通用增材業(yè)務劉志剛：2019年GE航空將3D打印近40000個金屬件

前不久時間，南極熊在通用電氣航空集團增材業(yè)務北區(qū)總監(jiān)劉志剛的帶領(lǐng)下，參觀了北京GE大樓，深深感受到這個電氣巨頭（美國發(fā)明大王愛迪生是其創(chuàng)始人）為人類科技的進步而做出的貢獻。

在3D打印領(lǐng)域，憑借收購的兩家金屬3D打印企業(yè)，GE已經(jīng)變?yōu)槿�球最大最具競爭力的公司。甚至有不少業(yè)內(nèi)人士紛紛預測，以后，3D打印產(chǎn)業(yè)，將是傳統(tǒng)工業(yè)巨頭的天下。

下面，南極熊帶你閱讀通用電氣航空集團增材業(yè)務北區(qū)總監(jiān)劉志剛，在杭州·2018年中國增材制造大會上的主題演講。

劉志剛：各位領(lǐng)導，各位業(yè)界的朋友，今天非常感謝三院，尤其是159，邀請我來做航空應用的分享。我也注意到，很多關(guān)于GE的應用前面的演講嘉賓已經(jīng)涉及到了，所以我會講的快一點。因為以前跟業(yè)界朋友溝通過程中，他們對技術(shù)細節(jié)非常了解，中國增材制造的發(fā)展在世界上也是在前面的，所以他們更關(guān)注應用，所以我講的內(nèi)容絕大部分是關(guān)于應用的案例。

    先放一個視頻，是關(guān)于最新的增材制造模型最大的發(fā)動機，這個發(fā)動機是指它的通道面積最大。大家可以注意到，前面的葉片只有16級，現(xiàn)在大家都在開發(fā)大涵道比的發(fā)動機，它的效率在亞勻速的情況下是比較高的。為什么我要放這個視頻呢？因為在這個視頻上是在最先進、最大的發(fā)動機上有270多個構(gòu)件都是通過3D打印打印出來的，而且有幾個是航空發(fā)動機最核心的。在業(yè)界有很多人都在做3D打印，但是GE從接觸3D打印第一天開始就是從關(guān)鍵部件開始，所以是從高起點開始的。

   

首先前面部分先講一下增材業(yè)務，就是航空增材制造在航空業(yè)的增長。6月23號的時候我們也做了一個醫(yī)療論壇，在論壇中我們中國區(qū)總經(jīng)理陳總也給大家講了一個圖片。里面提到了增材制造在哪些行業(yè)里面是目前應用最廣泛的或者最主要的市場在哪里，主要有三個市場，第一是航空，第二是醫(yī)療，第三是汽車制造，當然目前最主要還是用在航空方面，民用航空應用占到50%。從市場角度來看，增材制造在航空領(lǐng)域從18年到23年，每年大概增長22%，數(shù)量是相當可觀的。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。）
   
為什么說增材制造會在航空這么高端的領(lǐng)域里面得到應用呢？最主要由幾個方面的價值決定了增材制造在航空領(lǐng)域得到應用。首先是成本的降低，包括發(fā)動機燃料噴嘴也只是在噴嘴頭部，這部分是用增材制造來制造的。但是整個件打出來并不經(jīng)濟，所以是增材制造和和傳統(tǒng)制造相配合，它的效益是最高的。另外是簡化供應鏈，因為越復雜的部件涉及的環(huán)節(jié)越多，供應環(huán)節(jié)的長度決定了供貨的周期和成本。另外一個是關(guān)于產(chǎn)品性能，因為通過3D打印可以作出以前傳統(tǒng)制造做不出的部件，這樣可以提升力學性，提高產(chǎn)品的熱力學性能，同時由于零部件數(shù)量的減少，使得耐用度也會提高。第三，前面提到了供應鏈問題，因為3D打印的設(shè)計以后甚至在設(shè)計新產(chǎn)品階段，迭代速度要遠超于傳統(tǒng)的加工。最后是關(guān)于小批量的生產(chǎn)，比如設(shè)計某一些型號，以前非民用的產(chǎn)品可能需要12個月甚至更長的時間，但現(xiàn)在可能只要6個月時間就能開發(fā)出新的型號，這里面包括相當長的時間做設(shè)計。如果用一個簡單的說法，基本上你看到別人做什么了你就可以做出來，可見即所得。

   

（PPT圖示）這個圖是在航空里面兩個最關(guān)鍵的因素決定了應用，第一個圖大家見的比較多了，因為3D打印的特性決定了打印件設(shè)計的復雜程度跟它的成本，實際上沒有太大的關(guān)聯(lián)性。但是對于傳統(tǒng)制造來說，通常來說部件越復雜制造成本就越高。所以這是一個設(shè)計復雜性跟成本之間的關(guān)系。第二談到供應鏈的簡化，比如現(xiàn)在很多3D打印企業(yè)買了3D打印機，自己到工廠里面去打印，當然后面還要借助傳統(tǒng)的加工。但是按照以前要開模、鑄造，是很長的工藝流程，零件的數(shù)量、參與的工藝廠家、設(shè)計的界面、維修保養(yǎng)等等，就遠遠復雜于現(xiàn)在用3D打印去做。

   

（PPT圖示）這里可能大家比較關(guān)心到底飛機上哪里適合用3D打印，前面商飛的也進行了介紹，包括飛機的部件和系統(tǒng)，包括一些構(gòu)件，機身的構(gòu)件、內(nèi)部的飾件、二級的結(jié)構(gòu)件，當然最核心的是在引擎部件。其它的航天衛(wèi)星部件，國內(nèi)在這塊了解深度非常深了，當然還有一些軍用的，包括無人機。關(guān)于維修我后面還會提到，會有一個例子。

   

下面我講一下應用實例。在開始應用實例之前，還是要講一下這個圖，為什么我想分享一下GE的增材制造之旅呢？是我看到的GE在今天3D打印領(lǐng)域有大量的投入或者使用的程度到了這個程度，中間是經(jīng)歷了一個過程的。GE從2010年開始介入做3D打印，一直到真正大規(guī)模去推動，中間大概花了至少5年以上時間才有了這么大的變化。這中間包括作出第一個LEAP發(fā)動機燃油噴嘴也好，包括后面低壓透平葉片也好，這中間GE公司也曾經(jīng)對增材制造能夠多大程度應用于航空領(lǐng)域是有疑問的。但為什么能夠突破？A-CT7，是這款是GE公司把它拿出來當做一個驗證件打的，打成功對GE是一個非常大的鼓舞，其實是從這里面吸取的經(jīng)驗。功率也提高了百分之幾十。前面商飛同志也提到了，還有ATP，這實際上是給美國公司做小型公司的，2019年會做試飛，內(nèi)部測試已經(jīng)完成。當大家看增材的時候也不僅僅是看哪個件可以用增材來做，我跟我們公司的人員溝通，他們會提出不要老想替換一個件，更多是拋開以前的設(shè)計，GE以前開使用3D打印的時候，做3D打印研發(fā)設(shè)計組跟傳統(tǒng)的設(shè)計組在一起工作，所以進度非常慢，后來直接強制分開工作。 由比如學材料專業(yè)和空氣動力學的人單獨去設(shè)計零部件，這樣才真正有收獲。不管航空也好、航天也好，歸根到底是材料學，航空集團有2000多個材料工程師，在國內(nèi)哪個公司里面有這么多人做材料研究？

   

這是9X發(fā)動機，有270多個部件是3D打印，其中有兩個大家最關(guān)心的，就是LEAP發(fā)動機噴嘴，另外是發(fā)動機低壓級五六級葉片，我們用的是電子束打印技術(shù)打印的，因為伽瑪鈦鋁有在低溫度下加工很容易催裂，這樣電子束加工的過程就有一個退火去應力的過程。這些熱通道的部件除了基礎(chǔ)金屬要耐高溫，還需要隔熱涂層以及內(nèi)部的冷卻內(nèi)流道等才能耐受高溫氣體。 但由于電子束打印無法打印很小的流道，所以事實心，當然到了透瓶低壓段5-6級， 溫度已經(jīng)充分降低，所以3D打印的葉片目前只能放到五到六級。

  

LEAP發(fā)動機前面商發(fā)專家也講過了，昨天我們以前的CEO老莫也講到。我現(xiàn)在給大家講講為什么LEAP發(fā)動機噴嘴要用3D打��？它非常復雜，真正3D打印就是上面一個小嘴，但同時可以打很多個，為什么它這么復雜呢？這種燃料噴嘴叫TAPS，它看起來是一個口，其實最里面有一個通道，最里面還有一個通道，里面有燃料和空氣的混合，外圈有燃料，同時還加漩流的空氣混合。內(nèi)部屬于擴散燃燒， 但擴散燃燒火焰w溫度相對高更高，實際上在高溫下將氮氣氧化了，但是外面預混燃燒的時候，可以降低它的燃燒溫度。所以內(nèi)部只是輔助的，火焰比較穩(wěn)定，外部是主燃料流道，但外部主燃燒是預混裝置。這里面真正最細的地方，以前都是用焊接或者釬焊。 但研發(fā)新leap發(fā)動機用傳統(tǒng)工藝嘗試了8次都失敗了，用3D打印就成功了。

  

我們做了關(guān)于庫存量、全生命周期的成本，包括制造成本以及部件的重量，這些具體數(shù)據(jù)我不提了。除了看初次打印成本之外，更多也要看全生命周期的成本，這樣就可以綜合去考慮。

   

（PPT圖示）這是剛才提到的ATP，不光在重量上有一定的提升，燃油效率上能提高20%，原來有2500多個零件，但現(xiàn)在三分之一的零件都是通過3D打印實現(xiàn)的。這個19年要試飛了，已經(jīng)在GE工廠設(shè)置過了。

   

（PPT圖示）這也是A-CT7的部件，不管是在部件數(shù)量上還是對于需要借用的資源上來說，都會減少很多。

   

（PPT圖示）T901，以前我們打A-CT7的時候只是作為一個驗證，現(xiàn)在美國軍方發(fā)動機已經(jīng)換這一款了。

   

（PPT圖示）再講一下火箭發(fā)動機的部件，這是NASA部件，我不太清楚美國將來是不是真的有這么多錢去做，但在新的發(fā)動機上確實用了3D打印。一個火箭，一個剛性的物體在振動的過程中像面條一樣抖動，只要有一個激勵源，當燃料系統(tǒng)推進劑管路的脈動頻率接近火箭固有頻率的時候就會產(chǎn)生劇烈振動，這里面需要做減震器，接到推進器劑管路里面來，來改變它的頻率，降低它的振動，并不能完全根除這個振動，更多是降低，避開這個頻率。9個月的時間可以縮短成9天，我個人想它應該也用3D打印打了別的件，因為發(fā)動機比預期高了15%。
   
有一家特別有名的做電動汽車的公司，他們也發(fā)射火箭，他們火箭中也用我們M2機器打印了部件，但是由于種種原因要求我們撤掉了宣傳。

   

（PPT圖示）再講一下關(guān)于EBM的應用，這三個東西是油嘴分離器。對重要的是鈦鋁葉片，重量能減少50%。另外是燃油效率，提高了10%對于航空公司來說，因為對燃油的消耗是它利潤的根本。

   

前面我提到了關(guān)于一些舊設(shè)備的翻新如何去應用3D打印，實際上P51野馬戰(zhàn)斗機最早美國是幫英國人去設(shè)計生產(chǎn)的，后來自己開始用了。這么多年目前還有150多架在使用，跟老爺車一樣，可能是懷舊吧。（PPT圖示）這個結(jié)構(gòu)實際上是噴氣口，也比較簡單，二戰(zhàn)的時候?qū)嶋H上比較粗糙。它以前是焊接的，316不銹鋼，現(xiàn)在通過3D打印可以減少焊縫，而且兩天就可以打印出來，但如果沒有部件的供應飛機很難飛上天。所以我們也在想有什么舊的設(shè)備去翻新，可以定制化的去應用3D打印。

   

（PPT圖示）仿真支架不多講了，對于國內(nèi)來說非常簡單。這實際上是美國很小的一個初創(chuàng)公司，它想做射頻陣列天線，以前非常復雜，但是現(xiàn)在通過3D打印減輕了95%，也是非常大的一個成功。

   

（PPT圖示）這是硬廣告部分，我們的設(shè)備首先滿足公司里面的生產(chǎn)，性能要求反饋到生產(chǎn)車間，然后再去改進機型，這樣不斷迭代。上面我挑出來幾款EBM的機器，最早是通過黑色這臺A2X打的，現(xiàn)在我們新出了Spectra H，出發(fā)點是航空應用。另外這個Q20+很適合打一些鈦合金航空件，國內(nèi)有兩臺。下面是激光的M2，現(xiàn)在國內(nèi)一些用戶在用，它的特別的特性是很多機器不能夠?qū)崿F(xiàn)的，比如前面王教授提到了燃料噴嘴里面的內(nèi)流道，這是不可能做機加工的，很小，而且非常復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 當然有人會在內(nèi)部做一些類似電鍍方面的處理，讓它變得更光潔，我們沒有辦法加工。那M2機器為什么可以打出精細流道， 它又一套振鏡可以調(diào)節(jié)焦距，改變光斑的大小，這樣打部件內(nèi)部的時候可以用大光斑，提高了生產(chǎn)效率，但是到了表面就可以調(diào)成小的光斑，這樣可以打出更加精細的表面來。如果應用不是特別高的時候，就可以使用這個，不用再加工了。MLINE是專門針對批量生產(chǎn)研發(fā)的設(shè)備，主要是提高效率。XLINE2000R是目前市面上真正被廣泛應用的最大一款激光噴射設(shè)備，國內(nèi)也有，在國外大概50多臺。這款GE工廠先期拿了6臺在用，可能有十幾臺，用于打印航空自己的產(chǎn)品。當然GE在使用過程中會不斷反饋新的信息，所以現(xiàn)在新出來的2000R性能有些升級變化的。
   
（PPT圖示）這是我們現(xiàn)在新出來的一款，也叫M2，加了Z軸重復定位，振鏡改水冷，性能得到了提升。這里面有一些細節(jié)，最開始打印的時候不斷有煙進入過濾器，逐步堵塞，這里面加了一個相當于傳感器，后面的氣泵可以通過變頻來調(diào)節(jié)，當它發(fā)現(xiàn)流速或者流量降低的時候就可以調(diào)整。這樣從基板開始加工，一直到部件最高部的時候，所有通的氬氣量或者氮氣供應量是同樣的，這樣能夠保證質(zhì)量的一致性。

   

（PPT圖示）這個材料我不多說了，我們收購了一個加拿大的公司，它是世界上做鈦粉最大的公司，一年大概產(chǎn)750噸的鈦粉，占總粉量大概70%。當然里面也有一些鎳基合金粉末，比如718，另外也有馬氏體鋼， 應該就是高鎳合金鋼。
   
到目前為止，我們已經(jīng)打印了23500個件，到2019年底的時候，年產(chǎn)量接近40000個件，不斷增加。

   

（PPT圖示）這里提到了關(guān)于認證的部件，噴嘴是第一個，另外兩個我們也申請了，得到認證了，同時還有20個部件在認證中，應該沒有太多的懸念。
   
這是波音在787上面的3D打印，Arconic是美國鋁業(yè)分出來的， 這個件他們是打了用于獵戶座飛船，另外是GE民用發(fā)動機要求非常高，一個是民用，一個是醫(yī)療植入，這些對于部件的要求都非常高。

   

（PPT圖示）這些是應用我們3D打印的一些合作伙伴。
   
前面王教授提到了，說他們當時希望英國實驗室做一些仿真模擬，現(xiàn)在GE收購了GeonX公司，輸入我們機器的型號，在電腦里面模擬加工倉溫度分布和打印件的應力分布�，F(xiàn)在仿真度非常高了，但僅是在GE內(nèi)部在用。但至少這是一個方向，不需要每次打印出來實際看這個件，我只要在電腦里面模擬就可以。減少實際打印來驗證的次數(shù)。
   
謝謝大家。