助力波音777X首飛成功的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)有何“過(guò)人之處”？先從3D打印說(shuō)起

來(lái)源：GE 中國(guó)

2020年1月25日（美國(guó)時(shí)間），搭載了兩臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的波音777X飛機(jī)在華盛頓州埃弗雷特的佩恩機(jī)場(chǎng)起飛，順利完成其首飛！相信很多人都已知曉這一令人期盼已久的消息。從2013年起，GE航空集團(tuán)就開始了GE9X的設(shè)計(jì)與測(cè)試工作。為籌備這次首飛，GE航空集團(tuán)已經(jīng)在其加州維克多維爾市的波音747空中試車臺(tái)上對(duì)GE9X進(jìn)行了72次飛行測(cè)試，共計(jì)超過(guò)400飛行小時(shí)。截至到目前，GE9X已經(jīng)完成了超過(guò)4,100小時(shí)的地面與空中測(cè)試以及6,500次發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。

波音777X在空中的靚影。圖片來(lái)源：波音

雖然GE9X還未正式投入商用，但已獲得了諸多肯定。GE9X在去年獲得了吉尼斯世界上推力最大發(fā)動(dòng)機(jī)的紀(jì)錄；是GE航空史上燃油效率最高的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油消耗低于競(jìng)品10%；擁有直徑134英寸的最大尺寸前風(fēng)扇、復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣和16片第四代碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片……除了這些硬核優(yōu)勢(shì)，還有一個(gè)史無(wú)前例的創(chuàng)新性舉措——使用3D打印零部件，本期我們就來(lái)從GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的3D打印零部件說(shuō)起。

Stefka Petkova大學(xué)畢業(yè)就加入了GE，現(xiàn)在作為GE航空集團(tuán)的一員，她和她的團(tuán)隊(duì)正在為GE9X設(shè)計(jì)開發(fā)并準(zhǔn)備投產(chǎn)3D打印的部件。

2014年，Petkova就職于位于俄亥俄州辛辛那提市GE航空集團(tuán)的總部。當(dāng)時(shí)GE航空開發(fā)了首批3D打印零部件，包括用于CFM LEAP噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴和用于GE90的傳感器外殼，Petkova對(duì)這項(xiàng)技術(shù)深感著迷。現(xiàn)在，Petkova在俄亥俄州西切斯特GE航空的增材制造科技中心（ATC）工作，這里距離GE航空的總部只有很短的車程。

ATC聘請(qǐng)了來(lái)自GE航空、GE增材制造的數(shù)百名工程師、設(shè)計(jì)師和工人，它也許是全球最大、最先進(jìn)的3D打印機(jī)構(gòu)。GE航空負(fù)責(zé)增材制造的總經(jīng)理Eric Gatlin說(shuō)：“在ATC，我們進(jìn)行的許多工作都是初次探索，這在一定程度上也激發(fā)了我們的熱情和動(dòng)力，形成了一股特有的文化氛圍”。

空中試車臺(tái)上的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)

毫不夸張，在這里工作的很多工程師，包括剛畢業(yè)不久的年輕人都沒(méi)有在學(xué)校里學(xué)習(xí)過(guò)增材制造。這項(xiàng)技術(shù)才剛剛起步，但這并沒(méi)有影響工程師們迅速掌握這一技術(shù)，同時(shí)幫助GE的其他部門迎頭趕上。

在ATC，工程師們可以設(shè)計(jì)出形狀最理想的零件，然后直接通過(guò)計(jì)算機(jī)文件打印出來(lái)。增材制造通過(guò)激光或電子束將薄層金屬粉末熔融在一起，從而打印出最終產(chǎn)品。它可以讓工程師們制造出從前成本過(guò)于昂貴或無(wú)法用傳統(tǒng)方法制造的形狀，比如沖壓或鑄造制造工藝。ATC的現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人Antroine Townes說(shuō)：“增材制造的獨(dú)特之處和價(jià)值在于設(shè)計(jì)的靈活性和創(chuàng)新的速度。過(guò)去，設(shè)計(jì)師們受困于既有的制造方法�，F(xiàn)在你可以不考慮這些限制，設(shè)計(jì)最適合發(fā)動(dòng)機(jī)的零件，而不是最容易制造的東西。”

Petkova和他們的同事們積極協(xié)助3D打印零部件批量生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作，他們確定制造流程，并將制造工作轉(zhuǎn)移到GE航空位于阿拉巴馬州奧本市的增材制造工廠。另外，他們也和GE9X的設(shè)計(jì)人員緊密合作，以幫助他們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)產(chǎn)生測(cè)試結(jié)果的情況下，快速且低成本地改進(jìn)計(jì)劃。

GE9X將300多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件組合成7個(gè)3D打印的部件，其中包括能精確地讓燃料和空氣的混合物進(jìn)入燃燒室的燃油噴嘴、低壓渦輪葉片和熱交換器。另一個(gè)是導(dǎo)流器，它能讓發(fā)動(dòng)機(jī)排出吸入的灰塵、沙子和其他碎片，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。這樣創(chuàng)新的設(shè)計(jì)很難被制造出來(lái)，甚至于之前GE也從未在商用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用過(guò)。

“除了3D打印，這樣的導(dǎo)流器無(wú)法通過(guò)其他任何方式制造，”GE航空的高級(jí)制造工程師Zach Studt說(shuō)。如此一來(lái)，增材制造就為發(fā)動(dòng)機(jī)在更大程度上創(chuàng)造了更好的性能表現(xiàn)，通過(guò)不同的制造過(guò)程交付更好的產(chǎn)品。未來(lái)，也許大部分的發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)裝配同款導(dǎo)流器。

但增材制造的作用不止于此。它不僅精確，而且考慮到所制造零件的復(fù)雜性，它的生產(chǎn)速度還足夠快。就拿燃燒室旋流器來(lái)說(shuō)，它的工作原理就像汽車的化油器，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在噴嘴中獲得準(zhǔn)確的燃油空氣比。過(guò)去，GE通過(guò)在模具中澆注熔融金屬來(lái)制造這些旋流器，這個(gè)過(guò)程被稱為鑄造。但是，制作模具的過(guò)程和工具不僅慢，且造價(jià)高，相對(duì)缺乏靈活性的工序讓設(shè)計(jì)師難以做出改進(jìn)。3D打印在此時(shí)再次發(fā)揮了作用。Studt說(shuō)：“相比于許多傳統(tǒng)制造方式，3D打印能讓我們更快融入新的設(shè)計(jì)流程中，而且我們不必在設(shè)計(jì)上做出妥協(xié)。”

這點(diǎn)非常重要。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)和測(cè)試工作是按照與飛機(jī)制造商商定的時(shí)間表來(lái)嚴(yán)格進(jìn)行的。對(duì)于GE9X而言，飛機(jī)制造商便是波音公司。增材制造的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在，當(dāng)來(lái)自第一臺(tái)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，團(tuán)隊(duì)能夠及時(shí)分析、深入了解，并在第二臺(tái)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)改動(dòng)。Petkova說(shuō)，“我們有許多不同的構(gòu)型，我們學(xué)到最多的是如果使用3D打印之外的其他方式，我們是無(wú)法趕上進(jìn)度要求的�！�

包括七個(gè)3D打印部件。圖片來(lái)源：Alex Schroff

在ATC，團(tuán)隊(duì)用Concept Laser提供的機(jī)器打印了GE9X的零件，例如漩流器和導(dǎo)流器。Concept Laser是一家德國(guó)公司，于2016年被GE收購(gòu)至增材制造部門旗下。低壓渦輪葉片是由Arcam打印設(shè)備制造完成的，該公司也在2016年歸入GE旗下。此外，Arcam還生產(chǎn)用于3D打印的金屬粉末。Studt說(shuō)，“我們利用GE航空和GE增材制造同處一棟大樓的優(yōu)勢(shì)互幫互助，讓GE增材制造生產(chǎn)出業(yè)內(nèi)一流的機(jī)器，還幫助GE航空集團(tuán)制造出最好的發(fā)動(dòng)機(jī)零件�！�

GE9X的各項(xiàng)取證測(cè)試即將全部完成，預(yù)計(jì)在今年晚些時(shí)候?qū)�獲得適航認(rèn)證。目前，GE航空集團(tuán)生產(chǎn)了8臺(tái)GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)及兩臺(tái)備發(fā)以支持波音的測(cè)試項(xiàng)目。前3架飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)已順利交付，剩余發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)在接下來(lái)的幾周內(nèi)交付至西雅圖。

除了GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)，ATC的團(tuán)隊(duì)正在和開發(fā)Catalyst的工程師們密切合作，這將是30年來(lái)首個(gè)從零開始設(shè)計(jì)的新型渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，他們采用3D打印技術(shù)將數(shù)百個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)零件組合成十幾個(gè)左右的大部件。