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3D打印核心部分只有核桃般大小 却改变了GE航空发动机制造方式

导读: 燃油喷嘴是飞机发动机中一个不起眼的小部件。它像一个戳在两个粗短支架上的水龙头,一只手就可以握住。但把这个小零件造好,却要用上GE历史上最具颠覆性的技术之一——3D打印(又名增材制造)。

燃油喷嘴是飞机发动机中一个不起眼的小部件。它像一个戳在两个粗短支架上的水龙头,一只手就可以握住。但把这个小零件造好,却要用上GE历史上最具颠覆性的技术之一——3D打印(又名增材制造)。今年10月,GE航空位于阿拉巴马州的奥本工厂,顺利生产了第3万个3D打印燃油喷嘴头。

3D打印核心部分只有核桃般大小 却改变了GE航空发动机制造方式

Josh Mook站在LEAP发动机旁边

用3D打印这么先进的技术,来造这么小的零件,这要从10年前说起。当时,CFM国际公司(GE与法国赛峰飞机发动机公司的平股合资公司)正在研发LEAP发动机,希望它可以减少排放,降低燃油消耗。项目进行过程中,时任GE航空工程负责人的Mohammad Ehteshami意识到,燃油喷嘴头内,迷宫一般复杂的流道将燃油与空气高效混合,可以帮助发动机实现优越的性能。而LEAP项目的成败,很大程度上取决于燃油喷嘴的好坏。

3D打印核心部分只有核桃般大小 却改变了GE航空发动机制造方式

为了设计出优质的燃油喷嘴,Ehteshami组建了一支由顶尖工程师组成的团队攻克这一难题。当时年仅28岁的Josh Mook因为在叶片领域的出色表现,获得了Ehteshami的青睐,于是也加入到了这个团队。很快,Mook就和同事们设计出了一种理想的燃油喷嘴顶部结构。这个结构最终只有核桃般大小,里面却有14条精密的流体通道。

这个设计虽然精妙,但它太过复杂,几乎造不出来。Ehteshami后来回忆道:“我们通过传统的制造加工方式尝试了8次,但每次都失败了。传统方法并不能解决的问题,但3D打印却说不定可以。3D打印机就像一支激光笔一样,根据电脑绘图,一层一层地将细金属粉末熔融成最终形状。这正适合燃油喷嘴这样复杂精密部件的制造。此外,3D打印所产生的废料也比传统生产方法少很多。”

3D打印核心部分只有核桃般大小 却改变了GE航空发动机制造方式

虽然3D打印优势颇多,但当时GE航空只将它用于原型试制,还从未在商业化零件中使用过,更不要说为整个民航机队生产部件了。Mook又与3D打印的先驱人物Greg Morris密切合作,对一批常规3D打印机进行重新设计,使之符合燃油喷嘴的参数要求。通过这种方法生产出的新喷嘴,不再像原来一样,它是一个精密的整体,需要将20个部件焊接在一起。这个新喷嘴重量比上一代轻25%,耐用度是上一代的5倍,成本效益比上一代高30%。Morris的公司最终也被GE收购。

3D打印核心部分只有核桃般大小 却改变了GE航空发动机制造方式

3D打印的燃油喷嘴

这还没完。为了保证LEAP项目按时完成,及时获得联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)的认证,GE团队必须加快速度。伴随LEAP订单的不断涌入,GE又需要做好准备,将3D打印用于工业化量产。GE增材制造AddWorks团队负责人Chris Schuppe表示:

“人们认为3D打印就像操作喷墨打印机一样简单,但真实情况并非如此,做好一个燃油喷嘴,需要完美处理3000多层金属粉末,而每一层粉末大约只有一根人类头发丝那么薄。”

AddWorks由近200名工程顾问组成,致力于为客户加快3D打印的推广应用。于是,GE航空又组建了一个新团队,从航空专家到冶金专家,总计100来号人。这个团队专门理顺将3D打印投入大批量生产所需的一系列复杂流程。比如,他们要校准每一台3D打印机,确保其能处理特定产品的材料属性。这件事情也不容易。生产线上每多一台打印机,整个流程就要再走一次。

3D打印核心部分只有核桃般大小 却改变了GE航空发动机制造方式

3D打印机可以根据电脑绘图,将一层一层地细金属粉末熔融成最终形状。(图片来源:Avio Aero)

2015年,GE奥本工厂终于给自己的燃油喷嘴造好了3D打印工厂。凭借40多台3D打印机和奥本大学的人才储备,该工厂在2017年总共交付了8000个燃油喷嘴。截至目前,工厂完成的3D打印燃油喷嘴头总数已超过3.3万个。

和这个里程碑同样值得庆祝的是,从这里走出的部件已经搭载到了空客A320neo和波音737 MAX飞机的LEAP发动机上。而该款发动机的总订单数量也已经超过1.6万台,总价值超过2,360亿美元。除了LEAP,GE航空还利用增材制造技术,为GE9X等发动机制造传感器、叶片、热交换器和其他部件。GE9X是世界最大的商用喷气式发动机,为波音新的777X宽体飞机开发。

3D打印核心部分只有核桃般大小 却改变了GE航空发动机制造方式

增材制造甚至成就了GE新型涡轮螺旋桨发动机Catalyst,让它打入了小型飞机市场。通过3D打印,工程师们将855个零件整合成了12个部件,极大地增强了Catalyst的竞争力。

对3D打印来说,航空领域只是个开始。如今,汽车、能源、医疗等行业都在积极推动3D打印技术的应用。GE预计,到2020年,GE增材制造的设备、粉末和服务的收入仍将继续增长。一个小小核桃般的部件,背后却正在牵动一场全球制造业的革命,这真是令人叹为观止啊!

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