美國通用電氣公司(GE)增材制造動態

隨著收購Arcam和Concept Laser兩家3D打印機生產商，GE在3D打印技術應用領域成為專家和全球領導者，3D打印事業做得如火如荼。GE志在擴大其3D打印業務，已經對制造和增材技術投資了大約15億美元，獲得了346項專利。GE預計，未來十年內將在整個公司節約成本30億到50億美元。那么，近年來它又取得哪些前沿進展呢?

1 GE Additive推出新的ARCAM EBM Spectra H金屬增材制造系統，用于更快地生產更大的零件

該設備主要針對高溫和易裂(high heat and crack prone)材料，如TiAl、718合金、鎳基超合金等。依靠一個自動校準的6 kW電子束，它能夠在超過1000℃的溫度下生產更大的零件(Φ250 mm×430 mm)，且速度提高了50%。(據www.3ders.org網站2018年4月25日報道)

2 GE Additive被撥予900萬美元，用于加快海軍裝備零部件3D打印和數字孿生體的開發

GE Additive從海軍研究辦公室收到了一份900萬美元的新合同。他們將啟動一項計劃，以加快海軍艦艇、飛機和其他重要設備的替換零件的3D打印生產。該計劃的關鍵是創建現有零件的“數字化雙胞胎(digital twins)”，使替換件能夠按需進行3D打印。

圖1 GE Additive推出的Arcam EBM Spectra H 3D打印設備Fig.1 Arcam EBM Spectra H by GE

這將對更換不再生產的舊的遺留零件特別有用。海軍艦艇的平均年齡約為17歲，最古老的作戰資產可追溯到1970年。工業3D打印面臨的關鍵挑戰是能夠增材制造那些原先通過減材法制造的部件，且具備與原始部件相同的材料成分和性能。(據www.3ders.org網站2018年5月3日報道)

圖2 數字化雙胞胎概念圖Fig.2 Schematic of the concept of“digital twins”

3 GE Additive推出了其制造合作伙伴網絡(manufacturing partner network,MPN)，旨在加速增材制造的供應和需求

企業正在尋找成本效益高、可擴展的批量生產路線。然而，有限的設備、投資資金和專業知識往往會阻礙他們采取下一個關鍵步驟。從原型制作到批量生產的轉變可能是任何一家公司增材制造過程中跨度最大的一步。制造合作伙伴網絡(manufacturing partner network，MPN)旨在為公司提供一系列選擇，將他們與可信賴的增材制造生產合作伙伴聯系起來，進行知識的網絡共享，共同營銷。Honda及 Triumph Group加入了該網絡。(據www.3ders.org網站2018年7月17日報道)

圖3 GE Additive車間場景Fig.3 Workshop scene of GE Additive

4 GE Aviation第30 000個金屬3D打印燃油噴嘴頭下線

GE Aviation在2018年10月達到了一個里程碑，它生產的第30 000個3D打印燃油噴嘴頭在阿拉巴馬州奧本工廠下線。這些噴嘴頭應用于GE的LEAP引擎中，意味著增材制造技術可以進行批量化生產，同時也證明了3D打印零部件性能的可靠性。

燃油噴嘴頭負責將燃料噴射到發動機中，它必須堅固并且能夠承受高溫，而且需要非常精確，以便它能夠以正確的速率釋放適量的燃料。它是一個復雜的部件，曾經由大約20個部件組成，這些部件必須單獨制造然后焊接在一起。現在通過3D打印能夠將所有扭曲幾何體和內部腔室整個組件生產在一個單獨的部件中。3D打印不僅節省了大量的勞動力和時間，而且還使燃油噴嘴的重量減輕了25%，并使其強度提高了約5倍。(據GE網站2018年10月4日報道)

圖4 3D打印的Leap發動機燃油噴嘴頭Fig.4 3D-printed fuel nozzle tip for the LEAP engine

5 GE Aviation獲美國聯邦航空管理局(FAA)批準，將3D打印的電動開門系統支架(bracket)安裝于GEnx商用航空發動機

電動開門系統(power door opening system，PDOS)在地面上用于打開和關閉風扇前罩門，以便在維護時能夠接近風扇室。GEnx-2b發動機上的原始PDOS支架是用一塊金屬加工而成的，造成大約50%的材料浪費。

圖5 獲美國聯邦航空管理局(FAA)“設計變更”批準的電動開門系統(PDOS)支架3D打印件Fig.5 FAA ‘change in design’ approval for additively manufactured power door opening system(PDOS)bracket

目前，采用直接金屬激光熔融(DMLM)增材制造技術制造新支架，廢料減少了90%，零件重量減少了10%。與傳統的鎳基高溫合金相比，新采用鈷鉻合金進行增材制造速度更快，可同時打印4個支架。(據www.3ders.org網站2018年11月5日報道)

圖6 打印支架所用的GE“Concept Laser M2 cusing”3D打印機Fig.6 Concept Laser M2 cusing machine

6 HRE輪轂制造商與GE Additive合作，制造出第一個3D打印鈦輪轂

使用3D打印技術生產輪轂只浪費了所用材料總量的5%，而使用傳統鍛造技術的浪費量為80%。3D打印建模為HRE設計師帶來了新的自由度，因為他們不必擔心外伸量、工具深度和空腔，甚至可以包括交錯特征。由于受打印機的尺寸限制，輪輻只能打印成多個部分，然后組合到碳纖維輪輞上，而碳纖維輪輞沒有打印出來，但這只是暫時的，GE Additive很快就會有打印機，能夠將整個輪轂作為一個整體打印出來，進一步減少時間、重量和材料的使用。高溫真空下生產的、應力已消除的零件的性能比鑄造部件好。(據www.3ders.org網站2018年11月15日報道)

圖7 3D打印輪輻及組合而成的輪轂Fig.7 Wheel spokes were printed in several parts and then attached to the carbon fiber hub

7 GE研發含35%3D打印部件的新ATP引擎

3D打印在渦輪螺旋槳發動機領域的應用突破莫過于GE在2018年試飛的ATP飛機發動機了，該發動機為Textron Aviation推出的10人座商用飛機Cessna Denali提供動力。

這些金屬3D打印部件具有拓撲優化結構，并且能減少引擎所需要的連接部件，使得引擎重量變得更輕。

ATP引擎將擁有比航空史上任何一個引擎更多的3D打印零件。855個減材制造零件將減少為12個增材制造部件，而它們占到了ATP引擎總零件數的35%。3D打印部分包括機油箱、軸承座、框架、排氣機匣、燃燒室、熱交換器和固定流道組件。

ATP引擎的特點:12個增材制造部件(占總零件數的35%)、全鈦3D氣動壓縮機，以實現輕量和高效，燃油效率提升20%。

ATP現已被正式命名為GE CatalystTM先進渦槳發動機。(據www.3ders.org網站2018年7月27日報道)

圖8 包含13個3D打印部件的GE ATP渦輪螺旋槳發動機Fig.8 GE"s ATP turboprop engine contains 13 3D printed components

圖9 GE新渦輪螺旋槳發動機中的3D打印燃油加熱器Fig.9 3D printed fuel heater in GE"s new turboprop engine

8 GE Aviation攜手ATI合資開發無熔融鈦合金粉末的制造技術

ATI(Allegheny Technologies Incorporated)，技術先進的特種材料和部件生產的全球領先者，日前宣布與GE Aviation合資開發新的無熔融鈦合金粉末(meltless titanium alloy powder)制造技術。

合資公司將興建新的研發試點生產設施，所開發的鈦合金粉末將用于包括3D打印在內的增材制造應用。通過此舉，GE意圖擴大對金屬增材制造粉末市場的控制。(據www.3ders.org網站2017年7月5日報道)

(本文由西北有色金屬研究院信息所朱宏康高級工程師根據相關新聞翻譯、整理，更多更新消息可關注“新材料國際情報中心”微信公眾號)