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3D打印,未来航空发动机制造领域的关键词

2019-3-11 9:32:14 点击:

    航空发动机作为工业制造成就的集大成者,是一个国家制造业水平的重要标志。随着国家“十三五”战略的稳步推进,我国的航空发动机制造产业虽然取得了突飞猛进的发展,但对低成本、短周期、质量轻、强度大等制造工艺的追求也越发紧迫。3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志,它为材料和结构提供了一种新的制造方法,为航空发动机关键技术突破和性能指标提升带来更多的可能性。

1 技术简介
      3D打印技术(3D printing)是快速成型技术(Rapid Prototyping,RP)的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,极大地缩短了产品的研制周期和加工周期[2],其实现的主要方法包括:
1.1 分层实体制造
       分层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing,LOM)其工作原理如图1所示,首先供料机构将底面涂有热熔胶的箔材逐层地送至工作台的上方,然后采用CO2激光束按照计算机所设计的横截面轮廓对工作台上的箔材进行逐层切割,并剔除轮廓区外的材料,从而完成所需产品的制造。
图1 分层实体制造技术工作原理
1.2 光固化立体成形
      光固化立体成形技术(Stereo Lithography Apparatus,SLA)其工作原理如图2所示,首先在液槽中充满液态光敏树脂,其次通过计算机指令控制激光束的扫描路径,在紫外激光束照射作用下,液态光敏树脂实现会快速固化成型,之后利用升降台的高度调整实现逐层打印,最终实现层层叠加构成三维实体。
图2 光固化立体成形技术工作原理
1.3 熔积成形
       熔积成形(Fused Deposition Modeling,FDM),其工作原理如图3所示,通过高温对各种材料进行加热融化,按照计算机所设计的横截面逐层堆积,最终得到成型零件的技术。
图3 熔积成形技术工作原理
1.4 选择性激光烧结
      选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS),其工作原理如图4所示,该技术主要是通过控制激光束按照预先设定路径对粉末材料进行层层烧结而成型的技术,是一种由离散点层层堆积成三维实体的工艺方法。
图4 选择性激光烧结技术工作原理

       在航空发动机制造领域,高性能金属构件选择性激光烧结技术是最前沿的3D打印技术。该技术从零件数模一步实现高性能大型复杂构件的成形,成形构件形状之复杂、节省材料程度之高,是传统铸造和机械加工方法难以企及的。
2 发展现状
       3D打印技术自问世以来,凭借在大尺寸零件一体化制造、异型复杂结构件制造、变批量定制结构件制造方面的巨大优势,在航空发动机制造领域大放异彩,目前3D打印技术已成为是欧美发达国家首选的航空发动机零部件制造技术。
2.1 国外发展现状
      2013年美国霍尼韦尔公司打印了热交换器和金属支架。2014年德国西门子公司打印出了燃气轮机的金属零部件,成为全球工业制造业第一个将采用3D打印制造的金属零部件应用于实际生产中公司。GE公司通过长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化,将喷油嘴的零件数量从20多个减少到一个,通过3D打印实现结构一体化,不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题,还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍,整体提高了LEAP发动机的性能。近日,通用电气公司采用3D打印技术制造了一台微型喷气式发动机,该发动机转速高达33000r/min,将被应用于无人机。
2.2 国内发展现状
        进入21世纪以来,以中航工业为代表的工业部门开始研究和应用3D打印技术,尤其在航空发动机的复杂部件加工中已开展了大范围3D打印技术研究和产品加工。中国航发商发已完成增材制造微型涡喷发动机。中国航发航材院牵头的国家重点基础材料技术提升与产业化项目“超细3D打印有色/难熔金属球形粉末制备技术”已经启动。截至目前,中国航发和其他国内科研机构先后针对涡轮气冷叶片、燃油组件、壳体、封严块、喷嘴、整体叶盘、整体导向器、轴承座、叶栅等零件开展了探索研究,均取得了积极进展。
3        前景分析
      3D打印技术能够自动、快速、直接、精准地将计算机中的三维设计转化为实物模型,从研制阶段打印模型到外场服务甚至战时打印备件,其技术优势能够广泛应用于航空发动机的全寿命过程中。
3.1 设计研制阶段
      航空发动机本身就是“试出来的”产品,在设计阶段,产品技术状态尚未固化,存在大量技术状态更改,各种零部件样件需频繁生产,传统上每一轮改进都需要对模具进行修改,不仅增加制造成本,且生产周期较长,严重拖延了设计进程,加之我国航空发动机设计和生产分离,信息传递存在滞后甚至存在设计和生产脱节等问题。3D打印技术将设计、制造甚至维护过程融为一体,即实现了“设计即生产”的美好愿景,极大地缩小了装备从“研制”到“定型“的时间差,且由于3D打印是从点到线,从线到面,从面到体的加法过程,没有空间和时间的边界限制,设计变量更多,组合更复杂,然而这些参数及其后果都是可重复可追溯的,因此可有效利用大数据和云端积累并深度学习,再通过云端管理对全球所有增材制造设备在线监控,决策,控制,最终使航空发动机的研制更加科学,加快了装备的更新周期。
3.2 生产制造阶段
一是提升强度、减轻重量,提高发动机整体性能。
     推重比是航空发动机的重要参数指标,减重一直是航空发动机制造的重要目标。目前航空发动机整机通过螺栓或其他接口将零部件或单元体连接,如若采用3D打印一体成型既减少了材料增加了强度,又减少零部件数量从而减轻了发动机的重量,以PW1500G 发动机为例,其采用3D打印技术生产的试验部件比传统工艺制造的该部件重量减轻50%。发动机整体重量的减轻,能够产生更高的加速度,有效增加续航里程,扩大作战半径且降低了飞行成本。
二是降低成本、缩短周期,提升发动机生产效率。
     航空发动机中使用的钛合金、镍基高温合金等金属材料价格昂贵,某些材料甚至是稀缺的战略材料。采用传统的加工制造方法,材料使用率较低,一般不大于10%。以某型发动机整体叶片为例,传统制造工艺类似于“雕刻”,材料利用率仅为7%,即意味着93%的原材料被浪费,制造成本高,且加工时间长。而采用3D打印技术直接打印的整体叶盘,材料利用率提高到80%以上,同时制造时间也仅有传统制造的1/20,能够大幅的缩短发动机的生产周期,提高发动机的交付效率。详见表1所示:
  表1 航空盘形零件采用3D打印技术与传统制造方式的对比

三是减少环节、降低要求,提升发动机产品质量
     航空发动机每台零部件上以千计,组装过程需要上百道工序,且生产和安装对工人生产技能要求较高,如若装配不合理极易引起零部件存在应力产生断裂、间隙过大引起发动机漏气致使性能不合格或由于连接不稳固导致发动机产生振动故障。在某型号发动机故障统计中,由于装配原因导致的故障约占10%,装配工人水平的高低能够直接影响到发动机的整机质量的好坏。采用3D打印的零部件一体成型,降低了工人的技能要求,减少了部分装配环节,避免了人工差错所带来的影响,且结构之间的稳固性和连接强度要高于焊接等传统方法,对发动机产品质量有较大提升。
3.3 维修服务阶段
      军用航空发动机由于战训任务重、使用条件极端等原因,在使用工作中损伤模式复杂,零备件需求量大,在外场使用过程中虽有专业的跟飞保障团队进行维护,但每年仍有部分发动机需返厂进行维修,严重影响了我军的战斗力。3D打印为再制造提供了个性化、高效率的实现手段,是欧美发达国家首选的航空发动机零部件再制造技术。
一是按需打印,提升部队发动机完好率
      在发动机使用维护过程中,到寿件、易损件、必换件等零部件需求量大,各型号零部件技术状态也会不同,外场部队又不可能存放大量存放,便会出现发动机停飞待件的情况。3D打印技术的存在便可很好的解决这一难题,无需库房存储,只需要电脑中存在电子模型数据包,便可按需打印零部件。特别是战时状态,战场上如果需要更换损毁部件,采用3D打印设备直接在战场把所需要的部件制造出来,装配后重新投入战场,避免装备某个零部件出现故障却无法维修的窘境,从而使遭到毁伤的武器装备得到再生。
二是及时贯改,不断提升发动机性能
      我国的航空发动机目前还处于逐渐走向成熟的阶段,使用过程中故障偶有发生。由于外场单位分散,距离承制单位较远,致使返厂周期较长,同时为了保持部队战斗力,一些排故措施和技术改进不得不结合发动机到寿返厂后一并贯彻,影响了发动机的可靠性。如若外场采用3D打印技术,只需要更新数据包便可以第一时间打印出新结构、新材料的零部件进行更换,大大减少了产品长途运输时间,避免了贯改滞后,加快了装备的更新周期,提升了发动机的可靠性。
4        总结
    3D打印技术目前虽然在精度还是机械性能上与传统制造工艺还有差距,但其所带来的全新设计理念正是中国发展航空发动机的重大机遇。在这一机遇面前,我们应快速推进3D打印设计和制造的理念、方法、手段、工具和相应的规范准则,共同努力,打造出更轻、更高效、更安全、更环保、更可靠航空发动机,助力我军早日实现强军梦。

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