航空大国为何进行微型涡喷发动机的3D打印应用开发
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微型涡喷发动机主要用于装备无人侦察、攻击飞行器，包括机载弹药、巡飞弹药、小型无人机等小型飞行器。在现代战争中，军方的需求从大型、昂贵的载人武器平台更多的转向小型、便宜的无人系统。动力先行是发展武器系统的原则，微型涡喷发动机技术的发展制约了微型飞行器武器技术的发展，3D打印则为航空和军事大国的发动机研究提供了新的制造工艺。
本期，3D打印技术参考介绍中美俄三国采用增材制造进行微型涡喷发动机再设计和制造的应用实践。
▌俄罗斯采用国产耐热金属和铝合金3D打印微型涡喷发动机
2019年12月，俄罗斯 “西蒙诺夫设计局”成功通过了一台由3D打印制造的小型燃气涡轮飞机发动机的台架试验。
该测试是俄罗斯高级研究基金会和全俄航空材料研究所于2015年启动的联合项目的一部分，旨在开发用于飞机和火箭发动机结构零件增材制造技术的新一代材料。
3D打印的微型涡喷发动机
该小型发动机的推力高达1471N，关键部件采用俄罗斯国产耐热金属和铝合金3D打印（SLM）而成。由于使用了新技术，主要引擎元件的制造时间减少了20-30倍，生产成本降低两倍以上，而且许多合金的强度超过国外同类合金20％以上。
110N级遥控模型飞机引擎点火测试（2018）
俄罗斯高级研究基金会是为了保证俄罗斯联邦的国防安全和武装力量现代化，军民两用技术和产品的研制和发展，建立起来的独立机构。其负责人表示，小型发动机的测试结果证实了使用增材制造技术生产复杂结构产品的有效性，这些技术不仅在飞机行业，而且在石油和天然气、汽车、造船和医药等其他行业也将发挥重要作用。
根据研制计划，完成台架试验后的发动机，将于2020年1月至2月在轻型无人机上进行飞行测试。
▌GE成功测试3D打印的微型涡喷发动机，为工业3D打印从原型制作过渡到制造，树立信心
GE是最早进行工业3D打印的众多航空航天公司之一，从喷气发动机到涡桨发动机，3D打印的零件已经在GE产品系列中获得大量应用。2014年，GE成功点火测试3D打印的微型喷气式发动机，为工业3D打印从原型制作过渡到制造，树立了信心。
GE微型涡喷发动机测试过程
这次尝试也是来自于一项附带计划，工程师主要想了解3D打印零件的使用潜力，研究是否能制造出一种几乎完全用增材制造零件运行的小型发动机。
发动机某部件的打印过程
项目团队由GE 航空的工程师和技术人员组成。很显然，将整个复杂的商用飞机发动机全部采用3D打印制造尚不可能实现，他们最终以一台遥控模型飞机引擎为蓝本，对其重新设计和3D打印。发动机组装完成后，在通常用于试验全尺寸发动机的测试单元内并进行点火，经测试，3D打印的微型喷气式发动机每分钟转速可达到33000转。
GE 3D打印的微型涡喷发动机零件
在接下来的数月和数年内，通用电气航空集团采用增材制造工艺为其新一代LEAP、GE9X、Catalyst等发动机生产了数以万计的燃油喷嘴和涡轮叶片等部件，并成为3D打印航空制造的领导者。
▌中国航发获得一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机
2017年，中国航发团队开发了全3D打印的涡喷发动机，2019年首次公开研究细节和进展。项目团队以一台200N级微型涡喷发动机作为技术验证平台，开展了基于3D打印的航空发动机结构集成化及轻量化设计研究，并针对3D打印的零部件及整机开展了验证试验工作，获得了一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机。
在此项目在实施过程中，实验团队充分理解项目目标及航空发动机在结构、性能、工艺、强度、刚度、重量等各方面的要求，实现了复杂零件的集成化设计、结构优化设计和一体化打印。与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数量减少81%，重量减轻17.3%。
最为重要的是，这款发动机具备功能性，经串装后完成两次点火试验，性能达标，状态稳定。为验证3D打印发动机的场外工作能力，项目团队将其装在航模飞机上，并对航模飞机进行改装，开发专门的数据传输系统，进行了飞行试验，并取得了成功。
END
如今，更高的性能、更轻的质量、更低的油耗、更低的成本以及更小的尺寸成为微型涡喷发动机的发展趋势。从3D打印的制造实践来看，新工艺几乎同时满足了这五项诉求，因此具有重要的发展潜力。
此外，从各国的开发过程来看，项目的研究主要还是在于探索新技术的使用潜力，并验证推广应用至高性能发动机研制的可行性，项目的成功无疑能够为3D打印的应用进一步指明方向。最后，我们也应当看到的是，俄罗斯的增材制造技术和材料发展正在加速，这一老牌航空大国能否在新技术背景下继续创造奇迹，我们拭目以待。
2.3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益
