7月12日，美國(guó)GE航空集團(tuán)在舉辦的百年慶典活動(dòng)中，宣布旗下的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)憑借單發(fā)超過(guò)60.9噸的推力獲世界新吉尼斯記錄。該發(fā)動(dòng)機(jī)集成了GE航空集團(tuán)在過(guò)去十年中開(kāi)發(fā)的先進(jìn)技術(shù)，其中包含增材制造的零件304個(gè)，是新一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)家族中的巔峰之作。本期3D打印技術(shù)參考詳細(xì)講述GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)中3D打印產(chǎn)品的甄別與開(kāi)發(fā)過(guò)程。

在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)上取得的成功，促使GE航空對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)和材料選擇發(fā)生了系統(tǒng)性變化。GE9X作為一款巨大的高旁通比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，擁有304個(gè)3D打印的零件，首次將多種材料和打印工藝投入到單一航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)中。基于此，GE航空建立了第一個(gè)增材制造技術(shù)工業(yè)化航空航天供應(yīng)鏈。

▌七大部件、304個(gè)零件的甄別

GE9X中七個(gè)增材制造部件分別是：

燃油噴嘴                       T25傳感器外殼

熱交換器                       粒子分離器

5級(jí)低壓渦輪（LPT）葉片

6級(jí)渦輪（LPT）葉片        燃燒室混合器

識(shí)別出適用于增材制造的GE9X組件是非常復(fù)雜的。基于LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，GE9X首先選用了高度集成的3D打印燃油噴嘴，該部件也是代表工業(yè)增材制造巨大潛力的首要案例。

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴

GE9X的燃油噴嘴與LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同，該部件也是GE航空公司為發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用確定和開(kāi)發(fā)的第一個(gè)3D打印部件。然而，該公司在打印首批燃料噴嘴頭之前，首先為超過(guò)400臺(tái)GE90發(fā)動(dòng)機(jī)打印過(guò)T25傳感器外殼，它是第一個(gè)獲得FAA認(rèn)證的增材制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件。T25傳感器外殼位于高壓壓縮機(jī)的入口處，用于保護(hù)傳感器電子元件免受冷卻氣流的沖擊，從2015年開(kāi)始被裝配在GE90-94B噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上。因此在GE9X的3D打印部件甄別過(guò)程中，燃油噴嘴和T25傳感器外殼成為第一批被選擇的部件。

T25傳感器外殼

GE9X熱交換器和粒子分離器的選擇則不同。熱交換器傳統(tǒng)上由數(shù)十根細(xì)金屬管焊接組成，用于GE9X的3D打印熱交換器具有完全不同的外形，其中包括優(yōu)化的通道和充分利用3D打印設(shè)計(jì)自由開(kāi)發(fā)的復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀，通過(guò)一體打印而成，大大提高了熱交換效率。

3D打印的熱交換器，從多個(gè)零件到單一零件

粒子分離器的作用是排出發(fā)動(dòng)機(jī)中的灰塵、沙子等雜質(zhì)，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性。該部件以前從未在GE商用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用，制造難度很大。GE9X粒子分離器采用了區(qū)別于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，工程師通過(guò)3D打印將多個(gè)部件組合成了一個(gè)單元。

熱交換器和粒子分離器的3D打印一體化制造顯示了GE航空制造轉(zhuǎn)型的巨大努力，而采用該技術(shù)進(jìn)行渦輪葉片的制造則是一次巨大的飛躍。

▌TiAl合金渦輪葉片，3D打印航空應(yīng)用的飛躍

LPT葉片的3D打印制造非常困難。葉片采用TiAl合金，相比傳統(tǒng)使用的鎳基合金輕50％左右，具有更加優(yōu)異的強(qiáng)度重量比。由該材料制成的葉片，會(huì)使整個(gè)低壓渦輪機(jī)的重量減少20％，同時(shí)將使GE9X提高10％的推力。考慮到燃料占航空公司運(yùn)營(yíng)成本的比例達(dá)到25％，TiAl合金的性能便體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪TiAl合金葉片

此前，TiAl合金葉片通過(guò)鑄造+精加工的手段完成制造，這種方法的缺點(diǎn)在于模具制造周期太長(zhǎng)。然而，該材料的3D打印也同樣面臨問(wèn)題，它在激光打印時(shí)存在嚴(yán)重的應(yīng)力開(kāi)裂問(wèn)題。而EBM技術(shù)被證明可以比激光更高的效率來(lái)加工這種材料，每層高達(dá)1000°C的預(yù)熱溫度最大程度的避免了應(yīng)力產(chǎn)生。意大利Avio Aero公司基于在TiAl 3D打印方面的成功經(jīng)驗(yàn)，而被GE公司收購(gòu)，專(zhuān)門(mén)進(jìn)行TiAl合金葉片的打印。

EBM可對(duì)每層粉末實(shí)現(xiàn)高溫預(yù)熱

遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SLM的預(yù)熱溫度

Avio Aero 3D打印工廠擁有30臺(tái)大型Arcam A2x打印機(jī)，每臺(tái)打印機(jī)配備3千瓦的電子束，可同時(shí)生產(chǎn)六個(gè)15.75英寸的葉片。到今年年底，將有50臺(tái)機(jī)器主要用于LPT葉片生產(chǎn)。此前采用鑄造工藝制造葉片時(shí)，往往會(huì)提前一年半甚至兩年開(kāi)發(fā)模具，3D打印無(wú)疑節(jié)省了供應(yīng)鏈成本。

Avio Aero的Arcam A2x打印機(jī)

▌多部門(mén)間的通力合作

在為GE9X 3D打印的七個(gè)部件、304個(gè)零件中，除LPT葉片和熱交換器外，其他零件均是采用鈷鉻合金由Concept Laser M2打印制造，主要是由GE增材制造技術(shù)中心（ATC）和奧本工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)。

ATC研發(fā)中心的Concept Laser打印機(jī)

ATC擁有上百臺(tái)金屬3D打印機(jī)，其中18臺(tái)固定用來(lái)打印鈷鉻合金零件，還有一些用來(lái)生產(chǎn)熱交換器的F357鋁合金。然而ATC畢竟屬于研發(fā)部門(mén)，更多的生產(chǎn)任務(wù)還是需要工廠承擔(dān)。

從左到右：ATC研發(fā)中心現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人

GE航空材料工程負(fù)責(zé)人

GE航空設(shè)計(jì)工程負(fù)責(zé)人

ATC航空增材制造集成產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)總經(jīng)理

奧本工廠同時(shí)也負(fù)責(zé)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴的制造，其每周800個(gè)噴嘴的產(chǎn)量在當(dāng)前增材制造的行業(yè)現(xiàn)狀下已經(jīng)屬于完全工業(yè)化的大批量制造，而且其產(chǎn)量還會(huì)在今年翻倍增長(zhǎng)。此外，從LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)獲得的大批銷(xiāo)量訂單來(lái)看，奧本工廠未來(lái)的生產(chǎn)任務(wù)將更加繁重，目前ATC的一些設(shè)備正在搬往奧本工廠。

END

GE9X是GE航空首次將多種金屬材料3D打印用于航空應(yīng)用，但這些零件需要與其他傳統(tǒng)方式制造的零件一樣經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才能獲得使用。對(duì)于一種新工藝來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)非常重要，美國(guó)聯(lián)邦航空局和研發(fā)中心的工程師正在一起探索，大批量應(yīng)用的存在無(wú)疑會(huì)推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)程。關(guān)于航空應(yīng)用中設(shè)備、材料、工藝等的相關(guān)認(rèn)證，可以查看《關(guān)于增材制造的航空認(rèn)證問(wèn)題》。

GE9X認(rèn)證測(cè)試

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)是波音777X客機(jī)的動(dòng)力引擎，是世界最大的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力是許多戰(zhàn)斗機(jī)的幾倍，甚至超過(guò)了美國(guó)首次載人航天飛船中使用的火箭“水星-紅石3號(hào)”的推力。如此強(qiáng)勁的推力也意味著飛機(jī)制造商可以更加輕松開(kāi)發(fā)更大更重的客機(jī)衍生型號(hào)。目前，GE9X已獲得來(lái)自8家客戶的700多臺(tái)訂單。