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3D打印:未来航空发动机制造领域的关键词

航空发动机作为工业制造成就的集大成者,是一个国家制造业水平的重要标志。随着国家“十三五”战略的稳步推进,我国的航空发动机制造产业虽然取得了突飞猛进的发展,但对低成本、短周期、质量轻、强度大等制造工艺的追求也越发紧迫。3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志,它为材料和结构提供了一种新的制造方法,为航空发动机关键技术突破和性能指标提升带来更多的可能性。

3D打印:未来航空发动机制造领域的关键词

1、技术简介

3D打印技术(3D printing)是快速成型技术(Rapid Prototyping,RP)的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,极大地缩短了产品的研制周期和加工周期[2],其实现的主要方法包括:

1.1 分层实体制造

分层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing,LOM)其工作原理如图1所示,首先供料机构将底面涂有热熔胶的箔材逐层地送至工作台的上方,然后采用CO2激光束按照计算机所设计的横截面轮廓对工作台上的箔材进行逐层切割,并剔除轮廓区外的材料,从而完成所需产品的制造。

3D打印:未来航空发动机制造领域的关键词

图1 分层实体制造技术工作原理

1.2 光固化立体成形

光固化立体成形技术(Stereo Lithography Apparatus,SLA)其工作原理如图2所示,首先在液槽中充满液态光敏树脂,其次通过计算机指令控制激光束的扫描路径,在紫外激光束照射作用下,液态光敏树脂实现会快速固化成型,之后利用升降台的高度调整实现逐层打印,最终实现层层叠加构成三维实体。

3D打印:未来航空发动机制造领域的关键词

图2 光固化立体成形技术工作原理

1.3 熔积成形

熔积成形(Fused Deposition Modeling,FDM),其工作原理如图3所示,通过高温对各种材料进行加热融化,按照计算机所设计的横截面逐层堆积,最终得到成型零件的技术。

3D打印:未来航空发动机制造领域的关键词

图3 熔积成形技术工作原理

1.4 选择性激光烧结

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS),其工作原理如图4所示,该技术主要是通过控制激光束按照预先设定路径对粉末材料进行层层烧结而成型的技术,是一种由离散点层层堆积成三维实体的工艺方法。

3D打印:未来航空发动机制造领域的关键词

图4 选择性激光烧结技术工作原理

在航空发动机制造领域,高性能金属构件选择性激光烧结技术是最前沿的3D打印技术。该技术从零件数模一步实现高性能大型复杂构件的成形,成形构件形状之复杂、节省材料程度之高,是传统铸造和机械加工方法难以企及的。

2、发展现状

3D打印技术自问世以来,凭借在大尺寸零件一体化制造、异型复杂结构件制造、变批量定制结构件制造方面的巨大优势,在航空发动机制造领域大放异彩,目前3D打印技术已成为是欧美发达国家首选的航空发动机零部件制造技术。

2.1 国外发展现状

2013年美国霍尼韦尔公司打印了热交换器和金属支架。2014年德国西门子公司打印出了燃气轮机的金属零部件,成为全球工业制造业第一个将采用3D打印制造的金属零部件应用于实际生产中公司。GE公司通过长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化,将喷油嘴的零件数量从20多个减少到一个,通过3D打印实现结构一体化,不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题,还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍,整体提高了LEAP发动机的性能。近日,通用电气公司采用3D打印技术制造了一台微型喷气式发动机,该发动机转速高达33000r/min,将被应用于无人机。

2.2 国内发展现状

进入21世纪以来,以中航工业为代表的工业部门开始研究和应用3D打印技术,尤其在航空发动机的复杂部件加工中已开展了大范围3D打印技术研究和产品加工。中国航发商发已完成增材制造微型涡喷发动机。中国航发航材院牵头的国家重点基础材料技术提升与产业化项目“超细3D打印有色/难熔金属球形粉末制备技术”已经启动。截至目前,中国航发和其他国内科研机构先后针对涡轮气冷叶片、燃油组件、壳体、封严块、喷嘴、整体叶盘、整体导向器、轴承座、叶栅等零件开展了探索研究,均取得了积极进展。

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