大咖如何玩轉3D打印

向川

早在20世紀80年代，航空業已經開始使用3D打印技術進行零部件的生產。一開始，3D打印技術還只是扮演著快速成型的小角色，但如今，隨著民用飛機產量的不斷提升，3D打印技術憑借更高的設計自由度、更低的生產成本和更快的生產速度，逐漸在民用航空產業鏈中占據了戰略性的地位。在航空發動機市場，主流制造商們也開始了對這一技術的戰略布局。

技術成熟度不斷提高

3D打印技術，又稱金屬材料增材制造技術、激光快速成型技術，由于能夠實現高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、全致密近凈成形，如今已經成為應對飛機及航空發動機領域技術挑戰的最佳途徑。尤其是在發動機制造領域，由于關鍵核心部件的生產極為復雜，如果沿用傳統的加工工藝和方法，在產能上很難再有進一步的突破。

舉例來說，在發動機制造過程中，風扇及壓氣機部件的制造是整個航空發動機制造的關鍵。在傳統加工工藝中，發動機風扇葉片是利用活化擴散技術，使鈦合金葉盆、葉背和蜂窩夾芯塊形成一體，最后利用切削加工的方法加工出葉根與葉型。這種方法存在材料利用率低、周期長、成本高等缺點。如果能夠利用3D打印技術，就能很好地解決上述問題。

金屬零件3D打印的技術構想，由美國聯合技術研究中心（UTRC）在1979年率先提出，其應用對象就是制造航空發動機渦輪盤。1994年，三大發動機巨頭之一的羅羅公司與英國克蘭菲爾德大學合作研發了航空發動機機匣激光立體成形（LSF）制造技術。2000年，波音公司宣布，采用LSF技術制造的三個鈦合金零件在飛機上得到應用，并在2001年牽頭制定了LSF技術的美國國家標準（該標準在2011年進行了修訂），由此在全球掀起了3D打印技術的第一次熱潮。

近年來，隨著3D打印技術逐漸成熟，特別是相關裝備商用化水平不斷提高，越來越多的航空制造企業投入巨資進行新技術研發，以便在激烈的競爭中占據優勢地位。

連接未來的重要賭注

在所有發動機制造商中，GE公司對3D打印技術最為熱衷，甚至將這項技術視為“連接未來的重要賭注”。迄今為止，GE在3D打印技術上投入了上百億美元，在迅速增強自身實力的同時也深刻地影響著整個行業。

2016年，GE在美國匹茲堡新設了一個增材技術發展中心（CATA），該中心成為整個公司3D打印技術的創新中心。CATA擁有一個“工業化實驗室”，GE的各個業務集團均可將各自的設計方案帶到這里，研究如何加速從實驗室到批量生產的進程。隨后，GE又大手筆收購了兩家業內一流的3D打印公司Arcam和Concept Laster。這一舉措賦予GE在3D打印設備市場高達20%的份額。此外，GE每年至少投資5億美元在其全球研發中心，專門用于3D打印和材料科學的有關研究。

如今，大手筆的投入已經初見成效。2018年，GE與德國概念激光公司共同研發出米級尺度的激光粉末床融合增材制造機的第一個測試版機器，并已交付給一小部分客戶進行測試。在ATLAS項目（用于大尺寸部件系統的增材制造技術）支持下，這個耗時9個月研發的增材制造機，可以制造最大規格為1米×1米×0.3米的大型部件。該機器的量產版將在2018年年底推出，屆時將可以生產最大規格達1米×1米×1米的大型部件。

目前，GE已經使用該測試機生產出符合LEAP系列發動機要求的燃燒器襯套。在此之前，GE已經使用3D打印技術完成了LEAP發動機燃料噴嘴的生產。作為如今窄體客機市場最受歡迎的發動機，每臺LEAP系列發動機有19個燃料噴嘴，由于制造工藝十分復雜，傳統的加工方法無法滿足制造商提升產能的需求。隨著3D打印技術的逐漸成熟，GE計劃在兩年之內將LEAP系列發動機噴嘴的產量提升到10萬個/年。

另一個發動機巨頭羅羅公司也在加快對3D打印技術的戰略布局。目前，羅羅正在嘗試用3D打印技術進行遄達系列發動機軸承座的生產，打印所用的材料是電子束熔化粉末合金。該合金經過熔融、固化，最后被打印成相應的結構。在經歷了上萬小時試驗和數百個試驗件生產后，羅羅在電子化熔化機床使用方面已經積累了較為豐富的經驗。在已經完成的多項發動機地面測試中，各項試驗結果都符合預期。但最終仍需要裝載3D打印發動機的飛機完成試飛后，才能證明新技術的研發是否滿足需求。根據計劃，羅羅將在今年下半年開始進行相應的飛行試驗。

除此之外，德國MTU公司也在利用3D打印技術進行GTF發動機的生產。目前，MTU在德國慕尼黑總部有7臺大型EOS打印機，用于GTF發動機鎳合金輪轂的生產。在此之前，MTU公司生產這一零部件的成本很高。以發動機燃燒室保護罩為例，利用3D打印技術生產比使用傳統制造工藝生產可降低約40%的成本。

除了在制造領域，發動機制造商還在探索3D打印技術在售后市場的發展潛力。

由于通過增材制造技術生產的每件產品都是單獨成形，不需要模具，對復雜的設計不再造成額外的成本增加。同時，與傳統制造技術相比，增材制造技術通過摒棄生產線而降低成本。從產品制造的全過程分析，增材制造技術可以使一些產品零部件的庫存只需要保留電子文檔，而無需制造出來存在庫存。一旦有需要，直接制造即可，從而減少了庫存和物流工作。

尤其是在飛機遭遇鳥撞等特殊情況時，3D打印技術可以實現快速修補，減少零件更換，延長飛機的使用壽命。過去，如果飛機遭遇鳥撞，往往只能停場等待更換零件。而基于3D打印技術，一些特制的3D打印機可以根據相應的3D建模技術中所存儲的零件形狀與尺寸，對飛機蒙皮甚至發動機葉片被損傷的部分進行噴印修復，從而使飛機無需停場。

同樣的，對于一些磨損的軸承和發動機部件，如果沒有可更換的備用件，或磨損程度不值得更換的備用件，通過這種小范圍的修補則可大大降低飛機零件更換成本，延長飛機使用壽命。

未來亟需解決的問題

盡管3D打印技術有諸多優點，但是該技術在航空領域的應用也存在一定的局限，有些問題亟需解決。

首先，3D打印技術并不適用于直接制造高精度零件。由于通過3D打印制造的零件是一層一層堆積而成的，所以每一層都有厚度，這就決定了它的表面粗糙度與傳統減材制造方法生產的產品存在一定的差距。同時，由于存在一些難以克服的問題，這種加工方法也很難制造軸承、滾珠之類的產品。

其次，由于目前很多原材料還不能滿足航空產品的設計要求，因此3D打印技術還未形成廣泛的工業應用。原材料是用于逐層堆積制作零部件的基礎，也是3D打印技術得以應用的一個重要前提。目前，可應用于3D打印的原材料種類較少，大量材料的應用潛能還有待進一步開發。

最后，也是最重要的一點，就是適航性的問題。目前，各大航空發動機公司對3D打印技術的應用仍然十分謹慎。許多通過3D打印技術生產的零部件仍然只是用于適航取證的測試件，并未投入實際生產。因此，在航空制造領域，短時間內3D打印技術還無法完全替代傳統的制造工藝。企業希望從風險最低、尺寸較小的零部件開始，逐步推進，然后以最安全的方式進入到生產階段。

對于航空產業來說，新技術的應用必須循序漸進。無論是原材料還是工藝制造手段，都要經過嚴格的認證，在被確認是成熟的且具有長期利用價值后才會取得適航許可。從這個角度來看，3D打印技術距離批量化生產還有很長的路要走。

3D打印技術作為一種兼顧精確成形和高性能成形需求的一體化制造技術，盡管在發動機制造領域顯示了廣闊的應用前景，但是相比于傳統鑄鍛等熱加工技術和機械加工等冷加工技術，金屬3D打印技術的發展歷史畢竟只有短短的30年左右，其技術成熟度相比傳統技術還有很大的差距。這也意味著，對于3D打印技術，仍有大量的基礎研究和應用研究工作有待開展。