图1 GE公司的Passport 20型发动机将从开始生产起就采用添加式制造部件
GE航空集团的工程师表示,添加式金属制造所面临的挑战尽管十分严峻,可与其光明前景相比,这些挑战并不算大。还有其他办法让飞机发动机的重量减轻1000磅吗?
GE航空集团的David Abbott和Todd Rockstroh如何谈论加工制造技术,特别是如何通过直接金属激光烧结或选择性激光熔融方式来制造飞机发动机部件,即知道这些工程师是如何一步步地解决这一长串非常严峻的挑战的。
●通过这些加工过程制造的金属特性还远未得到验证。这些特性与喷气发动机部件所要求的性能要求是否相匹配?这些特性是否可以重复?
●添加式金属加工工艺的尺寸精度在精细本质上并不足以满足GE在误差上最为严格的要求。因此,这家公司开发了设备校准方法以提高精度。公司正在开发补偿模型以进一步加强精度。
●添加式制造的一项重要优点在于其有能力制造出复杂的内部形状,但这些粗糙的形状会影响流体流动以及疲劳寿命。如何让这些精细复杂的内部表面变得更光滑是急需解决的问题。
●在添加式制造过程当中,部件本身会位移,因为部件会发生变形,构建关键部件时有必要找到部件的正确放置方位,并设计出完全正确的支架构造。要达到这个效果有可能需要进行许多次构建,而每次构建都耗时良久。是否有达成最优工艺的更快捷路径?
加上所有这些挑战以及其他难题,添加式部件制造是否仍然有意义?这种制造方式是否还存在用于飞机发动机部件生产的潜力?两位工程师的回答是:绝对有,这一点是毫无疑问的。“这种技术才是属于制造业的。”Rockstroh说。奋斗必将带来成果,所有这些难题都将真正得到克服。添加式制造的潜在价值非常大,足以抵消为解决以上所有挑战所付出的成本(图1)。
图2 两种支架证明了添加式制造技术所提供的自由度。左侧为当前制造的设计方案。右侧的功能性与左侧完全相同,但是添加式制造技术能够更容易地制造出部件的外形
减重达1000磅
Rockstroh和Abbott都是位于俄亥俄州Evendale的GE激光应用团队的成员,他们负责推进添加式金属制造技术。这个团队多年以来一直在从事此项工作,这几年间,加工制造技术得到了更多的注意,因为这项技术已经进展至投入生产运用的可行性越来越高的程度(图2)。
添加式制造如此光明的前景来源于诸如一般制造的部件一样,飞机发动机部件在设计时针对制造方法的局限性做出了妥协。举例来说,部件上某个孔为直孔的原因是钻孔只能是直的,或者某个铸件在某一特定点的厚度来自于铸造过程金属流动要求这个区域具有这样的厚度。而且,只是为了钎焊和焊接步骤的原因就有必要为了将部件连接起来给组件增加了多余的体积。这些要求增加了发动机的重量,而这些额外的重量也影响着飞机的性能。
但是添加式制造将让工程师能够重新设计部件,让部件在减少重量的前提下发挥出相同或更好的功能(图3)。而且将允许存在“不可加工”形状,并将允许用单一部件取代组件。GE航空集团已经在自己的一款发动机产品上启动了逐个部件重新设计的项目,目的是利用加式制造所带来的重量节约效果。
“在一台6000磅的发动机上,我们期望能够节省1000磅的重量。”Rockstroh表示。这样巨大幅度的重量节省将在飞机有效载荷、燃油效率和性能方面带来同样显著的提升。
就目前而言,其中一些重量节省将是假设性的。这些节省所采用的部件设计方案只有在添加式制造技术变得更快速和具有更好成本效益比时才是现实可行的,相关设备正在朝着这个方向前进。
与此同时,将这1000磅的重量节省进行归类将为GE找出最容易利用的机会,可以找出最为简单的部件重新设计手段,这样就会让制造厂商了解到,一旦第一批添加式制造的部件走出“激光应用团队”,进入全面生产这一里程碑在将来到达时,应当将下一步的努力集中在何处。Abbott和Rockstroh的团队目前正将第一个部件转移给其第一个生产供应商。
图3 GE航空集团的加工制造能力涉及了很多设备
胜出的不仅是外形
GE不愿意透露哪一个发动机部件将首先采用加式生产。但是由于喷气式发动机内存在许许多多的部件,而这一部件面对的性能要求包括了拥有很宽温度范围的热循环负荷能力。
这些性能要求突出了添加式制造技术进步所面临的困难,当客户观察着一个三维打印机构建出精细复杂的形状时,不一定能够明显地看出这些困难的存在。外形、配合和功能是对部件要求的三个领域。Abbott表示,外形是添加式工艺能够非常完美达成的特性,而其他两个领域目前都遇到了困难。
“我们可以满足配合要求,但需要不少努力。”Abbott表示。要达到更严谨的尺寸控制要求,就需要添加式加工循环的细化和/或采用诸如机加工的二次加工。
功能是不太确定的领域。公司已经确立的制造工艺当中所采用的金属满足了严格的一致性要求,而且采用这些材料制造的部件同样满足了严格的性能要求。简而言之,就是添加式制造部件是否能够像采用铸造工件或实心坯件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。
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
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。
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。
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