航空發(fā)動機(jī)鏖戰(zhàn)正酣 3D打印應(yīng)用成新戰(zhàn)場

航空發(fā)動機(jī)被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”，涉及大量前沿學(xué)科和基礎(chǔ)學(xué)科，其直接影響飛機(jī)的性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，已成為一個(gè)國家科技、工業(yè)和國防實(shí)力的重要體現(xiàn)。

目前，全球范圍內(nèi)能生產(chǎn)高性能航空發(fā)動機(jī)的企業(yè)屈指可數(shù)。數(shù)據(jù)顯示，美國通用（GE）、美國普惠（P&W）、和英國的勞斯萊斯（Rolls Royce）這三家航空發(fā)動機(jī)制造廠商占據(jù)了全球七成的市場份額。通用和勞斯萊斯的競爭最為激烈。

如果說波音和空客是干線客機(jī)領(lǐng)域的雙寡頭，那么通用電氣和勞斯萊斯/羅羅則是干線客機(jī)發(fā)動機(jī)市場的一對大鱷。作為英國主導(dǎo)的國際型企業(yè)，勞斯萊斯的發(fā)動機(jī)市場占有率與GE相當(dāng)，最有名的當(dāng)屬RB-211型發(fā)動機(jī)。早在上世紀(jì)60年代，勞斯萊斯便開始了世界上第一臺實(shí)用三轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，即RB211發(fā)動機(jī)的研制。

注：Rolls Royce即羅爾斯·羅伊斯（又稱勞斯萊斯），是英國著名的航空發(fā)動機(jī)公司，也是歐洲最大的航空發(fā)動機(jī)企業(yè)，它研制的各種航空發(fā)動機(jī)廣為世界民用和軍用飛機(jī)所采用。羅爾斯·羅伊斯由英文Rolls-Royce翻譯而來，也被譯為“羅爾斯-羅伊斯”，簡稱“羅羅”。

勞斯萊斯RB211發(fā)動機(jī)

而隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動機(jī)制造正在與3D打印的進(jìn)行創(chuàng)新性結(jié)合，這一點(diǎn)在航空發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域表現(xiàn)得尤為明顯。實(shí)踐證明，3D打印可很好的應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)零部件的生產(chǎn)，有效縮短發(fā)動機(jī)研發(fā)周期，并能提高材料利用率、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕重量和降低成本。

勞斯萊斯/羅羅（Rolls Royce）與3D打印

3D打印是勞斯萊斯正在利用的關(guān)鍵新技術(shù)之一。早期勞斯萊斯就已將LENS（激光工程化凈成形）技術(shù)用于RB211發(fā)動機(jī)渦輪葉片冠部阻尼面鈷基耐磨合金涂覆層的強(qiáng)化處理，并提出了6項(xiàng)專利申請，涉及LENS技術(shù)的裝置、噴粉嘴、工藝和應(yīng)用。

注: LENS（激光工程化凈成形技術(shù)，Laser Engineering Net Shaping），3D打印技術(shù)的一種，亦可稱為“激光近形制造技術(shù)”、“激光近凈成形技術(shù)”或“工程化凈成形技術(shù)”，它的工藝原理是將選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)和激光熔覆（Laser Cladding）技術(shù)相結(jié)合，快速獲得致密度和強(qiáng)度均較高的金屬零件。

勞斯萊斯RB211發(fā)動機(jī)

根據(jù)歐洲航空安全局于2014年公布的Part-66飛機(jī)維修牌照的飛機(jī)類別評級顯示，RB211發(fā)動機(jī)就已搭載于包括波音、洛克希德馬丁和TUPOLEV公司在內(nèi)的14架機(jī)型上。

此外，在澳洲航空（QANTAS AIRWAYS）的航空隊(duì)中，僅2006年的統(tǒng)計(jì)就有21架波音747-438、5架波音767-336ER和2架波音767-336裝備了勞斯萊斯RB211發(fā)動機(jī)。

澳洲航空部分機(jī)型

值得一提的是，2015年，勞斯萊斯通過與英國制造技術(shù)中心（MTC）所屬的新國家増材制造中心合作，利用3D打印技術(shù)制造出了有史以來首個(gè)最大的民用航空發(fā)動機(jī)組件——Trent XWB-97發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)亦被業(yè)界譽(yù)為“世界上最高效的民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)”，已搭載于空客A380機(jī)型上。使用3D打印技術(shù)去制作這樣一臺復(fù)雜而又精良的發(fā)動機(jī)，也再一次證明了勞斯萊斯所掌握的3D打印技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界頂尖水平。參與該項(xiàng)目的還有謝菲爾德大學(xué)和3D打印專家Arcam公司。Arcam公司的電子束的儀器被用于生產(chǎn)葉片。MTC對鈦粉進(jìn)行分析，結(jié)果可供在組裝之前評估組件的完整性，這對于了解如何回收鈦粉和如何識別工藝過程中的缺陷有重要意義。

根據(jù)勞斯萊斯官網(wǎng)顯示，目前勞斯萊斯已將3D打印的零部件和新材料引入到了Advance3發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)之中。據(jù)悉，Advance3共包含約20000個(gè)零部件，測試時(shí)長已超過100小時(shí)。報(bào)告顯示，由3D打印技術(shù)和陶瓷基復(fù)合材料制成的零部件表現(xiàn)出了十分優(yōu)異的性能。勞斯萊斯方面稱：“Advance3將會開拓民用航空航空的未來�！�

勞斯萊斯正在其未來的發(fā)動機(jī)項(xiàng)目中引入陶瓷基復(fù)合材料

美國通用電氣（GE）與3D打印
與勞斯萊斯相比，美國通用在3D打印應(yīng)用方面有過之而無不及。早期，通用在LENS技術(shù)的專利申請上也卓有成就。如今，通用電氣航空公司運(yùn)營著一個(gè)三座足球場規(guī)模的增材制造技術(shù)中心，內(nèi)有90臺3D打印機(jī)和300名員工。通用已為最暢銷的LEAP噴氣發(fā)動機(jī)等機(jī)器出貨了超過25,000個(gè)3D打印零件，并帶來了超過2000億美元的訂單。

GE航空集團(tuán) 3D 打印的燃料噴嘴

2018年可以說是GE發(fā)動機(jī)發(fā)展史上的里程碑之年，這一年GE取得了一系列突破性進(jìn)展，包括旗下公司Affinity的渦扇發(fā)動機(jī)、單軸渦輪軸發(fā)動機(jī)T901、Catalyst渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和GE9X渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)……在這些發(fā)動機(jī)的零件制造方面大量的應(yīng)用了3D打印技術(shù)。

GE Affinity渦扇發(fā)動機(jī)

同年（2018年），GE已完成了半個(gè)世紀(jì)以來首個(gè)商用噴氣式飛機(jī)專用超音速發(fā)動機(jī)和首個(gè)民用超音速發(fā)動機(jī)的初步設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)亦應(yīng)用其中，據(jù)悉該發(fā)動機(jī)能夠滿足Aerion AS2的超音速飛行要求。

此外，GE宣布美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）已批準(zhǔn)3D打印支架用于GEnx-2B發(fā)動機(jī)，該支架將取代傳統(tǒng)制造的電動門打開系統(tǒng)（PDOS）支架。GEnx 發(fā)動機(jī)是GE航空生產(chǎn)的一款先進(jìn)的雙轉(zhuǎn)子軸流式大涵道渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，使用于波音787、747-8及空中客車A350。將安裝3D打印支架的GEnx-2B發(fā)動機(jī)使用于波音747-8機(jī)型。3D打印的PDOS支架作用是打開和關(guān)閉發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇罩門。GE表示，與傳統(tǒng)制造方式制造的支架相比，3D打印技術(shù)將減少高達(dá)90%的材料浪費(fèi)，傳統(tǒng)支架的制造中，因金屬加工而產(chǎn)生的材料浪費(fèi)約占50%。據(jù)悉，這款3D打印支架是GE第一個(gè)獲得認(rèn)證的由Concept Laser 選區(qū)激光熔融設(shè)備生產(chǎn)的3D打印零件，也是GE航空第一次在10個(gè)月內(nèi)完成一種3D打印零件的開發(fā)項(xiàng)目。

GE航空獲得FAA 批準(zhǔn)的3D打印支架

3D打印技術(shù)除了在發(fā)動機(jī)零部件生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用外，在優(yōu)化和修復(fù)中更有不可替代的地位。就目前情況而言，金屬3D打印技術(shù)在修復(fù)成型方面所表現(xiàn)出的潛力甚至高于其制造本身。

以飛機(jī)發(fā)動機(jī)上的高性能整體渦輪葉盤零件為例，當(dāng)盤上的某一葉片受損，則整個(gè)渦輪葉盤將報(bào)廢，直接經(jīng)濟(jì)損失價(jià)值在百萬之上。較之前，這種損失可能不可挽回，令人心痛，但是基于3D打印逐層制造的特點(diǎn)，只需將受損的葉片看作是一種特殊的基材，在受損部位進(jìn)行激光立體成型，就可以回復(fù)零件形狀，且性能滿足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印過程中的可控性，其修復(fù)帶來的負(fù)面影響很有限。

2014年，中國航材院就成功使用3D打印技術(shù)修復(fù)了RB211渦輪導(dǎo)向葉片和PW4000擴(kuò)散機(jī)匣。這是國內(nèi)首次用3D打印技術(shù)成功修復(fù)航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵件，標(biāo)志中國3D打印技術(shù)獲得了重大進(jìn)展，中國躋身于能用3D打印技術(shù)修復(fù)航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵件的少數(shù)國家行列。

傳統(tǒng)制造技術(shù)適用于大批量成型產(chǎn)品的生產(chǎn)，而3D打印技術(shù)則更適合定制化和精細(xì)化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造。將3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，各取所長，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使制造技術(shù)發(fā)揮更大的威力。3D打印應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)這一高精尖領(lǐng)域，既是對其成型工藝和終端產(chǎn)品性能的肯定，也在一定程度上加速3D打印由小眾到大眾的市場化推廣。作為科技創(chuàng)新和工業(yè)4.0的重要組成部分，3D打印在為全領(lǐng)域注入新鮮元素，將科技、創(chuàng)新、智能制造有機(jī)結(jié)合，開創(chuàng)智能制造新時(shí)代。


來源：3D帝國網(wǎng)