GE在收購了 Morris Technologies 之后,在阿拉巴馬州的工廠采用選擇性激光熔化工藝大規模的生產噴氣發動機的部件。GE通用航空決定將3D打印技術應用到 GE9X 發動機的低壓渦輪葉片,該發動機被運用于波音777系的后續機型。GE通用航空公司相信,3D打印技術已經足夠成熟,他們將能在一年內制造出成千上萬的燃油噴嘴,或者低壓渦輪葉片。
這些改變對航空航天制造業的影響是巨大的,因為3D打印不僅僅作為一種制造技術,更是創造了產品的附加值。為此,讓我們近距離走進GE9X發動機心臟,感受一下這場復雜的工程是如何一步一步搭建起來的。
除了應用選擇性激光熔化工藝制造渦輪葉片,GE還采用電子束熔融(EBM)技術,最初GE引進這項工藝是由2013年收購的意大利Avio航空公司與瑞典的Arcam開發的。即用電子束作為其能量源逐層融化金屬粉末。
渦輪葉片使用先進的航空航天材料鈦鋁(TiAl)制造。這種材料比常用于低壓渦輪葉片的鎳基合金輕50%左右。使用由鈦鋁材料制成的葉片,整個低壓渦輪機的重量可以減少20%,是葉片理想的材料。
GE的工程師則使用3千瓦的電子槍加速電子束熔化粉末狀鋁化鈦。電子槍的功率比目前用于打印金屬零件的激光束強10倍,使得該公司能夠制造出比激光打印厚4倍以上的渦輪葉片。使得GE僅用一臺3D打印機72小時生產出八個渦輪葉片。
這些3D打印的GEnx發動機葉片的性能和可靠性通過測試后,這些零部件將用于GE9X發動機上,用于下一代777X新型噴氣發動機。
事實上,不僅僅是GE9X發動機,GE還將3D打印技術應用到了LEAP發動機,GE90-94B發動機,ATP發動機上。
噴油嘴
2010年空客將GE生產的LEAP-1A發動機作為A320neo飛機的選配,LEAP發動機中帶有3D打印的燃油噴嘴。2015年5月19日,A320neo飛機首飛成功。裝有LEAP 發動機的A320neo 獲得歐洲航空安全局(EASA)的認證和美國聯航空管理局(FAA)的認證。
噴油嘴的設計可以避免“開鍋”,或者是油嘴部位積碳。 GE聲明該結構的噴油嘴幾何形狀只能通過增材制造的方法來生產。3D打印的燃油噴嘴不僅僅是一個整體式的部件,與上一代產品相比,重量還降低了25%,耐用性超過上一代產品的5倍。GE的工程師表示在噴氣式發動機的研發中,復雜零件的研發成本是昂貴的,但是增材制造技術的進入使成本有所下降,解除了多年來研發團隊為高昂的研發成本所承受的壓力。
GE稱含3D打印零件的LEAP引擎為GE帶來了310億美金的訂單。 CFM國際公司是GE航空和賽峰飛機發動機公司的合資公司,正在生產先進的LEAP引擎,該引擎正在安裝在空中客車公司和波音新型的窄體商用客機上。發動機上復雜的3D打印燃油噴嘴有助于LEAP燃料燃燒和排放減少15%。
傳感器
GE 的T25傳感器殼體得到了美國聯邦航空局的認證,這是GE 航空首個3D打印的金屬零部件。2015年4月T25傳感器殼體首次用在飛機發動機中,目前已被安裝在超過400個GE90-94B發動機中。該零部件處于飛機發動機高壓壓縮機的入口處,T25 傳感器負責為發動機控制系統提供壓力和溫度的測量數據。GE90-94B發動機可以為波音777寬體飛機提供動力。
3D打印技術使得GE的工程師對傳感器外殼的幾何形狀進行優化設計和生產,使外殼能夠更好地保護傳感器上的電子不受具有潛在破壞性的氣流和結冰的影響。GE 航空GE90/GE9X項目的負責人曾表示,通常使用鑄造等傳統制造方式研發這樣一個零部件需要幾年的時間,而3D打印技術的使用讓產品開發周期縮短了一年的時間。
葉片及ATP發動機核心部件
渦輪螺旋槳飛機通常為小型商業飛行器和個人飛機提供動力,但這仍然代表著數十億美元的市場。2016年,GE就已經對一臺35%零部件都采用增材制造的演示驗證發動機進行了測試。該發動機主要用于驗證增材制造技術在先進渦槳(ATP)發動機的適用性,ATP發動機將為德事隆最新研制的Cessna Denali單引擎渦槳飛機提供動力。
GE 3D打印的ATP飛機發動機將在今年運行,這款發動機為高級渦輪螺旋槳飛機(ATP)提供動力,基于3D打印技術特點,設計師將855個獨立部件減少到12個,結果,超過三分之一的引擎是由3D打印完成的。
GE卡梅里工廠主要使用20臺Arcam設備。通過電子束融化鋁鈦(TiAl)合金,這比鎳基合金輕百分之五十。此外,工廠還嘗試打印GE9X發動機低壓渦輪噴氣發動機的葉片。卡梅里制造的葉片將被安裝到先進的渦輪螺旋槳發動機部件(ATP-advanced turboprop engine)里面。
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