若外場采用3D打印技術，只需要更新數據包便可以第一時間打印出新結構、新材料的零部件進行更換，大大減少了產品長途運輸時間，避免了貫改滯后，加快了裝備的更新周期，提升了發動機的可靠性。
4 總結
3D打印技術目前雖然在精度還是機械性能上與傳統制造工藝還有差距，但其所帶來的全新設計理念正是中國發展航空發動機的重大機遇。在這一機遇面前，我們應快速推進3D打印設計和制造的理念、方法、手段、工具和相應的規范準則，共同努力，打造出更輕、更高效、更安全、更環保、更可靠航空發動機，助力我軍早日實現強軍夢。
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