事件：2015年4月，美國通用電氣公司（下稱GE）披露，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）在2015年2月批準(zhǔn)了GE在其GE90-40B發(fā)動(dòng)機(jī)中使用增材制造零件——高壓壓氣機(jī)溫度傳感器（T25）外殼。這將是FAA批準(zhǔn)GE在其噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的首個(gè)增材制造零件，這一決定是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)史上的一次巨大改變，標(biāo)志著增材制造正式走入工業(yè)皇冠上的明珠——航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造，而GE也因此無可爭議地成為了高端增材制造技術(shù)的領(lǐng)軍者。
筆者在文章《增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢與發(fā)展重點(diǎn)》中指出，基于激光和電子束熔融機(jī)理的增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用上正在呈現(xiàn)向大型金屬承力構(gòu)件擴(kuò)展、向發(fā)動(dòng)機(jī)熱端構(gòu)件擴(kuò)展、向復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件擴(kuò)展這三個(gè)重要趨勢。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端構(gòu)件的增材制造無疑是高端增材制造技術(shù)的一個(gè)代表，也是增材制造需要攻克的制高點(diǎn)之一。
作為世界第一大多元工業(yè)集團(tuán)，GE公司除了在智能制造領(lǐng)域開創(chuàng)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念先河之外，在高端增材制造技術(shù)方面也稱得上是著書立傳了。無論是從政府層面，還是從工業(yè)界層面，都以GE公司的動(dòng)作最為頻繁，在近年來進(jìn)行了成立實(shí)驗(yàn)室、收購制造商、合作搞開發(fā)、量產(chǎn)熱端構(gòu)件等一系列提升增材制造水平和研制生產(chǎn)能力的舉措。
圖1 GE90發(fā)動(dòng)機(jī)T25傳感器外殼
盡管競爭對(duì)手聯(lián)合技術(shù)公司是增材制造技術(shù)的發(fā)明者，但GE近年來高調(diào)發(fā)展自身的航空增材制造能力，把普惠和羅羅遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在后面。GE全球研發(fā)中心2011年成立了增材制造實(shí)驗(yàn)室，2012年收購了領(lǐng)先的增材制造服務(wù)商Morris技術(shù)公司，2013年發(fā)起了增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)支架設(shè)計(jì)全球挑戰(zhàn)賽，2014年驗(yàn)證了低壓渦輪葉片的增材制造，2015年啟動(dòng)了開源的增材制造軟件算法開發(fā)項(xiàng)目，助力整個(gè)美國的增材制造。
目前，能夠體現(xiàn)GE增材制造領(lǐng)軍者地位的項(xiàng)目主要包括以下幾個(gè)：
- 認(rèn)證保護(hù)外殼
高壓壓氣機(jī)溫度傳感器（T25）外殼是GE商用發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得FAA批準(zhǔn)的首個(gè)增材制造零件，GE航空目前正與波音合作修改超過400臺(tái)GE90-40B發(fā)動(dòng)機(jī)，以安裝這些新零件。T25傳感器外殼由鈷鉻合金制造，保護(hù)溫度傳感器脆弱的電子器件，防止其結(jié)冰以及被急速氣流損壞。通常，GE研制新零件需要數(shù)年的設(shè)計(jì)和原型階段，然而這次的過程只用了1年。T25傳感器外殼2014年10月完成最終設(shè)計(jì)，2015年2月獲得FAA認(rèn)證，在第二周就投入了使用。傳統(tǒng)的鑄造工藝永遠(yuǎn)不可能這么迅速，是增材制造實(shí)現(xiàn)了顛覆。
- 量產(chǎn)燃油噴嘴
經(jīng)過近10年的研發(fā)，GE航空和斯奈克瑪自2013年開始采用選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）工藝生產(chǎn)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴。該零件傳統(tǒng)上由20個(gè)零件經(jīng)鑄造、機(jī)加、組裝和焊接組合制成，現(xiàn)在可以一次成型，壽命延長4倍，重量降低25%。GE航空已經(jīng)對(duì)阿拉巴馬州開設(shè)的奧本工廠投資超過1.25億美元，該廠2015年啟動(dòng)了增材制造燃油噴嘴的生產(chǎn)并將供應(yīng)1000件產(chǎn)品，計(jì)劃2020年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)40000個(gè)的目標(biāo)。目前，GE航空正在對(duì)裝有19個(gè)增材制造燃油噴嘴的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，該部件也有望成為下一個(gè)FAA認(rèn)證件。
圖2 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴
- 進(jìn)軍渦輪葉片
在新型渦輪葉片的開發(fā)中，GE航空已經(jīng)廣泛利用激光燒結(jié)等技術(shù)制作試驗(yàn)件，即節(jié)省了時(shí)間，也降低了風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了制造成熟度等級(jí)的平穩(wěn)提高。2014年，GE驗(yàn)證了鈦鋁合金低壓渦輪葉片的電子束熔化（EBM）工藝，鈦鋁材料剛度高、耐高溫（750C），比傳統(tǒng)鎳基合金輕50%，但鑄造后的精加工難度極高，采用增材制造后則可在72小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)7片；同年9月，GE宣布考慮將GE9X低壓渦輪葉片替換為鈦鋁合金。如果該目標(biāo)最終得以實(shí)現(xiàn)，每年規(guī)模達(dá)數(shù)百萬片的發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片選材和制造工藝將發(fā)生變革。
圖3 GE精益實(shí)驗(yàn)室利用增材制造技術(shù)驗(yàn)證新渦輪葉片設(shè)計(jì)
- 瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)軟件
2015年3月，在美國國家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的支持下，GE聯(lián)合勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）啟動(dòng)了開源增材制造軟件的開發(fā)項(xiàng)目，將為金屬選區(qū)激光熔融（SLM）工藝開發(fā)能夠在不同增材制造設(shè)備上工作的標(biāo)準(zhǔn)化軟件，降低業(yè)界應(yīng)用該工藝的門檻。目前，盡管SLM因其高質(zhì)量而受到矚目，但商業(yè)SLM設(shè)備很多都缺少根據(jù)特定類型金屬粉末進(jìn)行定制的功能。比如，這些設(shè)備不允許用戶訪問特定工藝參數(shù)信息和刀具路徑，因此GE將通過開發(fā)算法來控制激光掃描的設(shè)置，以匹配材料性能和增材制造參數(shù)。
- 兼顧電子器件
在電子器件的增材制造上，GE研究人員完成的一個(gè)課題是超聲設(shè)備中的探頭（傳感器），制造這種精密的探頭以往需要對(duì)材料進(jìn)行長時(shí)間的切削以及磨削。GE使用紫外線增材制造技術(shù)將探頭上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)一次“打印”成形，以大大降低其勞動(dòng)力和生產(chǎn)成本。這項(xiàng)技術(shù)使得探頭設(shè)計(jì)更加靈活，而且可以惠及各類超聲探頭，對(duì)于航空結(jié)構(gòu)件檢測來說是一個(gè)好消息。GE一直在進(jìn)行紫外線增材制造的實(shí)驗(yàn)，除了超聲探頭，還在尋找在風(fēng)機(jī)中使用該技術(shù)的方法，以及設(shè)計(jì)新的天然氣設(shè)備零件。
GE激光技術(shù)帶頭人曾說過：“隨著制造變得更先進(jìn)，制造中的激光技術(shù)將從專門的應(yīng)用變?yōu)橹圃旃と送ㄓ玫墓ぞ�。新的技術(shù)工人將像“杰迪武士”一樣揮舞激光束，將金屬和陶瓷材料切割、焊接和雕刻成零件。”這正是增材制造的魅力所在。高端增材制造技術(shù)將大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造難度，未來，GE將繼續(xù)作為領(lǐng)軍者，以嶄新的技術(shù)打磨這顆工業(yè)皇冠上的明珠，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)能夠擁有更顛覆的設(shè)計(jì)、更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和更可靠的使用。這也將是增材制造真正大放異彩的時(shí)刻。
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