揭秘GKN的增材制造布局

GKN（吉凱恩集團）是全球性的工程服務(wù)公司，包括航空航天、汽車傳動系統(tǒng)、粉末冶金和地面特種車輛四大業(yè)務(wù)板塊。通過多次收購，GKN航空航天業(yè)務(wù)板塊逐漸建立起世界級的服務(wù)能力。據(jù)南極熊了解吉凱恩旗下的Hoeganaes有限公司生產(chǎn)的金屬粉末制品在北美地區(qū)所占的市場份額超過了50%,Hoeganaes有限公司的產(chǎn)品在歐洲金屬粉末制品市場的銷售也呈快速增長。

圍繞著強大的航空航天業(yè)務(wù)版圖，GKN打造了三個增材制造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心，GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心，GKN英國Filton增材制造卓越中心。

圖：GKN的航空卓越中心及研究伙伴

通過增材制造中心將集團內(nèi)部的航空航天零部件制造、增材制造及材料研發(fā)的能力進行整合，推進增材制造技術(shù)在航空制造業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。一起來了解GKN航空航天部門在增材制造領(lǐng)域的布局。

來源：GKN

GKN的收購“大事件”

首先讓我們了解一下GKN在航空航天業(yè)務(wù)領(lǐng)域的收購里程碑：

-2001年，GKN收購了波音公司在美國圣路易斯的結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)工廠，加強了與波音公司在金屬與復(fù)合技術(shù)領(lǐng)域的合作關(guān)系。

-2009年，收購空客在英國Filton的生產(chǎn)和組裝工廠，增強了在金屬航空結(jié)構(gòu)件裝配方面的實力。

-2012年，GKN收購了瑞典沃爾沃航空，打造了在航空發(fā)動機零部件的市場領(lǐng)導(dǎo)地位，擴展了GKN航空航天業(yè)務(wù)。

-2015年，GKN收購荷蘭的�？思夹g(shù)，此舉將有助于拓展GKN的國際業(yè)務(wù)，并且可以增加在航空業(yè)務(wù)和飛機電線系統(tǒng)市場中的地位。

通過這些收購，GKN進一步完善了其航空航天制造業(yè)務(wù)的版圖。航空航天制造業(yè)務(wù)對產(chǎn)品的交期、性能要求最為嚴(yán)格，同時對昂貴制造材料的成本節(jié)約也有迫切需求，這些需求也正是GKN 打造增材制造能力的主要動力。

圖片：增材制造（左）和傳統(tǒng)技術(shù)（右）對材料的利用率對比

在交期方面，GKN有些復(fù)雜零部件通過傳統(tǒng)制造開模技術(shù)迭代的周期長達2年，采用了增材制造技術(shù)之后可將迭代周期縮短至1年之內(nèi)。在成本方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在更高的材料利用率和能源效率上，增材制造技術(shù)對鈦合金這種昂貴的航空材料的利用率接近100%。

圖片：GKN SLM 3D打印零部件

增材制造技術(shù)交期和成本上的優(yōu)勢是與傳統(tǒng)制造技術(shù)相對而言的，而增材制造技術(shù)所帶來的產(chǎn)品性能方面的優(yōu)勢指的是該技術(shù)可以為航空航天制造業(yè)務(wù)提供傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)的特殊零部件，例如，增材制造技術(shù)可以制造拓撲優(yōu)化的具有特殊幾何結(jié)構(gòu)的輕量化零部件。

在設(shè)計增材制造零部件時引入仿生設(shè)計概念也是GKN關(guān)注的重點，增材制造技術(shù)有能力制造出定制化的“原位”復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)。通過控制工藝參數(shù)，增材制造技術(shù)擁有了制造出所需的微結(jié)構(gòu)的潛力，這正是提高零部件性能所需要的能力。

增材制造技術(shù)包括多種不同的工藝，那么GKN 掌握了哪些增材制造技術(shù)？其三大增材制造卓越中心又分別擅側(cè)重于哪項增材制造技術(shù)呢？

精密沉積（Fine-scale deposition）

該技術(shù)既包括電子束融化焊接技術(shù)，將金屬絲作為打印材料，并使用一種功率強大的電子束在真空環(huán)境中通過高達1000℃的高溫來融化打印金屬零部件；也包括送粉技術(shù)，由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，材料以粉末直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積。

GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心負責(zé)以激光束為能量源，對金屬絲材進行熔融沉積成型的技術(shù)。3D科學(xué)谷了解到在這里，GKN 航空航天部門主要將該技術(shù)用于制造大于50cm 的零部件，包括航空結(jié)構(gòu)件以及一些隨著買飛比的顯著提升而降低成本的零部件。

GKN美國增材制造卓越中心與美國橡樹嶺國家實驗室合作，針對大型零部件的增材制造能力，包括法蘭的局部制造或整個部件的制造。

除了GKN美國增材制造卓越中心，GKN 位于瑞典的Trollhätten增材制造卓越中心是大型零件制造的主要基地。在這里，GKN 應(yīng)用這類增材制造技術(shù)制造鈦合金和鎳基合金。GKN對增材制造技術(shù)的應(yīng)用包括三大方面：高價值零部件的維修、中型航空發(fā)動機的制造、航空航天結(jié)構(gòu)件的制造。通過增材制造技術(shù)的應(yīng)用可以減少部件數(shù)量，減少零部件在精加工過程中的材料去除率，提高買飛比。

圖片：GKN

其中，GKN Trollhätten增材制造卓越中心所擁有的電子束金屬絲融化焊接技術(shù)主要用于制造大型GKN航空發(fā)動機零部件以及航天零部件。據(jù)3D科學(xué)谷市場研究，其中的一個經(jīng)典的應(yīng)用是Ariane 5火箭中的Vulcain 2 噴嘴，該零部件重達50kg。這個大型增材制造零部件增強了結(jié)構(gòu)，節(jié)約了制造成本。

而GKN Trollhätten中心的送粉激光粉末沉積技術(shù)主要應(yīng)用于鈦合金和鎳基合金零部件的修復(fù)。

粉末床技術(shù)

GKN應(yīng)用的粉末床技術(shù)包括選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融技術(shù)(EBM)。其中，EBM 技術(shù)主要用于制造Ti-6Al-4V鈦合金小到中型零部件。SLM技術(shù)制造的重點領(lǐng)域是鈦合金和鎳基高溫合金零部件，以及復(fù)雜零部件和高附加值零部件。

圖片：GKN Filton中心制造的零部件

負責(zé)推進這些應(yīng)用的GKN Filton增材制造卓越中心擁有12臺增材制造設(shè)備，這里的設(shè)備被劃分為三個單元，其中兩個單元為EBM設(shè)備，第三個單元為SLM 設(shè)備。第一個單元的EBM設(shè)備主要用作研究用途，用來研究工藝參數(shù)與隨之產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)和性能控制。這些信息的分析結(jié)果將用于設(shè)置第二個單元中設(shè)備的工藝參數(shù)，繼而進行鈦合金零部件的小批量生產(chǎn)。除了增材制造設(shè)備，F(xiàn)ilton增材制造卓越中心還設(shè)有材料實驗室，對粉末材料的特征、質(zhì)量進行測試和控制。

圖片: GKN EBM設(shè)備制造的支架，部分已經(jīng)過機加工

以上這些設(shè)備和材料主要服務(wù)于鈦合金和鎳基合金零部件的制造。通過增材制造技術(shù)，GEN Filton中心為復(fù)雜零部件的制造有效節(jié)約了成本，同時還通過制造集成式的零部件和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的零部件提高了產(chǎn)品性能，產(chǎn)品性能的提升體現(xiàn)為對飛機性能的提升以及降低能源消耗的成本。

塑料的增材制造

GKN的塑料類產(chǎn)品的增材制造技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）和FDM（熔融沉積）兩種技術(shù)。SLS技術(shù)的打印材料主要為尼龍粉末，F(xiàn)DM的打印材料則包括多種熱塑性塑料絲材。兩種工藝均用于模具制造和快速原型。高分子塑料的增材制造也是由GKN Filton增材制造卓越中心負責(zé)推進的。

用增材制造技術(shù)進行航空零部件批量生產(chǎn)的工作已在GKN航空航天部門強勢展開，GKN航空增材制造部的主管Sharman博士預(yù)計，GKN將迎來增材制造技術(shù)應(yīng)用的加速發(fā)展，接下來在GKN將與Rolls-Royce合作制造XWB-84大型航空發(fā)動機，該發(fā)動機也將引入增材制造技術(shù)制造輕量化以及高性能的壓氣機殼體。

來源：GKN

正如羅馬不是一日建成的，GKN對于增材制造的前景保持信心的同時，也將增材制造在制造領(lǐng)域的應(yīng)用分為不同的發(fā)展時期來看，增材制造將從現(xiàn)今的近凈形零件修復(fù)與制造，發(fā)展到用于完全優(yōu)化的零件與系統(tǒng)的制造以及定制化的微結(jié)構(gòu)，功能級別的材料制造。與此同時，增材制造在航空航天領(lǐng)域?qū)⒄加性絹碓街匾�的地位，也將出現(xiàn)更多的100%通過增材制造技術(shù)制造出來的航空零件。

來源：GKN

零部件的可靠性、質(zhì)量、可重復(fù)的工藝，以及合格的材料，是用戶能否接受增材制造的零部件重要因素。GKN對這一系列的質(zhì)量控制工作高度重視，并通過對樣品的測試來進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。未來，GKN的增材制造技術(shù)將為GKN集團內(nèi)部的更多部門和外部的合作伙伴提供服務(wù)。

參考資料：
GKN Technology Leading the way toward more efficient aircraft
GKN Aerospace – Technology and Innovation for the Future of Composites Manufacturing
GKN Aerospace – Additive Manufacturing

來源：3d科學(xué)谷
延伸閱讀：
GKN與TLS合資生產(chǎn)3D打印用鈦金屬粉末