事件：2015年4月，美國通用電氣公司（下稱GE）披露，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）在2015年2月批準了GE在其GE90-40B發(fā)動機中使用增材制造零件——高壓壓氣機溫度傳感器（T25）外殼。這將是FAA批準GE在其噴氣發(fā)動機上使用的首個增材制造零件，這一決定是發(fā)動機設計史上的一次巨大改變，標志著增材制造正式走入工業(yè)皇冠上的明珠——航空發(fā)動機的制造，而GE也因此無可爭議地成為了高端增材制造技術的領軍者。

    筆者在文章《增材制造在航空領域的應用趨勢與發(fā)展重點》中指出，基于激光和電子束熔融機理的增材制造技術在航空領域的應用上正在呈現(xiàn)向大型金屬承力構件擴展、向發(fā)動機熱端構件擴展、向復雜復合材料構件擴展這三個重要趨勢。發(fā)動機熱端構件的增材制造無疑是高端增材制造技術的一個代表，也是增材制造需要攻克的制高點之一。

    作為世界第一大多元工業(yè)集團，GE公司除了在智能制造領域開創(chuàng)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念先河之外，在高端增材制造技術方面也稱得上是著書立傳了。無論是從政府層面，還是從工業(yè)界層面，都以GE公司的動作最為頻繁，在近年來進行了成立實驗室、收購制造商、合作搞開發(fā)、量產(chǎn)熱端構件等一系列提升增材制造水平和研制生產(chǎn)能力的舉措。

圖1 GE90發(fā)動機T25傳感器外殼

    盡管競爭對手聯(lián)合技術公司是增材制造技術的發(fā)明者，但GE近年來高調發(fā)展自身的航空增材制造能力，把普惠和羅羅遠遠甩在后面。GE全球研發(fā)中心2011年成立了增材制造實驗室，2012年收購了領先的增材制造服務商Morris技術公司，2013年發(fā)起了增材制造發(fā)動機支架設計全球挑戰(zhàn)賽，2014年驗證了低壓渦輪葉片的增材制造，2015年啟動了開源的增材制造軟件算法開發(fā)項目，助力整個美國的增材制造。

    目前，能夠體現(xiàn)GE增材制造領軍者地位的項目主要包括以下幾個：

• 認證保護外殼

    高壓壓氣機溫度傳感器（T25）外殼是GE商用發(fā)動機上獲得FAA批準的首個增材制造零件，GE航空目前正與波音合作修改超過400臺GE90-40B發(fā)動機，以安裝這些新零件。T25傳感器外殼由鈷鉻合金制造，保護溫度傳感器脆弱的電子器件，防止其結冰以及被急速氣流損壞。通常，GE研制新零件需要數(shù)年的設計和原型階段，然而這次的過程只用了1年。T25傳感器外殼2014年10月完成最終設計，2015年2月獲得FAA認證，在第二周就投入了使用。傳統(tǒng)的鑄造工藝永遠不可能這么迅速，是增材制造實現(xiàn)了顛覆。

• 量產(chǎn)燃油噴嘴

    經(jīng)過近10年的研發(fā)，GE航空和斯奈克瑪自2013年開始采用選區(qū)激光燒結（SLS）工藝生產(chǎn)LEAP發(fā)動機的燃油噴嘴。該零件傳統(tǒng)上由20個零件經(jīng)鑄造、機加、組裝和焊接組合制成，現(xiàn)在可以一次成型，壽命延長4倍，重量降低25%。GE航空已經(jīng)對阿拉巴馬州開設的奧本工廠投資超過1.25億美元，該廠2015年啟動了增材制造燃油噴嘴的生產(chǎn)并將供應1000件產(chǎn)品，計劃2020年實現(xiàn)年產(chǎn)40000個的目標。目前，GE航空正在對裝有19個增材制造燃油噴嘴的LEAP發(fā)動機進行飛行試驗，該部件也有望成為下一個FAA認證件。

圖2 LEAP發(fā)動機燃油噴嘴

• 進軍渦輪葉片

    在新型渦輪葉片的開發(fā)中，GE航空已經(jīng)廣泛利用激光燒結等技術制作試驗件，即節(jié)省了時間，也降低了風險，實現(xiàn)了制造成熟度等級的平穩(wěn)提高。2014年，GE驗證了鈦鋁合金低壓渦輪葉片的電子束熔化（EBM）工藝，鈦鋁材料剛度高、耐高溫（750C），比傳統(tǒng)鎳基合金輕50%，但鑄造后的精加工難度極高，采用增材制造后則可在72小時內生產(chǎn)7片；同年9月，GE宣布考慮將GE9X低壓渦輪葉片替換為鈦鋁合金。如果該目標最終得以實現(xiàn)，每年規(guī)模達數(shù)百萬片的發(fā)動機低壓渦輪葉片選材和制造工藝將發(fā)生變革。

圖3 GE精益實驗室利用增材制造技術驗證新渦輪葉片設計

• 瞄準標準軟件

    2015年3月，在美國國家增材制造創(chuàng)新機構的支持下，GE聯(lián)合勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室（LLNL）啟動了開源增材制造軟件的開發(fā)項目，將為金屬選區(qū)激光熔融（SLM）工藝開發(fā)能夠在不同增材制造設備上工作的標準化軟件，降低業(yè)界應用該工藝的門檻。目前，盡管SLM因其高質量而受到矚目，但商業(yè)SLM設備很多都缺少根據(jù)特定類型金屬粉末進行定制的功能。比如，這些設備不允許用戶訪問特定工藝參數(shù)信息和刀具路徑，因此GE將通過開發(fā)算法來控制激光掃描的設置，以匹配材料性能和增材制造參數(shù)。

• 兼顧電子器件

    在電子器件的增材制造上，GE研究人員完成的一個課題是超聲設備中的探頭（傳感器），制造這種精密的探頭以往需要對材料進行長時間的切削以及磨削。GE使用紫外線增材制造技術將探頭上的復雜結構一次“打印”成形，以大大降低其勞動力和生產(chǎn)成本。這項技術使得探頭設計更加靈活，而且可以惠及各類超聲探頭，對于航空結構件檢測來說是一個好消息。GE一直在進行紫外線增材制造的實驗，除了超聲探頭，還在尋找在風機中使用該技術的方法，以及設計新的天然氣設備零件。

    GE激光技術帶頭人曾說過：“隨著制造變得更先進，制造中的激光技術將從專門的應用變?yōu)橹圃旃と送ㄓ玫墓ぞ摺Ｐ碌募夹g工人將像“杰迪武士”一樣揮舞激光束，將金屬和陶瓷材料切割、焊接和雕刻成零件。”這正是增材制造的魅力所在。高端增材制造技術將大大降低發(fā)動機制造難度，未來，GE將繼續(xù)作為領軍者，以嶄新的技術打磨這顆工業(yè)皇冠上的明珠，使航空發(fā)動機能夠擁有更顛覆的設計、更優(yōu)化的結構和更可靠的使用。這也將是增材制造真正大放異彩的時刻。

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本文標題：【深度】通用電氣——高端增材制造領軍者

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