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
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上周，3D打印技术参考对『多材料金属3D打印航空应用的集大成者—GE9X发动机』进行了详细介绍，这台发动机融入了GE航空过去十年开发的大量先进技术，是新一代商用发动机的巅峰之作，3D打印为其做出了重要贡献。本期我们来对GE航空另一款引以为傲的发动机—新型涡轮螺旋桨（ATP）发动机GE Catalyst进行介绍，在该案例中，3D打印一体化集成制造优势体现的淋漓尽致。
GE Catalyst涡桨发动机
▌世界首台大规模、大尺寸采用3D打印的型号发动机
GE Catalyst是世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机，新型的结构设计因为3D打印降低了制造复杂性，它将此前通过传统工艺制造的855个零件经过结构优化减少为12个部件，零件数量的减少极大提高了生产效率，并将发动机的重量减少了5％，燃油效率提高了1％，这显示出3D打印集成制造优势。
零件的大尺度合并意味着尺寸的急剧增加，与此同时，这台发动机共有35%的零件采用3D打印制造，这在商用型号发动机上均属首次。这些3D打印的零件包括固定流路部件、集油槽、热交换器、燃烧器衬套、中框组件、排气机匣以及轴承座，材料覆盖钛合金、钴铬合金以及镍基高温合金。其开发团队由大名鼎鼎的LEAP发动机燃油喷嘴工程师组成，可谓阵容强大，3D打印大大简化了制造、打样过程，缩短了研制周期。
●中框组件：300个零件集成为1个，寿命延长，生产结构极大优化
GE Catalyst发动机最具代表性的集成优化部件就是中框组件，该部件在过去的传统制造中包含了300个单独的零件，通过焊接、螺栓连接等方式构成一个部件。工程师通过结构优化，最终将该部件的零件集成在了一起，形成了一个复杂的单一零件结构，它无法通过传统铸造或机械加工制造，唯有3D打印能够实现一体成型。由此产生的结果在于该部件不再需要装配，不仅减轻了重量，更排除了磨损的可能性，因此发动机两次维护的时间被拉长了1000小时。
3D打印的GE Catalyst涡桨发动机中框组件
中框组件由过去的300个零件优化为一个
集成制造带来的制造效率和供应链结构优化效应同样非常明显。在传统制造过程中，中框组件的300个零件需要50家供应商提供，然后由至少60名工程师先将其组装成7个组件，再装配成一个部件，维修点达到5处；而通过优化后采用3D打印制造，仅需要1台设备就可实现整个部件的直接制造，最多8名工程师便可实现最终部件的处理，维修点也变成了零件本身。由此导致的制造效率提升是显而易见的。
●燃油加热器：由300个零件到1个，重量减轻一半
使用传统制造技术（如铣削和钻孔）来完成零件可能很难实现复杂的几何形状和内部形状。但金属3D打印机能够打印出空心、复杂的形状。燃油加热器内部包含众多微小复杂的蜂窝式通道，零件的集成制造不仅减轻了零件重量，还将曾经可能出现的燃油泄漏问题完全排除，因而减少了维修频率，提高了燃油效率。
●C型油箱外壳
C型油箱是从螺旋桨到发动机的主要负载部分，用于支撑涡轮机的轴承。该部件采用了仿生学设计，整体形状类似植物的细胞结构。3D打印将原来轴承座和油底壳的80个零件组合成1个，通过金属打印制造的部件既保持了强度又减轻了重量。
●内置3D打印B型油箱的燃烧室外壳
B型油箱为中央轴承提供支撑，并提供润滑通风作用，3D打印通过将部件合并和降低装配复杂性实现了重量和成本效益。通过优化部件形状和空气动力学，使部件承受的应力达到最小，从而使部件性能和耐久性也得到了改善。
●排气机匣
作为具有空气动力学流道的部件，排气机匣允许空气以最小的压力损失离开发动机，该部件必须有足够的强度，承受通过发动机的气流压力。如果使用减法制造技术设计排气机匣，工程师不得不由最薄弱位置设计整个机匣的厚度，这会对部件增加不必要的重量。
通过使用3D打印，工程师设计了更复杂的空气动力学外形，并增加了提高结构刚度的特征。排气机匣有一个非常薄的内衬，其形状遵守空气动力学的要求，工程师在外壳上打印了外部翼梁，保证在空气动力学要求高的地方提供所需的刚度，同时降低整个外壳的重量。
除上述部件外，ATP发动机另有其他部件也采用3D打印制造，如燃烧器的旋流器，它由原来的四个部件组合为一个，从而节省了大量时间，提高了产品性能。
▌将认证速度大规模提前
3D打印对于航空制造来说的另一个好处是加快了发动机认证计划。由于3D打印允许以更快的速度生产零件，燃烧器衬里的制造仅用了两天，GE因此提前六个月完成了ATP燃烧器钻机测试。
通过尽可能快地对真实硬件进行测试，工程师因此可以使用结果数据进行下一次迭代以获得更好的产品，这比使用传统制造方法可以更快的获得产品。
据最新的消息，GE公司有望在大约15个月内完成对Catalyst涡桨发动机的认证。
END
3D打印的一大优势便是集成制造，但通常情况下我们看到案例非常少，像Catalyst发动机这样大规模的一体化集成堪称3D打印集成制造的最佳实践。虽然航空业界很多项目都在开始尝试增材制造技术，但在型号发动机上，这样占35%发动机零部件的大规模、大尺寸的采用增材制造工艺还属首次。
关于Catalyst发动机增材制造的视频和其他零件图片已上传QQ群。
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