3D打印，未來航空發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域的關(guān)鍵詞

作者：李中生，鞏孟祥，張成龍

航空發(fā)動機(jī)作為工業(yè)制造成就的集大成者，是一個(gè)國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。隨著國家“十三五”戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，我國的航空發(fā)動機(jī)制造產(chǎn)業(yè)雖然取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但對低成本、短周期、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大等制造工藝的追求也越發(fā)緊迫。3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，它為材料和結(jié)構(gòu)提供了一種新的制造方法，為航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)突破和性能指標(biāo)提升帶來更多的可能性。

1 技術(shù)簡介
3D打印技術(shù)(3D printing)是快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，RP)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)，極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期和加工周期[2]，其實(shí)現(xiàn)的主要方法包括：


1.1 分層實(shí)體制造
分層實(shí)體制造技術(shù)（Laminated Object Manufacturing，LOM）其工作原理如圖1所示，首先供料機(jī)構(gòu)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(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)的橫截面輪廓對工作臺上的箔材進(jìn)行逐層切割，并剔除輪廓區(qū)外的材料，從而完成所需產(chǎn)品的制造。

圖1 分層實(shí)體制造技術(shù)工作原理

1.2 光固化立體成形
光固化立體成形技術(shù)（Stereo Lithography Apparatus，SLA）其工作原理如圖2所示，首先在液槽中充滿液態(tài)光敏樹脂，其次通過計(jì)算機(jī)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(tài)光敏樹脂實(shí)現(xiàn)會快速固化成型，之后利用升降臺的高度調(diào)整實(shí)現(xiàn)逐層打印，最終實(shí)現(xiàn)層層疊加構(gòu)成三維實(shí)體。

圖2 光固化立體成形技術(shù)工作原理

1.3 熔積成形
熔積成形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），其工作原理如圖3所示，通過高溫對各種材料進(jìn)行加熱融化，按照計(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)的橫截面逐層堆積，最終得到成型零件的技術(shù)。

圖3 熔積成形技術(shù)工作原理

1.4 選擇性激光燒結(jié)
選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)，其工作原理如圖4所示，該技術(shù)主要是通過控制激光束按照預(yù)先設(shè)定路徑對粉末材料進(jìn)行層層燒結(jié)而成型的技術(shù)，是一種由離散點(diǎn)層層堆積成三維實(shí)體的工藝方法。

圖4 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)工作原理

在航空發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域，高性能金屬構(gòu)件選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是最前沿的3D打印技術(shù)。該技術(shù)從零件數(shù)模一步實(shí)現(xiàn)高性能大型復(fù)雜構(gòu)件的成形,成形構(gòu)件形狀之復(fù)雜、節(jié)省材料程度之高，是傳統(tǒng)鑄造和機(jī)械加工方法難以企及的。

2 發(fā)展現(xiàn)狀
3D打印技術(shù)自問世以來，憑借在大尺寸零件一體化制造、異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造、變批量定制結(jié)構(gòu)件制造方面的巨大優(yōu)勢，在航空發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域大放異彩，目前3D打印技術(shù)已成為是歐美發(fā)達(dá)國家首選的航空發(fā)動機(jī)零部件制造技術(shù)。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)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?xì)廨啓C(jī)的金屬零部件，成為全球工業(yè)制造業(yè)第一個(gè)將采用3D打印制造的金屬零部件應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中公司。GE公司通過長達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過不斷的優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個(gè)減少到一個(gè)，通過3D打印實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(fā)動機(jī)的性能。近日，通用電氣公司采用3D打印技術(shù)制造了一臺微型噴氣式發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)33000r/min，將被應(yīng)用于無人機(jī)。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
進(jìn)入21世紀(jì)以來，以中航工業(yè)為代表的工業(yè)部門開始研究和應(yīng)用3D打印技術(shù)，尤其在航空發(fā)動機(jī)的復(fù)雜部件加工中已開展了大范圍3D打印技術(shù)研究和產(chǎn)品加工。中國航發(fā)商發(fā)已完成增材制造微型渦噴發(fā)動機(jī)。中國航發(fā)航材院牽頭的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目“超細(xì)3D打印有色/難熔金屬球形粉末制備技術(shù)”已經(jīng)啟動。截至目前，中國航發(fā)和其他國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)先后針對渦輪氣冷葉片、燃油組件、殼體、封嚴(yán)塊、噴嘴、整體葉盤、整體導(dǎo)向器、軸承座、葉柵等零件開展了探索研究，均取得了積極進(jìn)展。

3        前景分析
3D打印技術(shù)能夠自動、快速、直接、精準(zhǔn)地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，從研制階段打印模型到外場服務(wù)甚至戰(zhàn)時(shí)打印備件，其技術(shù)優(yōu)勢能夠廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的全壽命過程中。

3.1 設(shè)計(jì)研制階段
航空發(fā)動機(jī)本身就是“試出來的”產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)尚未固化，存在大量技術(shù)狀態(tài)更改，各種零部件樣件需頻繁生產(chǎn)，傳統(tǒng)上每一輪改進(jìn)都需要對模具進(jìn)行修改，不僅增加制造成本，且生產(chǎn)周期較長，嚴(yán)重拖延了設(shè)計(jì)進(jìn)程，加之我國航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)分離，信息傳遞存在滯后甚至存在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)脫節(jié)等問題。3D打印技術(shù)將設(shè)計(jì)、制造甚至維護(hù)過程融為一體，即實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”的美好愿景，極大地縮小了裝備從“研制”到“定型“的時(shí)間差，且由于3D打印是從點(diǎn)到線，從線到面，從面到體的加法過程，沒有空間和時(shí)間的邊界限制，設(shè)計(jì)變量更多，組合更復(fù)雜，然而這些參數(shù)及其后果都是可重復(fù)可追溯的，因此可有效利用大數(shù)據(jù)和云端積累并深度學(xué)習(xí)，再通過云端管理對全球所有增材制造設(shè)備在線監(jiān)控，決策，控制，最終使航空發(fā)動機(jī)的研制更加科學(xué)，加快了裝備的更新周期。

3.2 生產(chǎn)制造階段
一是提升強(qiáng)度、減輕重量，提高發(fā)動機(jī)整體性能。
推重比是航空發(fā)動機(jī)的重要參數(shù)指標(biāo)，減重一直是航空發(fā)動機(jī)制造的重要目標(biāo)。目前航空發(fā)動機(jī)整機(jī)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(qiáng)度，又減少零部件數(shù)量從而減輕了發(fā)動機(jī)的重量，以PW1500G 發(fā)動機(jī)為例，其采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的試驗(yàn)部件比傳統(tǒng)工藝制造的該部件重量減輕50%。發(fā)動機(jī)整體重量的減輕，能夠產(chǎn)生更高的加速度，有效增加續(xù)航里程，擴(kuò)大作戰(zhàn)半徑且降低了飛行成本。

二是降低成本、縮短周期，提升發(fā)動機(jī)生產(chǎn)效率。
航空發(fā)動機(jī)中使用的鈦合金、鎳基高溫合金等金屬材料價(jià)格昂貴，某些材料甚至是稀缺的戰(zhàn)略材料。采用傳統(tǒng)的加工制造方法，材料使用率較低，一般不大于10%。以某型發(fā)動機(jī)整體葉片為例，傳統(tǒng)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(fèi)，制造成本高，且加工時(shí)間長。而采用3D打印技術(shù)直接打印的整體葉盤，材料利用率提高到80%以上，同時(shí)制造時(shí)間也僅有傳統(tǒng)制造的1/20，能夠大幅的縮短發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)周期，提高發(fā)動機(jī)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(shù)與傳統(tǒng)制造方式的對比

三是減少環(huán)節(jié)、降低要求，提升發(fā)動機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量
航空發(fā)動機(jī)每臺零部件上以千計(jì)，組裝過程需要上百道工序，且生產(chǎn)和安裝對工人生產(chǎn)技能要求較高，如若裝配不合理極易引起零部件存在應(yīng)力產(chǎn)生斷裂、間隙過大引起發(fā)動機(jī)漏氣致使性能不合格或由于連接不穩(wěn)固導(dǎo)致發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動故障。在某型號發(fā)動機(jī)故障統(tǒng)計(jì)中，由于裝配原因?qū)е碌墓收霞s占10%，裝配工人水平的高低能夠直接影響到發(fā)動機(jī)的整機(jī)質(zhì)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(huán)節(jié)，避免了人工差錯(cuò)所帶來的影響，且結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要高于焊接等傳統(tǒng)方法，對發(fā)動機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量有較大提升。

3.3 維修服務(wù)階段
軍用航空發(fā)動機(jī)由于戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)重、使用條件極端等原因，在使用工作中損傷模式復(fù)雜，零備件需求量大，在外場使用過程中雖有專業(yè)的跟飛保障團(tuán)隊(duì)進(jìn)行維護(hù)，但每年仍有部分發(fā)動機(jī)需返廠進(jìn)行維修，嚴(yán)重影響了我軍的戰(zhàn)斗力。3D打印為再制造提供了個(gè)性化、高效率的實(shí)現(xiàn)手段，是歐美發(fā)達(dá)國家首選的航空發(fā)動機(jī)零部件再制造技術(shù)。

一是按需打印，提升部隊(duì)發(fā)動機(jī)完好率
在發(fā)動機(jī)使用維護(hù)過程中，到壽件、易損件、必?fù)Q件等零部件需求量大，各型號零部件技術(shù)狀態(tài)也會不同，外場部隊(duì)又不可能存放大量存放，便會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)停飛待件的情況。3D打印技術(shù)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(shù)據(jù)包，便可按需打印零部件。特別是戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)，戰(zhàn)場上如果需要更換損毀部件，采用3D打印設(shè)備直接在戰(zhàn)場把所需要的部件制造出來，裝配后重新投入戰(zhàn)場，避免裝備某個(gè)零部件出現(xiàn)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(shí)貫改，不斷提升發(fā)動機(jī)性能
我國的航空發(fā)動機(jī)目前還處于逐漸走向成熟的階段，使用過程中故障偶有發(fā)生。由于外場單位分散，距離承制單位較遠(yuǎn)，致使返廠周期較長，同時(shí)為了保持部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，一些排故措施和技術(shù)改進(jìn)不得不結(jié)合發(fā)動機(jī)到壽返廠后一并貫徹，影響了發(fā)動機(jī)的可靠性。如若外場采用3D打印技術(shù)，只需要更新數(shù)據(jù)包便可以第一時(shí)間打印出新結(jié)構(gòu)、新材料的零部件進(jìn)行更換，大大減少了產(chǎn)品長途運(yùn)輸時(shí)間，避免了貫改滯后，加快了裝備的更新周期，提升了發(fā)動機(jī)的可靠性。

4        總結(jié)
3D打印技術(shù)目前雖然在精度還是機(jī)械性能上與傳統(tǒng)制造工藝還有差距，但其所帶來的全新設(shè)計(jì)理念正是中國發(fā)展航空發(fā)動機(jī)的重大機(jī)遇。在這一機(jī)遇面前，我們應(yīng)快速推進(jìn)3D打印設(shè)計(jì)和制造的理念、方法、手段、工具和相應(yīng)的規(guī)范準(zhǔn)則，共同努力，打造出更輕、更高效、更安全、更環(huán)保、更可靠航空發(fā)動機(jī)，助力我軍早日實(shí)現(xiàn)強(qiáng)軍夢。

作者：李中生，鞏孟祥，張成龍
空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室