通用增材業(yè)務(wù)劉志剛：2019年GE航空將3D打印近40000個(gè)金屬件

前不久時(shí)間，南極熊在通用電氣航空集團(tuán)增材業(yè)務(wù)北區(qū)總監(jiān)劉志剛的帶領(lǐng)下，參觀了北京GE大樓，深深感受到這個(gè)電氣巨頭（美國(guó)發(fā)明大王愛(ài)迪生是其創(chuàng)始人）為人類科技的進(jìn)步而做出的貢獻(xiàn)。

在3D打印領(lǐng)域，憑借收購(gòu)的兩家金屬3D打印企業(yè)，GE已經(jīng)變?yōu)槿�球最大最具�?jìng)爭(zhēng)力的公司。甚至有不少業(yè)內(nèi)人士紛紛預(yù)測(cè)，以后，3D打印產(chǎn)業(yè)，將是傳統(tǒng)工業(yè)巨頭的天下。

下面，南極熊帶你閱讀通用電氣航空集團(tuán)增材業(yè)務(wù)北區(qū)總監(jiān)劉志剛，在杭州·2018年中國(guó)增材制造大會(huì)上的主題演講。

劉志剛：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位業(yè)界的朋友，今天非常感謝三院，尤其是159，邀請(qǐng)我來(lái)做航空應(yīng)用的分享。我也注意到，很多關(guān)于GE的應(yīng)用前面的演講嘉賓已經(jīng)涉及到了，所以我會(huì)講的快一點(diǎn)。因?yàn)橐郧案鷺I(yè)界朋友溝通過(guò)程中，他們對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)非常了解，中國(guó)增材制造的發(fā)展在世界上也是在前面的，所以他們更關(guān)注應(yīng)用，所以我講的內(nèi)容絕大部分是關(guān)于應(yīng)用的案例。

    先放一個(gè)視頻，是關(guān)于最新的增材制造模型最大的發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)是指它的通道面積最大。大家可以注意到，前面的葉片只有16級(jí)，現(xiàn)在大家都在開(kāi)發(fā)大涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)，它的效率在亞勻速的情況下是比較高的。為什么我要放這個(gè)視頻呢？因?yàn)樵谶@個(gè)視頻上是在最先進(jìn)、最大的發(fā)動(dòng)機(jī)上有270多個(gè)構(gòu)件都是通過(guò)3D打印打印出來(lái)的，而且有幾個(gè)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的。在業(yè)界有很多人都在做3D打印，但是GE從接觸3D打印第一天開(kāi)始就是從關(guān)鍵部件開(kāi)始，所以是從高起點(diǎn)開(kāi)始的。

   

首先前面部分先講一下增材業(yè)務(wù)，就是航空增材制造在航空業(yè)的增長(zhǎng)。6月23號(hào)的時(shí)候我們也做了一個(gè)醫(yī)療論壇，在論壇中我們中國(guó)區(qū)總經(jīng)理陳總也給大家講了一個(gè)圖片。里面提到了增材制造在哪些行業(yè)里面是目前應(yīng)用最廣泛的或者最主要的市場(chǎng)在哪里，主要有三個(gè)市場(chǎng)，第一是航空，第二是醫(yī)療，第三是汽車制造，當(dāng)然目前最主要還是用在航空方面，民用航空應(yīng)用占到50%。從市場(chǎng)角度來(lái)看，增材制造在航空領(lǐng)域從18年到23年，每年大概增長(zhǎng)22%，數(shù)量是相當(dāng)可觀的。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。）
   
為什么說(shuō)增材制造會(huì)在航空這么高端的領(lǐng)域里面得到應(yīng)用呢？最主要由幾個(gè)方面的價(jià)值決定了增材制造在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用。首先是成本的降低，包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴也只是在噴嘴頭部，這部分是用增材制造來(lái)制造的。但是整個(gè)件打出來(lái)并不經(jīng)濟(jì)，所以是增材制造和和傳統(tǒng)制造相配合，它的效益是最高的。另外是簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈，因?yàn)樵綇?fù)雜的部件涉及的環(huán)節(jié)越多，供應(yīng)環(huán)節(jié)的長(zhǎng)度決定了供貨的周期和成本。另外一個(gè)是關(guān)于產(chǎn)品性能，因?yàn)橥ㄟ^(guò)3D打印可以作出以前傳統(tǒng)制造做不出的部件，這樣可以提升力學(xué)性，提高產(chǎn)品的熱力學(xué)性能，同時(shí)由于零部件數(shù)量的減少，使得耐用度也會(huì)提高。第三，前面提到了供應(yīng)鏈問(wèn)題，因?yàn)?D打印的設(shè)計(jì)以后甚至在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品階段，迭代速度要遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)的加工。最后是關(guān)于小批量的生產(chǎn)，比如設(shè)計(jì)某一些型號(hào)，以前非民用的產(chǎn)品可能需要12個(gè)月甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，但現(xiàn)在可能只要6個(gè)月時(shí)間就能開(kāi)發(fā)出新的型號(hào)，這里面包括相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間做設(shè)計(jì)。如果用一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)法，基本上你看到別人做什么了你就可以做出來(lái)，可見(jiàn)即所得。

   

（PPT圖示）這個(gè)圖是在航空里面兩個(gè)最關(guān)鍵的因素決定了應(yīng)用，第一個(gè)圖大家見(jiàn)的比較多了，因?yàn)?D打印的特性決定了打印件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度跟它的成本，實(shí)際上沒(méi)有太大的關(guān)聯(lián)性。但是對(duì)于傳統(tǒng)制造來(lái)說(shuō)，通常來(lái)說(shuō)部件越復(fù)雜制造成本就越高。所以這是一個(gè)設(shè)計(jì)復(fù)雜性跟成本之間的關(guān)系。第二談到供應(yīng)鏈的簡(jiǎn)化，比如現(xiàn)在很多3D打印企業(yè)買了3D打印機(jī)，自己到工廠里面去打印，當(dāng)然后面還要借助傳統(tǒng)的加工。但是按照以前要開(kāi)模、鑄造，是很長(zhǎng)的工藝流程，零件的數(shù)量、參與的工藝廠家、設(shè)計(jì)的界面、維修保養(yǎng)等等，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于現(xiàn)在用3D打印去做。

   

（PPT圖示）這里可能大家比較關(guān)心到底飛機(jī)上哪里適合用3D打印，前面商飛的也進(jìn)行了介紹，包括飛機(jī)的部件和系統(tǒng)，包括一些構(gòu)件，機(jī)身的構(gòu)件、內(nèi)部的飾件、二級(jí)的結(jié)構(gòu)件，當(dāng)然最核心的是在引擎部件。其它的航天衛(wèi)星部件，國(guó)內(nèi)在這塊了解深度非常深了，當(dāng)然還有一些軍用的，包括無(wú)人機(jī)。關(guān)于維修我后面還會(huì)提到，會(huì)有一個(gè)例子。

   

下面我講一下應(yīng)用實(shí)例。在開(kāi)始應(yīng)用實(shí)例之前，還是要講一下這個(gè)圖，為什么我想分享一下GE的增材制造之旅呢？是我看到的GE在今天3D打印領(lǐng)域有大量的投入或者使用的程度到了這個(gè)程度，中間是經(jīng)歷了一個(gè)過(guò)程的。GE從2010年開(kāi)始介入做3D打印，一直到真正大規(guī)模去推動(dòng)，中間大概花了至少5年以上時(shí)間才有了這么大的變化。這中間包括作出第一個(gè)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴也好，包括后面低壓透平葉片也好，這中間GE公司也曾經(jīng)對(duì)增材制造能夠多大程度應(yīng)用于航空領(lǐng)域是有疑問(wèn)的。但為什么能夠突破？A-CT7，是這款是GE公司把它拿出來(lái)當(dāng)做一個(gè)驗(yàn)證件打的，打成功對(duì)GE是一個(gè)非常大的鼓舞，其實(shí)是從這里面吸取的經(jīng)驗(yàn)。功率也提高了百分之幾十。前面商飛同志也提到了，還有ATP，這實(shí)際上是給美國(guó)公司做小型公司的，2019年會(huì)做試飛，內(nèi)部測(cè)試已經(jīng)完成。當(dāng)大家看增材的時(shí)候也不僅僅是看哪個(gè)件可以用增材來(lái)做，我跟我們公司的人員溝通，他們會(huì)提出不要老想替換一個(gè)件，更多是拋開(kāi)以前的設(shè)計(jì)，GE以前開(kāi)使用3D打印的時(shí)候，做3D打印研發(fā)設(shè)計(jì)組跟傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)組在一起工作，所以進(jìn)度非常慢，后來(lái)直接強(qiáng)制分開(kāi)工作。 由比如學(xué)材料專業(yè)和空氣動(dòng)力學(xué)的人單獨(dú)去設(shè)計(jì)零部件，這樣才真正有收獲。不管航空也好、航天也好，歸根到底是材料學(xué)，航空集團(tuán)有2000多個(gè)材料工程師，在國(guó)內(nèi)哪個(gè)公司里面有這么多人做材料研究？

   

這是9X發(fā)動(dòng)機(jī)，有270多個(gè)部件是3D打印，其中有兩個(gè)大家最關(guān)心的，就是LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，另外是發(fā)動(dòng)機(jī)低壓級(jí)五六級(jí)葉片，我們用的是電子束打印技術(shù)打印的，因?yàn)橘が斺佷X有在低溫度下加工很容易催裂，這樣電子束加工的過(guò)程就有一個(gè)退火去應(yīng)力的過(guò)程。這些熱通道的部件除了基礎(chǔ)金屬要耐高溫，還需要隔熱涂層以及內(nèi)部的冷卻內(nèi)流道等才能耐受高溫氣體。 但由于電子束打印無(wú)法打印很小的流道，所以事實(shí)心，當(dāng)然到了透瓶低壓段5-6級(jí)， 溫度已經(jīng)充分降低，所以3D打印的葉片目前只能放到五到六級(jí)。

  

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)前面商發(fā)專家也講過(guò)了，昨天我們以前的CEO老莫也講到。我現(xiàn)在給大家講講為什么LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴要用3D打��？它非常復(fù)雜，真正3D打印就是上面一個(gè)小嘴，但同時(shí)可以打很多個(gè)，為什么它這么復(fù)雜呢？這種燃料噴嘴叫TAPS，它看起來(lái)是一個(gè)口，其實(shí)最里面有一個(gè)通道，最里面還有一個(gè)通道，里面有燃料和空氣的混合，外圈有燃料，同時(shí)還加漩流的空氣混合。內(nèi)部屬于擴(kuò)散燃燒， 但擴(kuò)散燃燒火焰w溫度相對(duì)高更高，實(shí)際上在高溫下將氮?dú)庋趸�了，但是外面預(yù)混燃燒的時(shí)候，可以降低它的燃燒溫度。所以內(nèi)部只是輔助的，火焰比較穩(wěn)定，外部是主燃料流道，但外部主燃燒是預(yù)混裝置。這里面真正最細(xì)的地方，以前都是用焊接或者釬焊。 但研發(fā)新leap發(fā)動(dòng)機(jī)用傳統(tǒng)工藝嘗試了8次都失敗了，用3D打印就成功了。

  

我們做了關(guān)于庫(kù)存量、全生命周期的成本，包括制造成本以及部件的重量，這些具體數(shù)據(jù)我不提了。除了看初次打印成本之外，更多也要看全生命周期的成本，這樣就可以綜合去考慮。

   

（PPT圖示）這是剛才提到的ATP，不光在重量上有一定的提升，燃油效率上能提高20%，原來(lái)有2500多個(gè)零件，但現(xiàn)在三分之一的零件都是通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)19年要試飛了，已經(jīng)在GE工廠設(shè)置過(guò)了。

   

（PPT圖示）這也是A-CT7的部件，不管是在部件數(shù)量上還是對(duì)于需要借用的資源上來(lái)說(shuō)，都會(huì)減少很多。

   

（PPT圖示）T901，以前我們打A-CT7的時(shí)候只是作為一個(gè)驗(yàn)證，現(xiàn)在美國(guó)軍方發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)換這一款了。

   

（PPT圖示）再講一下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，這是NASA部件，我不太清楚美國(guó)將來(lái)是不是真的有這么多錢去做，但在新的發(fā)動(dòng)機(jī)上確實(shí)用了3D打印。一個(gè)火箭，一個(gè)剛性的物體在振動(dòng)的過(guò)程中像面條一樣抖動(dòng)，只要有一個(gè)激勵(lì)源，當(dāng)燃料系統(tǒng)推進(jìn)劑管路的脈動(dòng)頻率接近火箭固有頻率的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，這里面需要做減震器，接到推進(jìn)器劑管路里面來(lái)，來(lái)改變它的頻率，降低它的振動(dòng)，并不能完全根除這個(gè)振動(dòng)，更多是降低，避開(kāi)這個(gè)頻率。9個(gè)月的時(shí)間可以縮短成9天，我個(gè)人想它應(yīng)該也用3D打印打了別的件，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)比預(yù)期高了15%。
   
有一家特別有名的做電動(dòng)汽車的公司，他們也發(fā)射火箭，他們火箭中也用我們M2機(jī)器打印了部件，但是由于種種原因要求我們撤掉了宣傳。

   

（PPT圖示）再講一下關(guān)于EBM的應(yīng)用，這三個(gè)東西是油嘴分離器。對(duì)重要的是鈦鋁葉片，重量能減少50%。另外是燃油效率，提高了10%對(duì)于航空公司來(lái)說(shuō)，因?yàn)閷?duì)燃油的消耗是它利潤(rùn)的根本。

   

前面我提到了關(guān)于一些舊設(shè)備的翻新如何去應(yīng)用3D打印，實(shí)際上P51野馬戰(zhàn)斗機(jī)最早美國(guó)是幫英國(guó)人去設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，后來(lái)自己開(kāi)始用了。這么多年目前還有150多架在使用，跟老爺車一樣，可能是懷舊吧。（PPT圖示）這個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是噴氣口，也比較簡(jiǎn)單，二戰(zhàn)的時(shí)候?qū)嶋H上比較粗糙。它以前是焊接的，316不銹鋼，現(xiàn)在通過(guò)3D打印可以減少焊縫，而且兩天就可以打印出來(lái)，但如果沒(méi)有部件的供應(yīng)飛機(jī)很難飛上天。所以我們也在想有什么舊的設(shè)備去翻新，可以定制化的去應(yīng)用3D打印。

   

（PPT圖示）仿真支架不多講了，對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)單。這實(shí)際上是美國(guó)很小的一個(gè)初創(chuàng)公司，它想做射頻陣列天線，以前非常復(fù)雜，但是現(xiàn)在通過(guò)3D打印減輕了95%，也是非常大的一個(gè)成功。

   

（PPT圖示）這是硬廣告部分，我們的設(shè)備首先滿足公司里面的生產(chǎn)，性能要求反饋到生產(chǎn)車間，然后再去改進(jìn)機(jī)型，這樣不斷迭代。上面我挑出來(lái)幾款EBM的機(jī)器，最早是通過(guò)黑色這臺(tái)A2X打的，現(xiàn)在我們新出了Spectra H，出發(fā)點(diǎn)是航空應(yīng)用。另外這個(gè)Q20+很適合打一些鈦合金航空件，國(guó)內(nèi)有兩臺(tái)。下面是激光的M2，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些用戶在用，它的特別的特性是很多機(jī)器不能夠?qū)崿F(xiàn)的，比如前面王教授提到了燃料噴嘴里面的內(nèi)流道，這是不可能做機(jī)加工的，很小，而且非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 當(dāng)然有人會(huì)在內(nèi)部做一些類似電鍍方面的處理，讓它變得更光潔，我們沒(méi)有辦法加工。那M2機(jī)器為什么可以打出精細(xì)流道， 它又一套振鏡可以調(diào)節(jié)焦距，改變光斑的大小，這樣打部件內(nèi)部的時(shí)候可以用大光斑，提高了生產(chǎn)效率，但是到了表面就可以調(diào)成小的光斑，這樣可以打出更加精細(xì)的表面來(lái)。如果應(yīng)用不是特別高的時(shí)候，就可以使用這個(gè)，不用再加工了。MLINE是專門(mén)針對(duì)批量生產(chǎn)研發(fā)的設(shè)備，主要是提高效率。XLINE2000R是目前市面上真正被廣泛應(yīng)用的最大一款激光噴射設(shè)備，國(guó)內(nèi)也有，在國(guó)外大概50多臺(tái)。這款GE工廠先期拿了6臺(tái)在用，可能有十幾臺(tái)，用于打印航空自己的產(chǎn)品。當(dāng)然GE在使用過(guò)程中會(huì)不斷反饋新的信息，所以現(xiàn)在新出來(lái)的2000R性能有些升級(jí)變化的。
   
（PPT圖示）這是我們現(xiàn)在新出來(lái)的一款，也叫M2，加了Z軸重復(fù)定位，振鏡改水冷，性能得到了提升。這里面有一些細(xì)節(jié)，最開(kāi)始打印的時(shí)候不斷有煙進(jìn)入過(guò)濾器，逐步堵塞，這里面加了一個(gè)相當(dāng)于傳感器，后面的氣泵可以通過(guò)變頻來(lái)調(diào)節(jié)，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)流速或者流量降低的時(shí)候就可以調(diào)整。這樣從基板開(kāi)始加工，一直到部件最高部的時(shí)候，所有通的氬氣量或者氮?dú)夤��?yīng)量是同樣的，這樣能夠保證質(zhì)量的一致性。

   

（PPT圖示）這個(gè)材料我不多說(shuō)了，我們收購(gòu)了一個(gè)加拿大的公司，它是世界上做鈦粉最大的公司，一年大概產(chǎn)750噸的鈦粉，占總粉量大概70%。當(dāng)然里面也有一些鎳基合金粉末，比如718，另外也有馬氏體鋼， 應(yīng)該就是高鎳合金鋼。
   
到目前為止，我們已經(jīng)打印了23500個(gè)件，到2019年底的時(shí)候，年產(chǎn)量接近40000個(gè)件，不斷增加。

   

（PPT圖示）這里提到了關(guān)于認(rèn)證的部件，噴嘴是第一個(gè)，另外兩個(gè)我們也申請(qǐng)了，得到認(rèn)證了，同時(shí)還有20個(gè)部件在認(rèn)證中，應(yīng)該沒(méi)有太多的懸念。
   
這是波音在787上面的3D打印，Arconic是美國(guó)鋁業(yè)分出來(lái)的， 這個(gè)件他們是打了用于獵戶座飛船，另外是GE民用發(fā)動(dòng)機(jī)要求非常高，一個(gè)是民用，一個(gè)是醫(yī)療植入，這些對(duì)于部件的要求都非常高。

   

（PPT圖示）這些是應(yīng)用我們3D打印的一些合作伙伴。
   
前面王教授提到了，說(shuō)他們當(dāng)時(shí)希望英國(guó)實(shí)驗(yàn)室做一些仿真模擬，現(xiàn)在GE收購(gòu)了GeonX公司，輸入我們機(jī)器的型號(hào)，在電腦里面模擬加工倉(cāng)溫度分布和打印件的應(yīng)力分布�，F(xiàn)在仿真度非常高了，但僅是在GE內(nèi)部在用。但至少這是一個(gè)方向，不需要每次打印出來(lái)實(shí)際看這個(gè)件，我只要在電腦里面模擬就可以。減少實(shí)際打印來(lái)驗(yàn)證的次數(shù)。
   
謝謝大家。