GE航空集团的工程师表示，虽然添加金属制造面临的挑战很严峻，但与光明的前景相比，这些挑战并不大。有没有其他方法可以让飞机发动机减轻1000磅的重量？GE航空集团的David Abbott和Todd Rockstroh谈到了制造技术，特别是如何通过直接金属激光烧结或选择性激光熔化来制造飞机发动机零件，也就是这些工程师如何一步步解决这一长串非常严峻的挑战。通过这些工艺制造的金属的特性远未得到验证。这些特性是否符合喷气发动机部件的性能要求？这些特征可以重复吗？添加金属加工工艺的尺寸精度不足以满足GE对细微误差的最严格要求。因此，该公司开发了设备校准方法来提高准确度。该公司正在开发一个薪酬模型，以进一步提高准确性。增材制造的一个重要优势是能够生产复杂的内部形状，但这些粗糙的形状会影响流体流动和疲劳寿命。如何使这些精致复杂的内表面更加光滑，是一个亟待解决的问题。在增材制造的过程中，零件本身会发生位移，因为零件会变形。在构造关键部件时，需要找到部件正确的放置方位，设计出完全正确的支架结构。要达到这种效果，可能需要多次构建，每次构建都需要很长时间。有没有更快的方法来实现最佳流程？面对所有这些挑战和其他问题，添加组件制造还有意义吗？这种制造方法还有生产飞机发动机零件的潜力吗？两位工程师的回答是：绝对的，这是毫无疑问的。"这项技术属于制造业."罗克斯特罗说。奋斗一定会有结果，这些问题都会真正被克服。增材制造的潜在价值大到足以抵消解决上述所有挑战的成本(图1)。图1 GE的Passport 20发动机将使用增材制造部件，从生产之初就将重量降至1000磅。Rockstroh和Abbott是俄亥俄州Evendale的GE激光应用团队成员，负责推广增材金属制造技术。这个团队从事这项工作已经很多年了。近年来，加工制造技术得到了更多的关注，因为这项技术已经进步到投入生产的可行性越来越高的地步(图2)。图2两种支架证明了增材制造技术提供的自由度。左边是目前制作的设计方案。右侧的功能与左侧完全相同，但增材制造技术可以更轻松地制作组件外观。增材制造如此光明的前景来源于这样一个事实，即与普通制造的部件一样，飞机发动机部件的设计已经妥协了制造方法的局限性。比如零件上的孔之所以是直的，是因为钻孔只能是直的，或者铸件在特定点的厚度来自于铸造过程中的金属流动，要求这个区域有这样的厚度。此外，仅仅由于铜焊和焊接步骤的原因，就需要增加组件的额外体积来连接部件。这些要求增加了发动机的重量，额外的重量也影响了飞机的性能。然而，添加制造将使工程师能够重新设计组件，以便他们可以在减轻重量的情况下执行相同或更好的功能(图3)。此外，“不可加工”的形状将被允许，单个组件将被允许替换组件。为了利用增材制造带来的重量减轻效果，通用航空集团已经开始对自己的一种发动机产品进行逐个部件的重新设计。图3GE航空集团的加工制造能力涉及很多设备nextpage“在一台6000磅的发动机上，我们期望减轻1000磅的重量。”罗克斯特罗说。如此巨大的重量减轻将带来飞机有效载荷、燃油效率和性能的同样显著的改善。就目前而言，这些重量的减轻还只是假设。
只有当增材制造技术变得更快，具有更好的成本效益比，并且相关设备正在朝着这个方向发展时，为实现这些节约而采用的部件设计方案才是现实可行的。与此同时，对1000磅的重量节省进行分类将为GE找到最容易利用的机会，以及最简单的部件重新设计手段。这将让制造商知道，一旦第一批增材制造组件离开“激光应用团队”，并在未来进入全面生产的里程碑，他们下一步的努力将集中在哪里。Abbott和Rockstroh的团队目前正在将第一部分转移到他们的第一个生产供应商。不只是外观GE不会透露哪个发动机部件会先用增材生产。但是，喷气发动机中的部件很多，对这种部件的性能要求包括宽温度范围的热循环载荷能力。这些性能要求凸显了增材制造技术进步所面临的困难。当客户观察3D打印机构建精细复杂的形状时，他们可能无法清楚地看到这些困难的存在。形状、配合和功能是组件要求的三个方面。雅培表示，形状是加法工艺可以完美实现的特性，而其他两个领域目前都遇到了困难。“我们可以满足合作要求，但需要付出很多努力。”阿博特说。为了达到更严格的尺寸控制要求，有必要细化添加加工周期和/或采用机械加工等二次加工。这是一个功能不确定的领域。公司既定制造工艺中使用的金属符合严格的一致性要求，由这些材料制成的部件也符合严格的性能要求。简而言之，就是增材制造零部件能否像铸造工件或者实心毛坯一样。
机加工的部件一样可靠并富有弹性和耐用性？在许多情况下答案都是不行。但是，相关工作仍在继续。加工制造工艺正在不断进步，而这个团队在更好利用这些工艺方面的成功继续着。
Abbott说，将第一个添加式制造部件投入全面生产将成为最为重要的成功标志，因为在迎接这一步骤过程的各项挑战的过程中，GE团队学会的经验教训将应用于另一个后续的其他添加式制造部件上（图4）。由于目前一直在开展探索工作，所以有可能其他部件转向加工生产方式时都不会像第一个部件这样困难。
图4 这些试验部件代表了GE转向添加式生产方式时所希望制造的发动机部件
部件的全面投产
第一个部件已于2012年开始投产，并伴随GE航空集团将其经实践证明的该部件制造工艺转移给首发供应商。Rockstroh说，第二家供应商将于2013年进入，到2015年，将有足够数量的供应商制造这一部件，而且添加式生产将满足对此部件的全部要求。在那里情况顺利时，其他添加式部件也将转移生产，前提是生产能力已经具备。
Rockstroh还表示，供应链是另一个面临着挑战的领域。如果目前投入全面生产，第一个GE航空集团添加式制造部件将占用北美地区目前可用于生产的直接金属激光烧结生产能力的绝大部分，这明显存在着问题。
所以这家公司表示，必须在之后几年间出现以下两项进步之一。北美地区可用于添加式制造设备的数量必须增加，或者设备技术必须提升至设备投入使用的速度快于当今设备的水平。
这两项期望并不过分，事实上，考虑到市场和技术进步的速度，Rockstroh 表示很有可能这两项进步都将达成。
GE航空集团的David Abbott在9月12～13日于芝加哥举行的TRAM3航空航天制造会议上就添加式制造技术发表了演讲。波音和Morris Technologies公司也在同一会议论坛上就加工制造技术发表演讲。
TRAM3代表着“先进加工、制造和材料技术发展趋势”。由波音和Rolls-Royce公司赞助的此次会议汇聚了制造行业的领导者、工程师和航空航天行业的研究者。这次为期两天的会议在国际制造技术展（IMTS）期间于芝加哥的McCormick Place举行。
