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3D打印
，今后國際航空引擎鍛造

發(fā)布時間：2022-06-21 16:22:11瀏覽：6979點贊：

國際航空引擎做為工業(yè)鍛造成就的開創(chuàng)者

，是一個北歐國家鍛造業(yè)水平的關(guān)鍵象征

。隨著北歐國家“十三五”戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進

，我國的國際航空引擎鍛造產(chǎn)業(yè)雖然取得了飛速發(fā)展的發(fā)展

，但對高效率、短周期性

、質(zhì)量輕、強度大等鍛造工藝技術(shù)的追求也越發(fā)迫切

。3D列印掌控技術(shù)做為第三次產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵象征

，它為金屬材料和結(jié)構(gòu)提供了一類捷伊鍛造方式

，為國際航空引擎關(guān)鍵掌控技術(shù)突破和測試方法提升帶來更多的可能性

。

1 掌控技術(shù)概要3D列印掌控技術(shù)(3D printing)是加速成形掌控技術(shù)(Rapid Prototyping

，RP)的一類

，它是一類以calculated文件為依據(jù)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合金屬材料

，透過逐級列印的方式來構(gòu)造物體的掌控技術(shù)，極大地縮短了商品的研制周期性和加工周期性[2]

，其同時實現(xiàn)的主要方式包括：1.1 多層虛擬鍛造多層虛擬鍛造掌控技術(shù)（Laminated Object Manufacturing

，LOM）其組織工作基本原理如圖1所示

，具體來說X201i機構(gòu)將正方形涂有尼龍的箔材逐級地送至組織滾珠軸承的上方

，然后采用CO2電子束依照科楓結(jié)構(gòu)設計的截面線條對組織滾珠軸承上的箔材展開逐級研磨，并除去線條區(qū)內(nèi)的金屬材料

，從而完成所需商品的鍛造。

圖1 多層虛擬鍛造掌控技術(shù)組織工作基本原理

1.2 SBR二維成形SBR二維成形掌控技術(shù)（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固體對光聚丙烯，其次透過計算機命令掌控電子束的掃描器方向

，在紫外光電子束反射作用下

，固體對光聚丙烯同時實現(xiàn)會加速重構(gòu)成形

，之后利用氣墊的高度調(diào)整同時實現(xiàn)逐級列印，最后同時實現(xiàn)一層層共振構(gòu)成二維虛擬

。

圖2 SBR二維成形掌控技術(shù)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

，透過高溫對各種金屬材料展開冷卻溶化，依照科楓結(jié)構(gòu)設計的截面逐級堆積

，最后得到成形配件的掌控技術(shù)。

圖3 熔積成形掌控技術(shù)組織工作基本原理

1.4 特異性雷射熱處理特異性雷射熱處理(Selective Laser Sintering

，SLS)

，其組織工作基本原理如圖4所示

，該掌控技術(shù)主要是透過掌控電子束依照事先預設方向?qū)Ψ勰罱饘俨牧险归_一層層熱處理而成形的掌控技術(shù)

，是一類由對數(shù)點一層層堆成二維虛擬的工藝技術(shù)方式。

圖4 特異性雷射熱處理掌控技術(shù)組織工作基本原理

在國際航空引擎鍛造領域

，高效能金屬梁柱特異性雷射熱處理掌控技術(shù)是前沿的3D列印掌控技術(shù)。該掌控技術(shù)從配件N53SI241SV一步同時實現(xiàn)高效能大型繁雜梁柱的成形,成形梁柱形狀之繁雜

、節(jié)約金屬材料程度之高

，是傳統(tǒng)鑄成和金屬加工方式難以撼動的

。2 發(fā)展現(xiàn)狀3D列印掌控技術(shù)自問世以來

，憑借在大尺寸配件一體化鍛造、異型繁雜結(jié)梁柱鍛造

、變批量定制結(jié)梁柱鍛造方面的巨大優(yōu)勢，在國際航空引擎鍛造領域大放異彩

，目前3D列印掌控技術(shù)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掌控技術(shù)

。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金屬支架

。2014年德國西門子公司列印出了燃氣輪機的金屬零部件

，成為全球工業(yè)鍛造業(yè)第一個將采用3D列印鍛造的金屬零部件應用于實際生產(chǎn)中公司

。GE公司透過長達10多年的探索將其噴油嘴的結(jié)構(gòu)設計透過不斷的優(yōu)化，將噴油嘴的配件數(shù)量從20多個減少到一個

，透過3D列印同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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

，通用電氣公司采用3D列印掌控技術(shù)鍛造了一臺微型噴氣式引擎

，該引擎轉(zhuǎn)速高達33000r/min，將被應用于無人機

。2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀進入21世紀以來，以中航工業(yè)為代表的工業(yè)部門開始研究和應用3D列印掌控技術(shù)

，尤其在國際航空引擎的繁雜部件加工中已開展了大范圍3D列印掌控技術(shù)研究和商品加工

。中國航發(fā)商發(fā)已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金屬材料掌控技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化項目“超細3D列印有色/難熔金屬球形粉末狀制備掌控技術(shù)”已經(jīng)啟動

。截至目前，中國航發(fā)和其他國內(nèi)科研機構(gòu)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、葉柵等配件開展了探索研究

，均取得了積極進展。3 前景分析3D列印掌控技術(shù)能夠自動

、加速

、直接、精準地將計算機中的二維結(jié)構(gòu)設計轉(zhuǎn)化為實物模型

，從研制階段列印模型到外場服務甚至戰(zhàn)時列印備件，其掌控技術(shù)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 結(jié)構(gòu)設計研制階段國際航空引擎本身就是“試出來的”商品

，在結(jié)構(gòu)設計階段，商品掌控技術(shù)狀態(tài)尚未重構(gòu)

，存在大量掌控技術(shù)狀態(tài)更改

，各種零部件樣件需頻繁生產(chǎn)，傳統(tǒng)上每一輪改進都需要對模具展開修改

，不僅增加鍛造成本，且生產(chǎn)周期性較長

，嚴重拖延了結(jié)構(gòu)設計進程

，加之我國國際航空引擎結(jié)構(gòu)設計和生產(chǎn)分離，信息傳遞存在滯后甚至存在結(jié)構(gòu)設計和生產(chǎn)脫節(jié)等問題

。3D列印掌控技術(shù)將結(jié)構(gòu)設計

、鍛造甚至維護過程融為一體

，即同時實現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)設計即生產(chǎn)”的美好愿景，極大地縮小了裝備從“研制”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，結(jié)構(gòu)設計變量更多

，組合更繁雜

，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

，再透過云端管理對全球所有增材鍛造設備在線監(jiān)控，決策

，掌控

，最后使國際航空引擎的研制更加科學

，加快了裝備的更新周期性

。

3.2 生產(chǎn)鍛造階段一是提升強度、減輕重量

，提高引擎整體性能。推重比是國際航空引擎的關(guān)鍵參數(shù)指標

，減重一直是國際航空引擎鍛造的關(guān)鍵目標

。目前國際航空引擎整機透過螺栓或其他接口將零部件或單元體連接

，如若采用3D列印一體成形既減少了金屬材料增加了強度，又減少零部件數(shù)量從而減輕了引擎的重量

，以PW1500G 引擎為例，其采用3D列印掌控技術(shù)生產(chǎn)的試驗部件比傳統(tǒng)工藝技術(shù)鍛造的該部件重量減輕50%

。引擎整體重量的減輕

，能夠產(chǎn)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

、縮短周期性

，提升引擎生產(chǎn)效率。國際航空引擎中使用的鈦合金

、鎳基高溫合金等金屬金屬材料價格昂貴，某些金屬材料甚至是稀缺的戰(zhàn)略金屬材料

。采用傳統(tǒng)的加工鍛造方式

，金屬材料使用率較低，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(shù)類似于“雕刻”

，金屬材料利用率僅為7%

，即意味著93%的原金屬材料被浪費，鍛造成本高

，且加工時間長

。而采用3D列印掌控技術(shù)直接列印的整體葉盤

，金屬材料利用率提高到80%以上

，同時鍛造時間也僅有傳統(tǒng)鍛造的1/20，能夠大幅的縮短引擎的生產(chǎn)周期性

，提高引擎的交付效率

。詳見表1所示：

表1 國際航空盤形配件采用3D列印掌控技術(shù)與傳統(tǒng)鍛造方式的對比

三是減少環(huán)節(jié)

、降低要求

，提升引擎商品質(zhì)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(chǎn)和安裝對工人生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生振動故障

。在某型號引擎故障統(tǒng)計中

，由于裝配原因?qū)е碌墓收霞s占10%，裝配工人水平的高低能夠直接影響到引擎的整機質(zhì)量的好壞

。采用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)

，避免了人工差錯所帶來的影響，且結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強度要高于焊接等傳統(tǒng)方式

，對引擎商品質(zhì)量有較大提升

。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繁雜，零備件需求量大

，在外場使用過程中雖有專業(yè)的跟飛保障團隊展開維護

，但每年仍有部分引擎需返廠展開維修

，嚴重影響了我軍的戰(zhàn)斗力。3D列印為再鍛造提供了個性化

、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掌控技術(shù)。一是按需列印

，提升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，各型號零部件掌控技術(shù)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列印掌控技術(shù)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

，采用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

，從而使遭到毀傷的武器裝備得到再生

。二是及時貫改，不斷提升引擎性能我國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

，一些排故措施和掌控技術(shù)改進不得不結(jié)合引擎到壽返廠后一并貫徹

，影響了引擎的可靠性

。如若外場采用3D列印掌控技術(shù)

，只需要更新數(shù)據(jù)包便可以第一時間列印出新結(jié)構(gòu)、新金屬材料的零部件展開更換

，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

，提升了引擎的可靠性

。

4 總結(jié)3D列印掌控技術(shù)目前雖然在精度還是機械性能上與傳統(tǒng)鍛造工藝技術(shù)還有差距，但其所帶來的全新結(jié)構(gòu)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

，我們應加速推進3D列印結(jié)構(gòu)設計和鍛造的理念、方式

、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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