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3D列印，今后國際航空引擎鍛造應用領域的關鍵字

發(fā)布時間：2022-06-08 12:01:35瀏覽：6956點贊：

國際航空引擎做為輕工業(yè)鍛造創(chuàng)舉的開創(chuàng)者

，是一個北歐國家鍛造業(yè)水準的關鍵象征

。隨著北歐國家“十四五”發(fā)展戰(zhàn)略的逐步大力推進，我省的國際航空引擎鍛造產業(yè)發(fā)展盡管獲得了飛速發(fā)展的發(fā)展

，但對高效率

、短周期性、產品質量輕

、氣壓大等鍛造工藝技術的崇尚也愈發(fā)迫切

。3D列印控制技術做為第二次產業(yè)發(fā)展革命的關鍵象征，它為合金材料和內部結構提供更多了一類捷伊鍛造形式

，為國際航空引擎關鍵控制技術沖破和測試形式提高增添更多的幾率

。

1 控制技術概要3D列印控制技術(3D printing)是加速成形控制技術(Rapid Prototyping，RP)的一類

，它是一類以calculated文檔為依據(jù)

，利用粉末合金或塑膠等可黏合合金材料，通過逐級列印的形式來內部內部結構球體的控制技術

，很大地延長了商品的研發(fā)周期性和研磨周期性[2]

，其同時實現(xiàn)的主要形式主要包括：1.1 多層虛擬鍛造多層虛擬鍛造控制技術（Laminated Object Manufacturing，LOM）其組織工作基本原理如圖1所示

，具體來說X201i政府機構將正方形涂有尼龍的箔材逐級地送至組織滾珠軸承的下方

，接著選用CO2電子束依照科楓內部結構設計的截面線條對組織滾珠軸承上的箔材進行逐級研磨，并除去線條區(qū)內的合金材料

，進而順利完成所需商品的鍛造

。

圖1 多層虛擬鍛造控制技術組織工作基本原理

1.2 光固化立體成形光固化立體成形控制技術（Stereo Lithography Apparatus，SLA）其組織工作基本原理如圖2所示

，具體來說在液槽中充滿液態(tài)光敏樹脂

，其次通過計算機指令控制電子束的掃描路徑，在紫外電子束照射作用下

，液態(tài)光敏樹脂同時實現(xiàn)會加速固化成形

，之后利用升降臺的高度調整同時實現(xiàn)逐級列印

，最終同時實現(xiàn)層層疊加構成三維虛擬。

圖2 光固化立體成形控制技術組織工作基本原理

1.3 熔積成形熔積成形（Fused Deposition Modeling

，F(xiàn)DM）

，其組織工作基本原理如圖3所示，通過高溫對各種合金材料進行加熱融化

，依照科楓內部結構設計的截面逐級堆積

，最終得到成形零件的控制技術。

圖3 熔積成形控制技術組織工作基本原理

1.4 選擇性激光燒結選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering

，SLS)

，其組織工作基本原理如圖4所示，該控制技術主要是通過控制電子束依照預先設定路徑對粉末合金材料進行層層燒結而成形的控制技術

，是一類由離散點層層堆積成三維虛擬的工藝技術形式

。

圖4 選擇性激光燒結控制技術組織工作基本原理

在國際航空引擎鍛造應用領域，高性能合金構件選擇性激光燒結控制技術是最前沿的3D列印控制技術

。該控制技術從零件數(shù)模一步同時實現(xiàn)高性能大型復雜構件的成形,成形構件形狀之復雜

、節(jié)省合金材料程度之高，是傳統(tǒng)鑄造和機械研磨形式難以企及的

。2 發(fā)展現(xiàn)狀3D列印控制技術自問世以來

，憑借在大尺寸零件一體化鍛造、異型復雜內部結構件鍛造

、變批量定制內部結構件鍛造方面的巨大優(yōu)勢

，在國際航空引擎鍛造應用領域大放異彩，目前3D列印控制技術已成為是歐美發(fā)達北歐國家首選的國際航空引擎零部件鍛造控制技術

。2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀2013年美國霍尼韋爾公司列印了熱交換器和合金支架

。2014年德國西門子公司列印出了燃氣輪機的合金零部件，成為全球輕工業(yè)鍛造業(yè)第一個將選用3D列印鍛造的合金零部件應用于實際生產中公司

。GE公司通過長達10多年的探索將其噴油嘴的內部結構設計通過不斷的優(yōu)化

，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個減少到一個，通過3D列印同時實現(xiàn)內部結構一體化

，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題

，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍,整體提高了LEAP引擎的性能。近日

，通用電氣公司選用3D列印控制技術鍛造了一臺微型噴氣式引擎

，該引擎轉速高達33000r/min，將被應用于無人機

。2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀進入21世紀以來

，以中航輕工業(yè)為代表的輕工業(yè)部門開始研究和應用3D列印控制技術，尤其在國際航空引擎的復雜部件研磨中已開展了大范圍3D列印控制技術研究和商品研磨。中國航發(fā)商發(fā)已順利完成增材鍛造微型渦噴引擎

。中國航發(fā)航材院牽頭的北歐國家重點基礎合金材料控制技術提高與產業(yè)發(fā)展化項目“超細3D列印有色/難熔合金球形粉末制備控制技術”已經(jīng)啟動。截至目前

，中國航發(fā)和其他國內科研政府機構先后針對渦輪氣冷葉片

、燃油組件、殼體

、封嚴塊

、噴嘴、整體葉盤

、整體導向器

、軸承座、葉柵等零件開展了探索研究

，均獲得了積極進展

。3 前景分析3D列印控制技術能夠自動、加速

、直接

、精準地將計算機中的三維內部結構設計轉化為實物模型，從研發(fā)階段列印模型到外場服務甚至戰(zhàn)時列印備件

，其控制技術優(yōu)勢能夠廣泛應用于國際航空引擎的全壽命過程中

。3.1 內部結構設計研發(fā)階段國際航空引擎本身就是“試出來的”商品，在內部結構設計階段

，商品控制技術狀態(tài)尚未固化

，存在大量控制技術狀態(tài)更改，各種零部件樣件需頻繁生產

，傳統(tǒng)上每一輪改進都需要對模具進行修改

，不僅增加鍛造成本，且生產周期性較長

，嚴重拖延了內部結構設計進程

，加之我省國際航空引擎內部結構設計和生產分離，信息傳遞存在滯后甚至存在內部結構設計和生產脫節(jié)等問題

。3D列印控制技術將內部結構設計

、鍛造甚至維護過程融為一體，即同時實現(xiàn)了“內部結構設計即生產”的美好愿景

，很大地縮小了裝備從“研發(fā)”到“定型“的時間差

，且由于3D列印是從點到線，從線到面

，從面到體的加法過程

，沒有空間和時間的邊界限制，內部結構設計變量更多

，組合更復雜

，然而這些參數(shù)及其后果都是可重復可追溯的

，因此可有效利用大數(shù)據(jù)和云端積累并深度學習，再通過云端管理對全球所有增材鍛造設備在線監(jiān)控

，決策

，控制，最終使國際航空引擎的研發(fā)更加科學

，加快了裝備的更新周期性

。

3.2 生產鍛造階段一是提高氣壓、減輕重量

，提高引擎整體性能

。推重比是國際航空引擎的關鍵參數(shù)指標，減重一直是國際航空引擎鍛造的關鍵目標

。目前國際航空引擎整機通過螺栓或其他接口將零部件或單元體連接

，如若選用3D列印一體成形既減少了合金材料增加了氣壓，又減少零部件數(shù)量進而減輕了引擎的重量

，以PW1500G 引擎為例

，其選用3D列印控制技術生產的試驗部件比傳統(tǒng)工藝技術鍛造的該部件重量減輕50%。引擎整體重量的減輕

，能夠產生更高的加速度

，有效增加續(xù)航里程，擴大作戰(zhàn)半徑且降低了飛行成本

。二是降高效率

、延長周期性，提高引擎生產效率

。國際航空引擎中使用的鈦合金

、鎳基高溫合金等合金合金材料價格昂貴，某些合金材料甚至是稀缺的發(fā)展戰(zhàn)略合金材料

。選用傳統(tǒng)的研磨鍛造形式

，合金材料使用率較低，一般不大于10%

。以某型引擎整體葉片為例

，傳統(tǒng)鍛造工藝技術類似于“雕刻”，合金材料利用率僅為7%

，即意味著93%的原合金材料被浪費

，鍛造成本高，且研磨時間長

。而選用3D列印控制技術直接列印的整體葉盤

，合金材料利用率提高到80%以上，同時鍛造時間也僅有傳統(tǒng)鍛造的1/20，能夠大幅的延長引擎的生產周期性

，提高引擎的交付效率

。詳見表1所示：

表1 國際航空盤形零件選用3D列印控制技術與傳統(tǒng)鍛造形式的對比

三是減少環(huán)節(jié)、降低要求

，提高引擎商品產品質量國際航空引擎每臺零部件上以千計

，組裝過程需要上百道工序，且生產和安裝對工人生產技能要求較高

，如若裝配不合理極易引起零部件存在應力產生斷裂、間隙過大引起引擎漏氣致使性能不合格或由于連接不穩(wěn)固導致引擎產生振動故障

。在某型號引擎故障統(tǒng)計中

，由于裝配原因導致的故障約占10%，裝配工人水準的高低能夠直接影響到引擎的整機產品質量的好壞

。選用3D列印的零部件一體成形

，降低了工人的技能要求，減少了部分裝配環(huán)節(jié)

，避免了人工差錯所增添的影響

，且內部結構之間的穩(wěn)固性和連接氣壓要高于焊接等傳統(tǒng)形式，對引擎商品產品質量有較大提高

。3.3 維修服務階段軍用國際航空引擎由于戰(zhàn)訓任務重

、使用條件極端等原因，在使用組織工作中損傷模式復雜

，零備件需求量大

，在外場使用過程中雖有專業(yè)的跟飛保障團隊進行維護，但每年仍有部分引擎需返廠進行維修

，嚴重影響了我軍的戰(zhàn)斗力

。3D列印為再鍛造提供更多了個性化、高效率的同時實現(xiàn)手段

，是歐美發(fā)達北歐國家首選的國際航空引擎零部件再鍛造控制技術

。一是按需列印，提高部隊引擎完好率在引擎使用維護過程中

，到壽件

、易損件、必換件等零部件需求量大

，各型號零部件控制技術狀態(tài)也會不同

，外場部隊又不可能存放大量存放，便會出現(xiàn)引擎停飛待件的情況

。3D列印控制技術的存在便可很好的解決這一難題

，無需庫房存儲，只需要電腦中存在電子模型數(shù)據(jù)包，便可按需列印零部件

。特別是戰(zhàn)時狀態(tài)

，戰(zhàn)場上如果需要更換損毀部件，選用3D列印設備直接在戰(zhàn)場把所需要的部件鍛造出來

，裝配后重新投入戰(zhàn)場

，避免裝備某個零部件出現(xiàn)故障卻無法維修的窘境，進而使遭到毀傷的武器裝備得到再生

。二是及時貫改

，不斷提高引擎性能我省的國際航空引擎目前還處于逐漸走向成熟的階段，使用過程中故障偶有發(fā)生

。由于外場單位分散

，距離承制單位較遠，致使返廠周期性較長

，同時為了保持部隊戰(zhàn)斗力

，一些排故措施和控制技術改進不得不結合引擎到壽返廠后一并貫徹，影響了引擎的可靠性

。如若外場選用3D列印控制技術

，只需要更新數(shù)據(jù)包便可以第一時間列印出新內部結構、新合金材料的零部件進行更換

，大大減少了商品長途運輸時間

，避免了貫改滯后，加快了裝備的更新周期性

，提高了引擎的可靠性

。

4 總結3D列印控制技術目前盡管在精度還是機械性能上與傳統(tǒng)鍛造工藝技術還有差距，但其所增添的全新內部結構設計理念正是中國發(fā)展國際航空引擎的重大機遇

。在這一機遇面前

，我們應加速大力推進3D列印內部結構設計和鍛造的理念、形式

、手段

、工具和相應的規(guī)范準則，共同努力

，打造出更輕

、更高效、更安全

、更環(huán)保

、更可靠國際航空引擎，助力我軍早日同時實現(xiàn)強軍夢

。

(責任編輯：admin)

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