关键任务:在商用航空领域实现增材制造的突破

去年在瑞士达沃斯举行的世界经济论坛上，中国最大在线旅游服务公司的首席执行官预测，中国护照持有者的数量将在未来24个月内翻一番。如果这听起来不太可能，那就想想现在只有不到10%的中国公民拥有护照。再考虑一下，根据中国出境游研究所的数据，从2000年到2017年，中国居民出国旅游的人数从1050万飙升至1.45亿，增长了近140%。

中国等新兴市场(更不用说印度和中东)出境游人数增加的冲击波正在扩散到各个行业。但在很多方面，预计的激增首先会影响一个行业:商用航空。

波音(Boeing)和空客(Airbus)分别是全球第一大和第二大航空航天制造公司。两家公司都预测，在役客机和货机数量将在未来20年翻一番，达到约4万架。满足这一需求需要新技术、新材料和新工艺带来前所未有的制造速度。正如一位领先的航空航天技术开发主管最近所言，目前的生产方法只需要将现有工厂的数量增加一倍。如果这种情况发生，单单是熟练劳动力的短缺就会确保生产主要发生在美国或欧洲以外的地区。

然而，下一代航空航天制造业的工业化蓝图可能已经存在。波音公司的新型777X双发喷气式飞机将由GE9X发动机提供动力，这是一种巨大的高涵道比涡扇发动机，拥有304个附加制造部件集成成7个多部件结构。通用电气(GE)航空公司(Evendale, Ohio, usa)目前正在阿拉巴马州奥本的制造厂打印这些部件。与此同时，该公司有史以来生产的最大、最省油的发动机有望获得最终冠军联邦航空管理局(FAA)认证。

这一成就将是GE航空供应链生产方法和材料选择系统性变革的结果。GE航空公司材料工程主管Lara Liou表示，GE9X代表着该公司首次将多种增材制造(AM)材料和方式应用到单一航空应用的生产中。GE航空公司认为，它为增材制造创造了一个前所未有的工业化航空供应链。研究这一过程可以为商业航空业计划如何迎接即将到来的旅客潮提供线索。

一个后勤的飞跃

虽然关于增材制造对GE9X的贡献的新闻已经被广泛报道，但GE航空(直到现在)从未确定发动机中的七个增材制造部件。它们是:

• 燃油喷嘴
• 汽车传感器的住房
• 热交换器
• 诱导物
• 5级低压涡轮(LPT)叶片
• 第6级LPT叶片
• 燃烧室混合机

确定适合增材制造的GE9X组件的内部过程必然是复杂的。该公司能够利用和建立在早期成功的印刷复杂的组件和复杂的几何图形，即LEAP发动机的3d打印燃料喷嘴，这一部件仍然经常被认为是工业增材制造前景的主要例子。

GE9X的燃油喷嘴与LEAP发动机的喷嘴基本相同假定成为GE航空识别和生产的第一个用于增材制造的3d打印部件。然而，该公司首次为400多台GE90发动机打印T25传感器外壳单元，远早于首次打印LEAP燃料喷嘴尖端。2015年，当第一个传感器出现在GE90-94B喷气发动机上时，它成为第一个获得FAA认证的添加制造飞机发动机部件。也就是说，当GE9X的初步工作在2013年左右开始时，公司决定继续打印燃料喷嘴和传感器外壳单元并不令人意外。

GE9X热交换器和诱导器则是另一回事。通用航空公司的热交换器传统上是由几十根细金属管组成的。GE9X的3d打印热交换器具有完全不同的外形，包括优化的通道和复杂的内部几何形状，充分利用AM的设计自由度。

诱导剂的设计旨在提高发动机的耐久性，结合添加剂的设计自由度，以满足GE航空公司全球客户具有挑战性的技术要求。GE航空的设计工程主管Ryan Chapin表示，引导器代表了公司从发动机到发动机的不断发展:“GE航空的一个美丽方面是，我们可以在波音777上看到GE90，或在787上看到GEnx梦想飞机并从中吸取教训，将新变化整合到下一个引擎中，这样它就会变得越来越好。”GE9X诱导器是另一个例子，设计工程师通过增材制造将多个组件的特性组合成一个单元。

虽然热交换器和导流器展示了GE航空在推进这一连续体方面的重大努力，但为GE9X打印低压涡轮叶片的决定对公司来说是一次后勤上的信心飞跃。但这是该公司自2013年以来一直在准备的一次飞跃。2013年，该公司收购了一家总部位于意大利北部起伏山区的前供应商。

逐步投入生产

在为GE9X添加制造的7个部件和304个部件中，除LPT叶片和热交换器外，所有部件都是在Concept laser M2机器上通过直接金属激光熔化(DMLM)打印的钴铬合金部件。2016年，通用电气收购了Concept Laser的多数股权，同年，通用电气收购了Arcam AB，并推出了GE Additive。2016年，通用电气对位于俄亥俄州辛辛那提市的前戴尔电脑分销仓库进行了翻修，并将其改造为一个大型3D打印设施和开发中心。

埃里克·加特林是g航空添加剂综合产品团队总经理在添加技术中心(ATC)， 12.5万平方英尺的通用航空开发中心。ATC的300名员工由GE航空和GE添加剂的员工组成，他们的工作领域横跨材料科学、机械工程、设计、编程和物流。

在我最近访问ATC期间，加特林的团队正在将GE9X零件的生产转移到奥本工厂，目前LEAP燃料喷嘴的喷嘴正以每周800个的速度打印。加特林说:“看看我们目前在业内的增材制造规模，这是一个不小的规模。”“这是完全工业化的高产量制造业，今年可能会翻一番。”

回到辛辛那提的ATC，概念激光机器在被运送到奥本和其他地方的生产设施之前，需要进行准备和测试，这一任务使现场的机器数量始终处于变化之中。但是，在ATC每天停放的80到100台金属3D打印机中，有18台概念激光机在过去几个月里专门用于生产钴铬(CoCr)部件和用于热交换器的F357铝．Antroine Townes是ATC站点的负责人，负责监督从辛辛那提到奥本的过渡。他说:“这是一个重要的生产坡道，比LEAP的燃料尖端更陡峭。LEAP发动机销量的上升对我们的供应链来说意义重大。但我们预计GE9X从2019年到2020年的增长趋势会更大，这就是为什么我们现在就在为2020年的需求建造。”

通向LPT叶片添加剂生产的道路更加艰难。钛铝(TiAl)叶片在Avio航空公司位于意大利卡梅里的3d打印工厂进行打印。这个现代化的设备容纳了30台大型黑色Arcam A2x打印机，每台都配备了3千瓦的电子束，可以用来同时生产多达6台15.75英寸的刀片。到今年年底，将有50台机器主要用于LPT叶片的生产。

与传统上用于这些部件的镍合金相比，钛铝提供了优越得多的强度重量比。但这种优势是有代价的。正如电子束熔炼是一个技术要求很高的过程一样，TiAl也是一种出了名的挑剔的材料。此前，GE航空公司在铸造厂铸造TiAl合金叶片，然后对其进行机械加工，直至最终完成——这一过程需要很长时间来制作模具和加工过大的铸件。因此，在大西洋彼岸，GE航空求助于Avio Aero在印刷TiAl粉末方面的丰富经验。该公司已经对EBM工艺的几个参数进行了试验，以定制材料，包括增加层厚和速度，预热TiAl粉末以避免产生残余应力。

由此产生的3d打印LPT叶片在很多方面都是通用电气2013年投资Avio Aero的高潮。支持收购Avio的因素之一是该公司在印刷TiAl材料方面的经验，反过来，Avio在了解到GE航空正在使用TiAl材料生产GE90叶片后对其产生了兴趣。两家公司最初对印刷材料感兴趣的原因很清楚:新的TiAl LPT叶片是GE9X将吹嘘的10%燃油效率提升背后的驱动力。考虑到燃料占航空公司运营成本的近25%，这是一个重要的数字。

加特林还表示，打印叶片在供应链方面节省了大量成本。他表示:“在全球许多行业，锻铸领域的原材料采购能力都受到了限制。”“当你需要零件时，不必提前一年半或两年释放模具钢材，这是非常重要的。我们的影响和颠覆能力正是增材制造最大的优势所在。”

添加剂也一样

在研究商用喷气发动机的生产过程中，最终你会遇到一个视频片段，一只死鸡被从大炮射到旋转的风扇叶片。该视频的一个例子是在俄亥俄州皮布尔斯的通用电气航空工厂进行的一项测试，据报道，联邦航空局的一名成员很幸运地选择了这只鹅。也就是说，GE9X(以及所有商用飞机发动机)的认证项目是与FAA共同完成的，而不是提交给FAA。这对于FAA适应增材制造快速发展的认证过程至关重要。

材料工程负责人Lara LiouGE9X代表了GE航空首次将多种材料用于航空应用的添加剂生产。“所以现在我们正在发展一个真正的工业化基础，并制定其他行业已经存在的标准。帮助我们跨多个生产站点控制生产的标准;这有助于我们控制跨多个原材料供应商;这有助于我们控制多种材料和方式——换句话说，这是添加剂制造真正工业化供应链的基础，”Liou说。

建立这些标准将是关键联邦航空局，在辛辛那提有一个存在，和ATC的工程师一起学习。他说:“对我来说，这与我们过去引进的其他新材料和制造技术是平行的。”“看看我们在20世纪90年代初在聚合物基复合材料方面所取得的成就，以及我们在引入风扇叶片和平台方面所做的工作。当时没有人在他们的发动机中使用碳纤维增强材料。我们制定了这个标准，并与联邦航空局合作，以确保所有适当的控制都到位。所以对我来说，我们真的是建立在引进新材料和制造方法的传统经验的基础上。添加剂也不例外。”

随着印刷GE9X组件在奥本工厂的生产开始，用于制造这些部件的工艺早就被锁定了。GE航空公司所谓的特殊工艺实体化包括新机器的调试、验收测试和校准，以及首个材料测试棒的创建和评估。每一台到达ATC地板上的机器都要经过与在大批量设备上使用的相同的过程。

“这并没有什么不同，”Liou说，“我的意思是，这个过程与我们的许多其他制造过程没有什么不同，我们知道任何变化都可能影响零件的最终力学性能结果。我们已经让这些过程通过了认证，但我认为GE9X的故事还在后面。真正的影响是当我们的客户乘坐飞机时，他们会感受到这种增材制造技术的影响。”