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    发力高端装备 3D打印应用于航空发动机制造

    2020-01-13来源:3D帝国网

      3D打印在智能制造时代赋予制造业无限创意与源源不断的制造动能,成为高端制造的新型利器。尤其是随着金属3D打印技术的日趋成熟完善,进一步释放3D打印强大的制造能力。

      得益于此,航空装备、卫星制造与应用、轨道交通设备制造、海洋工程装备制造和智能装备制造等高端制造领域获取到更为经济、高效的智能化制造方案。尤其在航空装备的发动机制造领域,3D打印价值凸显。

      降低成本提高材料利用率,产品研制过程中快速迭代、无需开模缩短研制周期,仿生力学结构减轻重量,3D打印的这些优势对于航空发动机的研制企业有巨大的诱惑力。

      2018年3D打印产品在航空航天领域的应用占比约19%,以1%的差别略低于榜首的工业机械。空客和波音两大飞机制造商早已率先步入3D打印时代,将3D打印技术应用于飞机发动机和零部件制造中。

      图为:GE9X设计图

      2019年7月,美国GE航空集团宣布旗下的GE9X发动机凭借单发超过60.9吨的推力获世界新吉尼斯记录。该发动机集成了GE航空集团在过去十年中开发的先进技术,作为一款巨大的高旁通比涡扇发动机,其拥有304个3D打印的零件,首次将多种材料和打印工艺投入到单一航空发动机的生产中。

      图为:空客A350-100发动机内部结构

      空客A350-1000用的是XWB-97发动机,可产生97000磅的推力。提升的推力主要来自新型高温涡轮技术,结合了更新的发动机核心技术以及更大风量的风扇来实现。这一切的实现归根结底是使用了先进的空气动力学技术,以及3D打印零部件。3D打印的镍金属结构件是一件直径1.5米、厚0.5米的前轴承座,含有48个翼面。而其在新涡桨发动机中,通过3D打印做减法,将855个零件简化到12个零件,提高了功率,降低油耗,减少重量。

      图为:3D打印发动机内部

      由镍基合金制成的喷嘴是Leonardo AW189型直升机的辅助动力装置(APU)的核心部件之一,已被欧洲航空安全局(EASA)认证。3D打印喷嘴安装在赛峰集团设计的eAPU60微型涡轮发动机上,以满足推重比高和结构紧凑的需求。 e-APU60能够提供60kWe功率,保证发动机的电力起动和座舱加热。

      此外,3D打印在发动机零件修复方面潜力巨大。得益于该技术,为一些制造成本高,尺寸精度要求比较高的零件修复提供了行之有效的处理办法。BeAM公司通过3D打印修复了之前根本不可能修复的涡轮机关键部件。仅在2015年一年,有一家美国公司就用LMD 3D打印技术修复了超过800件航空航天零部件,这些零部件随后又被投入飞行。

      不止于此,3D打印变形程度远小于熔焊变形,在整体叶盘、机匣、叶片等复杂零件修复上有巨大优势。在航空发动机修理和再制造上有巨大的应用前景。

      3D打印航空发动机应用前景广阔

      3D打印在航空发动机领域从概念提出到产品设计,从一体成型到零部件修复,都展现出无与伦比的优越性,因而也奠定了其广阔应用前景。

      基于增材制工艺约束的设计概念贯穿始终,包括一体化,轻量化的设计,提升发动机性能。减少工艺辅助结构,降低后处理难度、降低几何复杂性及制造复杂性零件成本,这些都是在设计阶段要考虑的问题。在难度系数比较小的制造范围内,如目前0—45这一阶段,传统的制造方法还是有优势的,但是在难度系数45—60这个阶段,可用3D打印替代传统制造,另外难度系数更大、越复杂的一体轻量化结构,传统的制造方法无法实现,3D打印更胜一筹。

      图为:3D打印的Scalmalloy机舱阻隔构造

      3D打印仿真技术的应用,可以减少前期研究的工作量。通过仿真技术的研究,解决残余应力和变形预测问题,缺陷预测和微观组织演变问题,工艺设计阶段支撑优化问题,通过模拟仿真提供理论参考依据,包括成型过程中的应力和变形,甚至开裂缺陷的预测。

      3D打印与传统技术的集成。例如,机匣零件分布了很多凸台,按照传统方法制造厚度非常大,加工周期大概需要十天,如果应用复合制造的方法,在锻件技术和铸件的基础上应用3D打印,传统工艺与3D打印结合,解决新品加工和零件修复过程中的成本、周期问题。

      图为:3D打印飞机发动机部件

      此外,结合3D打印技术的特点,确立航空发动机重点应用的典型零件,通过仿真技术、粉末制备技术、收缩变形、支撑等关键问题的突破,建立数据库,建立3D打印制造流程标准体系,从而在航空发动机应用上进行全面的推广。

      3D打印航空发动机应用面临的挑战

      机遇与挑战并存,在看到3D打印为航空发动机领域带来新制造方案的同时,也不能忽视其在该领域应用中面临的挑战。

      第一,技术要求不均,主要是靠供货商和采购方协商解决,各个工厂之间技术要求差别比较大。

      第二,3D打印粉末工艺检测全链条基础实验还不充分,无损检测、复杂曲面、晶格结构如何检测,内腔内流道表面质量如何控制等方面应用还需要更进一步细致的工作。

      图为:3D打印飞机发动机零部件

      第三,3D打印零部件可靠性的认证。目前增材制造的标准参考了锻铸件的标准,基本满足适航体系的要求,还需要进一步的研究,一个新零件通过3D打印用到航空发动机上,需要零件稳定性的验证、工艺平台的建立、工艺参数的优化、热处理组织性能的研究、表面处理、批次性考核、力学性能的验证、疲劳性能实验、工艺评审、建立相应的体系性的标准,通过试车考核以后才能应用,应用验证的路途漫漫。

      第四,降低3D打印的成本,缩短研制周期。目前在预研和研制初期,3D打印成本和周期方面有优势,但随着批量的上升,进入批产和维修期以后进一步降低增材制造的成本,缩短研制周期和制造周期是一大难点。

      应用于航空发动机制造的3D打印设备

      虽然是出自3D打印的大手笔,但是能够打印航空零部件的打印设备对于成品质量和精细度有着极高的要求。

      前文中提到的为GE9X 3D打印的七个部件、304个零件中,除LPT叶片和热交换器外,其他零件大部分采用钴铬合金,并由Concept Laser M2打印制造。

      图为:Concept Laser M2 3D打印机

      M2的构建体积大至250 x 250 x 280 mm,层分辨率为20至80微米,其中许多涉及晶格结构。M2能实现整体上的设计自由,方便其迭代,以及更快、更容易地制造航空件。此外,M2可用来推进三种主要航空航天金属钛、铝、铬镍铁合金的生产和使用。

      GE9X发动机中使用的TiAl合金叶片则是通过Arcam A2x打印机打印完成的。打印机配备3千瓦的电子束,可同时生产六个15.75英寸的叶片。

      图为:Arcam A2X 3D打印机

      Arcam A2X系列工作温度达到1100℃,为制备TiAl、Ni718等高温材料提供了条件。真空系统提供1.1×10-5mbar的真空度,提供了洁净可控的工作环境。支撑模式为一个单件打印结束以后,粉末仅需要被加热团聚在一起,容易去除不会损坏与打印件接触面。同时支撑所起到的热传导作用与以上条件相结合,可实现多个打印件沿高度方向堆叠。Arcam A2X系列增加了爆炸保护真空吸尘器(ATEX级别)、粉末处理手推车和粉末回收系统。

      结束语:3D打印作为前沿科技的典范,将智能制造推向新高度,开创了以“机器制造机器”新的制造业格局。与航空发动机制造的结合,是3D打印在高精尖产业的发力,进一步探寻高端制造新模式。未来可期,随着3D打印技术尤其是金属3D打印技术的不断成熟完善,与之适配的材料日趋多元化且性能不断提升,必将进一步释放3D打印的高端制造能力。

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