大咖如何玩转3D打印

向川

早在20世纪80年代，航空业已经开始使用3D打印技术进行零部件的生产。一开始，3D打印技术还只是扮演着快速成型的小角色，但如今，随着民用飞机产量的不断提升，3D打印技术凭借更高的设计自由度、更低的生产成本和更快的生产速度，逐渐在民用航空产业链中占据了战略性的地位。在航空发动机市场，主流制造商们也开始了对这一技术的战略布局。

技术成熟度不断提高

3D打印技术，又称金属材料增材制造技术、激光快速成型技术，由于能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形，如今已经成为应对飞机及航空发动机领域技术挑战的最佳途径。尤其是在发动机制造领域，由于关键核心部件的生产极为复杂，如果沿用传统的加工工艺和方法，在产能上很难再有进一步的突破。

举例来说，在发动机制造过程中，风扇及压气机部件的制造是整个航空发动机制造的关键。在传统加工工艺中，发动机风扇叶片是利用活化扩散技术，使钛合金叶盆、叶背和蜂窝夹芯块形成一体，最后利用切削加工的方法加工出叶根与叶型。这种方法存在材料利用率低、周期长、成本高等缺点。如果能够利用3D打印技术，就能很好地解决上述问题。

金属零件3D打印的技术构想，由美国联合技术研究中心（UTRC）在1979年率先提出，其应用对象就是制造航空发动机涡轮盘。1994年，三大发动机巨头之一的罗罗公司与英国克兰菲尔德大学合作研发了航空发动机机匣激光立体成形（LSF）制造技术。2000年，波音公司宣布，采用LSF技术制造的三个钛合金零件在飞机上得到应用，并在2001年牵头制定了LSF技术的美国国家标准（该标准在2011年进行了修订），由此在全球掀起了3D打印技术的第一次热潮。

近年来，随着3D打印技术逐渐成熟，特别是相关装备商用化水平不断提高，越来越多的航空制造企业投入巨资进行新技术研发，以便在激烈的竞争中占据优势地位。

连接未来的重要赌注

在所有发动机制造商中，GE公司对3D打印技术最为热衷，甚至将这项技术视为“连接未来的重要赌注”。迄今为止，GE在3D打印技术上投入了上百亿美元，在迅速增强自身实力的同时也深刻地影响着整个行业。

2016年，GE在美国匹兹堡新设了一个增材技术发展中心（CATA），该中心成为整个公司3D打印技术的创新中心。CATA拥有一个“工业化实验室”，GE的各个业务集团均可将各自的设计方案带到这里，研究如何加速从实验室到批量生产的进程。随后，GE又大手笔收购了两家业内一流的3D打印公司Arcam和Concept Laster。这一举措赋予GE在3D打印设备市场高达20%的份额。此外，GE每年至少投资5亿美元在其全球研发中心，专门用于3D打印和材料科学的有关研究。

如今，大手笔的投入已经初见成效。2018年，GE与德国概念激光公司共同研发出米级尺度的激光粉末床融合增材制造机的第一个测试版机器，并已交付给一小部分客户进行测试。在ATLAS项目（用于大尺寸部件系统的增材制造技术）支持下，这个耗时9个月研发的增材制造机，可以制造最大规格为1米×1米×0.3米的大型部件。该机器的量产版将在2018年年底推出，届时将可以生产最大规格达1米×1米×1米的大型部件。

目前，GE已经使用该测试机生产出符合LEAP系列发动机要求的燃烧器衬套。在此之前，GE已经使用3D打印技术完成了LEAP发动机燃料喷嘴的生产。作为如今窄体客机市场最受欢迎的发动机，每台LEAP系列发动机有19个燃料喷嘴，由于制造工艺十分复杂，传统的加工方法无法满足制造商提升产能的需求。随着3D打印技术的逐渐成熟，GE计划在两年之内将LEAP系列发动机喷嘴的产量提升到10万个/年。

另一个发动机巨头罗罗公司也在加快对3D打印技术的战略布局。目前，罗罗正在尝试用3D打印技术进行遄达系列发动机轴承座的生产，打印所用的材料是电子束熔化粉末合金。该合金经过熔融、固化，最后被打印成相应的结构。在经历了上万小时试验和数百个试验件生产后，罗罗在电子化熔化机床使用方面已经积累了较为丰富的经验。在已经完成的多项发动机地面测试中，各项试验结果都符合预期。但最终仍需要装载3D打印发动机的飞机完成试飞后，才能证明新技术的研发是否满足需求。根据计划，罗罗将在今年下半年开始进行相应的飞行试验。

除此之外，德国MTU公司也在利用3D打印技术进行GTF發动机的生产。目前，MTU在德国慕尼黑总部有7台大型EOS打印机，用于GTF发动机镍合金轮毂的生产。在此之前，MTU公司生产这一零部件的成本很高。以发动机燃烧室保护罩为例，利用3D打印技术生产比使用传统制造工艺生产可降低约40%的成本。

除了在制造领域，发动机制造商还在探索3D打印技术在售后市场的发展潜力。

由于通过增材制造技术生产的每件产品都是单独成形，不需要模具，对复杂的设计不再造成额外的成本增加。同时，与传统制造技术相比，增材制造技术通过摒弃生产线而降低成本。从产品制造的全过程分析，增材制造技术可以使一些产品零部件的库存只需要保留电子文档，而无需制造出来存在库存。一旦有需要，直接制造即可，从而减少了库存和物流工作。

尤其是在飞机遭遇鸟撞等特殊情况时，3D打印技术可以实现快速修补，减少零件更换，延长飞机的使用寿命。过去，如果飞机遭遇鸟撞，往往只能停场等待更换零件。而基于3D打印技术，一些特制的3D打印机可以根据相应的3D建模技术中所存储的零件形状与尺寸，对飞机蒙皮甚至发动机叶片被损伤的部分进行喷印修复，从而使飞机无需停场。

同样的，对于一些磨损的轴承和发动机部件，如果没有可更换的备用件，或磨损程度不值得更换的备用件，通过这种小范围的修补则可大大降低飞机零件更换成本，延长飞机使用寿命。

未来亟需解决的问题

尽管3D打印技术有诸多优点，但是该技术在航空领域的应用也存在一定的局限，有些问题亟需解决。

首先，3D打印技术并不适用于直接制造高精度零件。由于通过3D打印制造的零件是一层一层堆积而成的，所以每一层都有厚度，这就决定了它的表面粗糙度与传统减材制造方法生产的产品存在一定的差距。同时，由于存在一些难以克服的问题，这种加工方法也很难制造轴承、滚珠之类的产品。

其次，由于目前很多原材料还不能满足航空产品的设计要求，因此3D打印技术还未形成广泛的工业应用。原材料是用于逐层堆积制作零部件的基础，也是3D打印技术得以应用的一个重要前提。目前，可应用于3D打印的原材料种类较少，大量材料的应用潜能还有待进一步开发。

最后，也是最重要的一点，就是适航性的问题。目前，各大航空发动机公司对3D打印技术的应用仍然十分谨慎。许多通过3D打印技术生产的零部件仍然只是用于适航取证的测试件，并未投入实际生产。因此，在航空制造领域，短时间内3D打印技术还无法完全替代传统的制造工艺。企业希望从风险最低、尺寸较小的零部件开始，逐步推进，然后以最安全的方式进入到生产阶段。

对于航空产业来说，新技术的应用必须循序渐进。无论是原材料还是工艺制造手段，都要经过严格的认证，在被确认是成熟的且具有长期利用价值后才会取得适航许可。从这个角度来看，3D打印技术距离批量化生产还有很长的路要走。

3D打印技术作为一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术，尽管在发动机制造领域显示了广阔的应用前景，但是相比于传统铸锻等热加工技术和机械加工等冷加工技术，金属3D打印技术的发展历史毕竟只有短短的30年左右，其技术成熟度相比传统技术还有很大的差距。这也意味着，对于3D打印技术，仍有大量的基础研究和应用研究工作有待开展。