航空、航天、军工是3D打印的重要应用领域，也是最能发挥3D打印优势的行业。从导弹到火箭，从发动机到卫星，3D打印开辟了结构设计的全新可能性，它在结构减重、强度、传热等方面具有极大的优势。 在一次增材制造的会议中，笔者了解到国内的航空航天部门在3D打印材料的基础研究、典型结构件、方案验证等级别的攻关中均已取得开创性成果。一些前沿的应用包括，歼-15战机前起落架大型整体钛合金支撑框采用3D打印制造，嫦娥四号实现3D打印零件在轨应用，千乘一号卫星主结构是国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构等等。 嫦娥四号着陆月球背面 这样的应用案例还有很多，这些成果的取得离不开先进的工艺，也离不开强大的材料。以高温合金为例，在现代先进的航空发动机中，高温合金材料的使用量占发动机总质量的40-60%。目前高品质的粉末材料已基本实现国产自给自足，然而国内空天动力部门却也对国内材料产业发展有自己的一套看法。本期，3D打印技术参考对其进行叙述。 ▌空天应用对3D打印材料的需求 ●适合3D打印高温合金牌号研发 ●批次稳定性和可靠性提升 ●多材料复合设计与制备 ●成型工艺参数最优化 ●力学+热学性能协同优化 3D打印镍基高温合金航空发动机机匣 ▌3D打印高温合金研究与应用存在的问题 ●高温强度及塑性低，性能稳定性差 ●微结构与性能间的本构关系认知浅 ●热处理强化机理不同，热处理优化研究不系统 ●高温性能数据积累少 ●适合3D打印的高温合金材料牌号少，急需研究新牌号 ●原材料大量依赖进口，不利于自主可控发展 ●3D打印高温合金的标准和规范缺乏 3D打印镍基高温合金航空发动机叶轮 ▌3D打印高温合金原材料：需自主可控，国产替代亟待发展 国内现状   ●制粉装备多 ●收得率低 ●粉末品质较低 ●稳定性差 ●缺少规范 ●部件打印主要依赖进口粉 技术问题   ●母合金 纯净度 稳定性 ●粉末球形度 ●粉末流动性 粒度分布 粒度配比 3D打印GH4169火箭发动机预旋喷嘴 END 当前，航空航天和国防工业中的重要工程对3D打印应用的需求在不断增加，高温合金用量在持续稳步增长，高质量低成本的金属粉末制备技术已成为制约金属3D打印深入应用的瓶颈。 从上面的评述也可看出，国内金属3D打印材料的发展问题仍然颇多，核心关键材料和工艺尚需进一步发展，相关的基础性研究也需要大力跟上。 欢迎转发 延伸阅读： 看3D打印如何助力中国军备 粉末一致性对3D打印的意义 粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 PREP制粉技术正在粉末品质和价格上双重挑战传统气雾化制粉技术 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

近期3D打印相关的展会实在颇多，西安展后天开始，深圳展下个月在即，上海展10月底接踵而来。。。这样频繁的展会关注的焦点各有不同，相对来说TCT系列关注的会更加丰富，从软件、工艺到应用，从塑料、陶瓷到金属，从教育、消费品到航空航天，相对来说对于用户来讲更接地气一些。毕竟西安展一大堆的高端论坛看得人有些眼花缭乱，笔者也只能心向往之。本期3D打印技术参考带来深圳展会的部分看点，并思考其背后的技术问题。 3D打印前处理软件 任何的3D打印工艺都离不开模型的前处理，这个过程包含了数据导入、文件修复、支撑生成以及切片等操作，看似简单，但目前能够高效实现这一功能的软件却并不多。 VoxelDance前处理软件 目前最为常用的3D打印模型处理软件有magics和netfabb。magics的功能非常强大，新型的智能化金属、树脂支撑添加功能既方便去除又能节省材料；改进的烧结模块零件摆放进一步提高了生产效率，这些新功能无一不是为了推进应用进一步发展；Netfabb是近几年才被用户关注和使用的新软件，最新版本可生成类似magics e-stage的大网格结构支撑，同样具备了智能化的分布特点。然而笔者对后者并不是太熟悉，因此不能提供更多信息。 Netfabb新型网格支撑 今年上半年有一款称为VoxelDance的新软件上市，除去其他必备的功能外，其主打的特点是CAD数据直接导入、智能化的支撑添加方案以及2d/3d摆放模式，可用于DLP、SLS、SLA 以及SLM等多种技术。目前有试用版本，不妨尝试。 VoxelDance具备大网格化的智能支撑添加功能 相对来说，支撑智能化似乎正在成为金属打印的一大发展特点。在magics只有单独的付费插件e-stage才能使用这一功能的情况下，netfabb和VoxelDance会不会提供新的可能？在本期展会，我们将看到相关的产品。 3D打印鞋品的国产化进一步发展 随着3D打印技术的不断成熟和材料技术的快速发展，3D打印技术在消费品领域的发展很快。许多国际品牌如：耐克、阿迪达斯、New Balance、Under Armour都已引入3D打印技术批量生产鞋中底。在众多国产运动品牌中匹克、李宁以及安踏分别已经在12、13以及18年开始从事3D打印技术的研究。多年过去，进展如何呢？ 国产体育大牌李宁虽然在从事相关的研发但至今还没见到产品上市，小米凌空也已经不再被提及。目前国内3D打印鞋品最为知名的非匹克莫属，随着它的火爆，实际上也将它的工艺提供商易加三维推到了前台，并因此吸粉无数。 匹克3D打印运动鞋 匹克3D打印运动鞋采用的是激光烧结TPU或者尼龙的工艺，这一点和New Balance和Under Armour相一致。国内的其他3D打印制鞋工艺主要是类似国外CLIP工艺的树脂成型，如北京清锋时代推出的高弹性树脂以及同样连续不间断的打印工艺。关于清锋时代的消息其实一直不断，从投融资到新材料，外界看来亦是神秘，然而不知鞋品何时上市。 清锋时代自己生产的运动鞋样本 在很多人等待清锋时代的产品时，本月9日，Revo 塑成科技宣布推出新一代 3D 打印消费级运动鞋，并在当天进行了发售。据笔者了解，该公司同样也在开发快速连续制造的树脂打印机，其目的便在于快速实现批量制造。 塑成科技开发的3D打印运动鞋 众所周知，作为制鞋产业的大国，中国制鞋企业大部分分布在以浙江为首的华东区以及广东、福建、四川省为主的华南区，而华东区域以浙江温州带为主的制鞋企业均以皮鞋为主，据不完全统计，中国80%的运动鞋生产基地主要分布于华南区。深圳展会，兴许能为3D打印运动鞋的进一步发展起到推波助澜的作用。 低成本间接3D打印技术，更应该关注后烧结设备的成本及可用性金属FDM技术凭借简单易操作、成本低廉的优势在极小批量零件制造方面可获得应用，尤其适合于企业研发和办公室环境；基于粘结剂喷射的金属间接成型技术是实现金属3D打印批量化、低成本制造的有效手段，与金属SLM相比也提供了极大的后处理便利性，尤其受到来自汽车用户的青睐。 从去年开始，基于FDM或者3DP的间接3D打印工艺开始出现在我们的视野中，当我们感慨国内没有Desktop Metal的相关技术时，国内在今年开始涌现出如升华三维这样的以FDM为主要形式的间接3D打印工艺提供商；而在今年8月份，易制科技将其基于3DP的金属打印工艺实现了全开源，这可能会带来国内一些研究的热潮。 大众采用粘结剂喷射技术制造的排档杆 实际上无论对于基于烧结的FDM还是3DP，大家关注的焦点可能更多还是在于其打印过程的实现，然而对于一件产品的制造，这远远不够。 桌面金属打印能够轻松去除支撑 基于烧结的金属或者陶瓷打印工艺，更为关键的在于后续的脱脂和烧结过程，单纯打印机的成本很低，但是全套设备的价格会比较高昂，而且能够提供这些服务的机构可能也并不多。 粘结剂喷射技术整个工艺链涉及的问题 然而这还只是一方面，间接3D打印技术对对材料、粘结剂以及打印工艺（包括粘结剂的喷射量、粉末中的压力分布、沉积时间等）、烧结制度、零件设计等等有着重要的依赖关系，技术含量并不比SLM低到哪里去，而且用户还要面临专业的粉末冶金知识的缺乏，这对于采用这项工艺的用来说也是一项不小的挑战。 END 以上所述仅仅是本次展会展商的冰山一角，对于专业观众来说，我们应该更多的去关注产品背后的技术问题。届时每家展商都会有工程师在场，这同时也是一次技术交流的好机会。 欢迎转发 延伸阅读： 五大鞋类领导品牌使用3D打印引领鞋业制造的未来 Materialise e-stage有多逆天 基于粘结剂喷射和SLM的金属3D打印性能对比分析 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

未来的飞机是什么样子？采用什么结构、材料，动力来源如何？为了验证“大飞机”上的技术，通常会采用“小飞机”进行实验，只有经验证机验证过的技术，才能安全地应用于其他飞机上。因此，称验证机为技术先驱毫不为过。基于此，中国商飞“灵雀”项目应运而生。 灵雀H设计与试飞过程 中国商飞下属的北京民用飞机技术研究中心，便是专门开展未来飞机设计、研发与验证的机构，简单的说，就是研究未来30年以后的民机。据笔者了解，该中心承担的灵雀H验证机大量采用了3D打印技术，本期，3D打印技术参考就带来该项目实施过程中在使用3D打印技术时遇到的困难与挑战。 ▌灵雀H—次承力部件和起落架舱均采用先进3D打印技术 “灵雀H”验证机翼展6米，创新性采用氢燃料电混合动力技术，旨在验证以氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力技术在飞机上使用。“灵雀H”验证机机身大量运用复合材料，次承力部件和起落架舱均采用了先进的3D打印技术。 ●材料工艺：尼龙玻纤，SLS ●打印部件：主要为机头、发动机短舱、起落架舱 这些部件都有同样的特点，即外部是复杂的曲面，内部有大量的系统结构，非常复杂且难加工。采用传统的玻璃纤维复合材料，需要制造模具，成本高、周期长。而且有可能零件变形过大，造成超差，装配困难。采用3D打印工艺，可以一次成型整个部段，无需开模，成本低、周期短，无需装配，还减轻了结构重量。 ▌面临的挑战与应对策略 若采用3D打印直接制造传统结构零部件，则无法充分发挥3D打印的优势，甚至可能放大该技术的局限性。项目团队在充分认识了3D打印技术的特点和局限性之后，在满足结构功能、性能、重量等的基础上，开展了飞机系统部件的集成化和轻量化设计。在项目实施的过程中，也遇到了一些挑战： 1、结构一体化设计：不仅要考虑到飞机系统的布置、载荷工况、结构强度，还要考虑3D打印的工艺约束，对于设计来说有一定难度。 2、轻量化设计：为了减轻每一克重量，都做了大量的优化设计工作，包括拓扑优化、点阵结构、尺寸优化等等。 3、活动面设计：起落架舱门在飞机起降过程中要打开或关闭，SLS虽然可以打印活动结构，但是对于精度、间隙、变形等问题，研发团队仍然做了大量试验后才找到最佳方案。 3D打印的灵雀H验证机机头 根据3D打印技术参考对比其他应用开发过程以及笔者自身的经验得出结论，任何设计团队在进行结构优化的过程中，不仅仅要考虑结构的问题，更要考虑工艺问题。设计团队只有详细了解具体的3D打印工艺，设置合理的设计约束，才能实现部件既能做的出来，又能实现功能性。 3D打印的铰链的测试件 灵雀H活动结构件的间隙设置最能体现这一要求，如果活动间隙设计的太大，两个结构就会发生相对位移，不利于活动面的精度控制；如果活动间隙设计的太小，那么活动阻力就会特别大，甚至在打印的过程中粉末会被烧结到一起，根本无法活动。设计团队因此做了几十组不同间隙的试验件，最终才找到最佳的间隙设计值。 灵雀H整体打印的活动结构 在材料方面，经过玻璃纤维增强的尼龙，其机械强度、尺寸稳定性和耐热性能都会有显著的提高，尤其具有良好的耐摩擦性和耐耗性。玻璃纤维的加入也会提高复合材料的导热、导电性能，从而可以制备出功能复合材料。 ▌3D打印为飞机减重，加速迭代改进 2019年1月-3月，“灵雀H”新能源验证机开展了4个构型10架次的试飞任务，充分验证了氢燃料电池动力系统，标志着中国商飞未来民机在新能源领域的探索取得实质进展。 起飞过程降落过程 在本项目中，验证机机头、发动机、短舱等复杂机构件均通过3D打印技术制造，飞机总重不足30公斤，复合材料和3D打印技术的使用显著降低了飞机结构重量和部件数量；同时基于快速制造的特点，从立项到首飞，仅用了5个月时间。经过快速迭代改进，“灵雀H”验证机航时超过24小时，实现了向飞机减重和工程应用的方向发展。 关于尼龙材料以及玻璃纤维增强尼龙材料的相关资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 中国航发：基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738  

作为金属3D打印的主要耗材，金属粉末对打印产品的质量有着至关重要的影响。航空、航天和国防等领域精密复杂零件的3D打印对粉末质量的要求尤其高，它甚至在某种程度上决定了该技术能否在这些行业深入应用。 上期我们谈到了真空气雾化和等离子旋转电极法制备的金属粉的特性差异，但是在不同粒度分布造成的打印质量问题，甚至是成分问题可能造成的质量问题方面我们提的并不多。本期3D打印技术参考从这两个角度展开讨论。 ▌同一设备、同一工艺、同一材料，产品质量差异大 在三项条件都一致的情况下，打印的效果理应不会有太大差距，但研究人员发现的现象却并非如此。来自兰州理工大学的研究团队不仅发现了不同粒度分布造成的打印质量问题，还提出微量元素的成分问题也会造成极大的影响，这一理论同时也得到了中航迈特的印证。 ●材料来源 研究人员采用的是国外H.C.Starck公司和国内公司生产的SLM成形用IN738金属粉末，前者是标准的商用粉，后者是通过将同一批次生产的粉末筛分为15～30μm（细粉）和30～53μm （粗粉）两种粒径规格之后，按照不同比例混合调配而成。其目的就是对比不同粒度条件下SLM的成型效果，以及国外粉和国内粉的成型差异。 ●粒度特征与成分比较 两种粉末的对照组（1#和4#粉末，即国外粉和国内4#粉）在粉末粒度分布特征，D10、D50、D90数据方面基本吻合，粉末流动性和堆积密度比较接近。其他组粉末的差异体现在粒度分布方面，如14～31 μm、18～59 μm、27～61 μm等，具体可查看研究文本。 IN738合金粉末粒度分布图：左侧为国外粉，右侧为调配最接近SLM比例的粉末   N738合金粉末粒度分布特征量（μm） 在成分方面，除了O、H、N含量在标准中没有规定外，两类粉末的化学成分均符合标准值，O含量也都符合航天航空领域对3D打印用高温合金粉末中O含量的要求（< 0.02 wt%）。不过国外粉末中杂质元素的种类和含量均少于国内粉末，尤其是Si和Zr元素含量，所以 国外粉末相比国内粉末纯净度更高。 IN738 合金粉末化学成分（质量分数，%） 在本研究中，1和4这两种粉末可以当做同种的标准SLM用粉进行对待。 ▌结果：国产粉打印样品裂纹多，性能差 研究人员采用同样的工艺参数分别打印这两种粉末，并对样品进行了分析。通过对裂纹密度进行计算，发现国外粉末打印的样品裂纹密度最低，XOY面和XOZ面分别为0.21%和0.15%，国内粉末则因粒度分布的偏差造成裂纹密度的急剧变化。与国外粉末最为相似、且最为标准的4#样品的裂纹也远多于国外粉末打印的样品。 1～6#粉末SLM 成形件裂纹密度（1#为国外粉，4#为对照组）   样品内部的裂纹情况 此外，研究人员还对打印件的性能进行了测试，国外粉末的拉伸强度达到1110Mpa，国内粉末最优的数据却是5#粉末，也仅仅是690Mpa。 ▌原因分析与讨论 针对国内粉末不同粒度分布造成的打印质量问题，显示出粗细颗粒粉末只有以恰当的配比混合，才能得到良好的3D打印效果，而这种比例的搭配需要大量时间去研究。单纯搭配出相近分布特征的粉末，可能并不能达到良好的打印效果。 笔者通过与业内工程师的讨论得知，EOS对粉末的粒度分布或配比非常严格，需要做很多试验，直到打印稳定为止。具体怎样调配需要用试验件性能考核来确定，最后才能固化粒度分布和打印参数。而每一种粉末材料的搭配比例并不固定。 对于使用同样工艺打印国外1#粉和类似的国内4#粉出现的巨大差异问题，研究人员将其归因于微量元素。相对于国外粉末，国内粉末的杂质元素种类多，含量高。这些杂质的存在会改变所制备零件的特性甚至致使打印无法进行，粉末的纯净度直接影响到3D打印的成形质量。在以往的研究中，研究人员对Si元素的影响进行了深入分析，发现它对成形件裂纹敏感性有很大的影响。而在新的研究中，兰州理工大学的研究团队正在把焦点放置在Zr元素上。 实际上笔者在此前也曾看到过有关研究，微量元素的差异会造成打印质量的显著变化，同样是对比了国外粉末，将某种元素的含量调至相同的指标之后，一直存在的打印问题消失。而且据中航迈特的最新研究，也验证了这一观点。所以，微量元素的种类和含量可能也是造成打印质量问题的背后原因。 END 基于并不完全一致的粉末粒度分布和成分问题，国外粉末的打印工艺可能并不能完全适用于国内同牌号粉末；同样国内不同厂家制造的同种粉末也会存在这样那样的差异，是应该根据具体粉末优化参数。 粉末粒度的搭配、成分的差异可能也并非仅高仿出表象特征而已，一些更细致的问题可能是造成打印质量的关键因素。 因此也可以更深入的理解为什么国外设备总要绑定材料。   关于研究原文和粉体特性及杂质对打印质量的影响相关资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 粉末一致性对3D打印的意义 金属材料选区激光熔化过程中的冶金问题和质量控制 南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 PREP制粉技术正在粉末品质和价格上双重挑战传统气雾化制粉技术 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

高品质金属3D打印要求材料必须具备颗粒细小、低氧含量（质量分数小于 0.01%）、高球形度、高松装密度、无空心粉、夹杂少等特点。目前常用的方法有气雾化法（分为VIGA和EIGA 法）、等离子旋转电极法（PREP）以及等离子火炬雾化等技术。 VIGA 法制备的粉末经过筛分和摩擦电选或静电分离去除夹杂物后基本可满足要求；PREP 法、等离子火炬法以及 EIGA 法均能较好地满足高品质3D打印对粉末的要求。随着金属3D打印在国内应用的深入，终端用户越来越关注粉末的质量问题。目前，VIGA法和PREP法是中国目前应用比较成熟的两种高品质金属粉末制备工艺，通常来说后者制备的粉末品质更高，但成本更高，但从目前的情况看，PREP法正在材料品质和价格上同时挑战传统VIGA制粉技术。本期我们以镍基合金粉末为例来比较这两种制粉技术的材料特性、成本和价格现状。 ▌粉末形貌 从VIGA法制得粉末的显微形貌和截面形貌看，粉末以球形为主，大尺寸粉末表面为枝晶组织，表面附着明显的卫星粉；小尺寸粉末主要为包晶组织，粉末球形度较高，表面较为光洁，但仍附着少量卫星粉。此外，VIGA粉中存在少量异形粉和空心粉。 VIGA粉的显微形貌（a、b）和截面形貌（c） PREP粉表面主要为细的枝晶组织，没有卫星粉，粉末球形度较高，表面光洁，且组织均匀，表面质量优于VIGA粉。 PREP粉的显微形貌 ▌粉末粒度分布 从VIGA法和PREP法制备的镍基合金粉末的粒度分布可以看出，VIGA 法的细粉收得率相对较高，小于50μm的粉末可达到16.5%（质量分数），但粉末粒度分布范围较宽，粒度在200μm以上的粉末仍存在21.7%，应根据粉末粒度分级利用。 VIGA和PREP法从制粉角度对比粒度分布 PREP粉粒度分布范围较窄，特定尺寸的粉末收得率较高，粒度主要集中在63～150μm，在该粒度范围内的粉末达到83.3%（质量分数）。相对于其他制粉技术，PREP法的细粉收得率仍然保持在较低的水平，因此制备细粉的成本也会较高。 实际上粉末粒度的问题并不需要用户过度的考虑，目前市面上已经有很多采用PREP发制备的15-53μm的SLM用金属粉。虽然笔者亲测其D50和D90数据确实比气雾化法粉的要大，但差距极小（具体数据可与笔者讨论）。下图为两种工艺制备的同种商用粉末的粒度分布，在粒度分布方面，这样的差距是极其微小的。 市场上两种工艺同种SLM用粉粒度对比 ▌粉末氧含量 粉末的氧含量对后续生产的打印产品有着重要影响，氧含量高，氧化物夹杂的数量和尺寸都会增加，从而降低合金的塑性。粉末氧含量除了部分来自母材外，主要由雾化时采用的气体带来。对某镍基合金粉末的研究发现，采用VIGA 法制得的粉末氧含量（质量分数）达到 0.0079%，而采用 PREP法为 0.0040%。这是由于PERP制粉中惰性气体使用量为0.01m3/kg粉末，远低于VIGA 法的0.30～0.50m3/kg粉末。 高端应用对粉末的质量也要求更高 此外，粉末氧含量还和粉末粒度相关，随着粉末粒度的减小，氧含量增加。对VIGA 法和PREP法制备的镍基合金粉末进行比较，VIGA粉和PREP粉均能满足3D打印对金属粉末的基本要求。然而，两种粉末又具有不同特点，PREP 粉表面光亮，洁净度高且组织均匀，流动性好，松装密度高，具有较好的物理性能，但细粉收得率低，生产率比VIGA 法低；VIGA 法细粉收得率较高，生产率高，但存在较多的片状、空心和粘结粉以及椭圆形和泪滴状粉，致使其物理性能略差于PREP粉。 设备商要求材料绑定 也是为了打印过程和产品质量的稳定性考虑有研究表明，粉末尺寸大，则松装密度低、流动性差；而粉末尺寸小，则比表面积大，流动性差；只有中等尺寸的粉末松装密度高，流动性好。中航工业商发有研究人员曾指出，在3D打印时，粒径50μm左右的粉末具有较好的成形性能（原文内容已上传QQ群）。而VIGA法制备的粉末粒度分布较宽且表面光洁度较差，PREP法制备的粉末粒度分布窄，表面质量和物理性能优于VIGA粉，更适合生产优质的3D打印用金属粉末，但还需进一步优化工艺，提高细粉的收得率。 END 通过以上的比较也可以看出，PREP法的粉末质量是显而易见的，即便它的细粉收得率低但制造商仍可以通过技术手段搭配出合适范围的SLM用粉。也是基于此，PREP法制备的SLM用粉的价格理论上会更高，这虽是事实，但随着竞争的加剧，这种价格差异似乎已经被极大的缩小。根据笔者拿到的国内两种不同工艺供应商能给到笔者的、多类型粉末的最低报价，两种工艺制备的材料价格几乎没有差别。 两种工艺制备的粉末虽有差距，但并不能说VIGA法的粉末质量就坏，就不能用，实际上目前绝大多数的3D打印金属粉末是通过气雾化法制得，国外大型金属机制造商的官方用粉也多是采用气雾化法制备，它在一定范围内完全能够满足金属3D打印的应用需求。对于用户来说，可以选择更适合自己的用粉。 关于粉末循环使用的寿命问题、航天用高品质粉末、材料形态对制件性能的影响等资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 粉末一致性对3D打印的意义 3D打印金属粉末成型工艺 激光成型高温难熔金属材料的种类及应用 南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

增材制造技术的发展为航空发动机的设计和制造带来了诸多便利，但其在航空发动机上的应用大多局限于单个零件的加工制造，如何在整机的范畴上对增材制造技术加以利用，满足提高性能、可靠性、集成化和轻量化的需求，无疑是未来研究的重点方向。 微型涡喷发动机测试过程（GE2016） 近日，中国航发动研所以一款微型涡喷发动机为技术验证平台，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。本期，3D打印技术参考对该项目进行介绍。 全3D打印的涡喷发动机（中国航发2017） ▌项目总体思路和方案 该项目的预期目标是与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数减少50%以上，发动机本体减轻质量不低于15%，推力提升不低于10%。整个项目分为三个阶段实施：发动机集成化设计、发动机轻量化设计，以及为提升发动机性能的创新型冷却构型设计。 3D打印发动机研究总体思路（航发动研所2019） ▌发动机集成化设计研究 当前的微型涡喷发动机采用了大量螺栓连接和焊接等形式进行零件装配。如果采用3D打印直接制备传统结构零部件，则无法充分发挥增材制造技术的优势，甚至可能放大该技术的局限性。为此，项目团队须结合3D打印技术的特点及局限性，打破传统工艺下发动机设计的思维定式，在满足结构构型约束、性能约束、工艺约束、强度约束及刚度约束等多约束的基础上，开展发动机零件结构集成化设计研究，实现一体化打印，从而省去连接件和焊接件的使用，减少零件数量，降低装配难度，提高发动机寿命及可靠性；同时，省去部分零件安装边的设计，达到减轻零件质量的效果。因此，最终确定零件整合方案，以减轻发动机质量、提高结构可靠性为目标。 集成化设计思路 创新团队在详细剖析传统发动机零件结构、功能、材料及装配关系后，制订了多种零件集成化方案。针对集成化结构开展了性能评估、结构强度评估、转静子间隙评估及增材制造工艺可行性评估，突破了可提升结构可靠性的集成化设计技术，实现发动机本体零部件数量减少81%。 发动机集成化设计对比图（航发动研所2019） 微型涡喷发动机原模型结构优化及相应零件实物示例（中国航发2017） ▌发动机轻量化设计研究 结合发动机零部件结构功能与承载性能约束，创新团队将面向增材制造工艺的拓扑优化技术应用至零件的轻量化设计中。利用变密度拓扑优化设计驱动材料分布，从而获得零件高效、轻量化的创新构型。在此基础上考虑增材制造工艺约束性，对拓扑优化构型进行重构，优化零件结构形式，实现拓扑构型的可制造性及工程适用性。针对拓扑空间较小的集成化静子件，则利用增材制造可实现高度复杂构型成形的特点，对集成化零件进行结构适应性改进，在确保结构刚度和强度的基础上，实现静子件的轻量化设计。 轻量化设计方案 创新团队采用面向增材制造工艺的拓扑优化技术完成了发动机主要零部件轻量化设计，包括转子件和静子件等，最终实现整机减轻质量17.3%。 集成化静子件轻量化设计前后（航发动研所2019） 发动机结构优化前后质量对比 ▌空心叶轮盘冷却设计研究 根据拓扑优化设计后的转子件空腔结构特点，创新团队提出了一种新的气冷叶轮盘结构。其基本原理是从离心叶轮背腔引冷气，通过空心涡轮轴，到达叶轮盘内部进行冷却，从而达到叶轮盘温度降低的效果，可以显著提升发动机性能。 新型冷却结构设计方案 ▌整机验证 发动机的转子件仍采用传统工艺制造，其他零部件均采用3D打印，串装后的发动机已完成两次点火试验，性能达标，状态稳定。 3D打印的涡喷发动机零件成品状态（中国航发2017） 实验后发动机分解图（航发动研所2019） 为验证串装3D打印发动机的场外工作能力，创新团队将其装在航模飞机上，进行了飞行试验。 串装发动机航模试飞（航发动研所2019） END 中国航发动研所团队以微型涡喷航空发动机为技术验证平台，探索3D打印技术在航空发动机设计和制造领域的应用研究，从本项目获得的集成化、轻量化设计技术对提升发动机设计和制造能力具有重要意义，可推广应用至高性能发动机的研制。 项目的实施无疑能够使技术团队得到很好的训练，能够有效提高增材制造技术水平，积累更多的设计经验，有助于提升增材制造技术在国产大涵道比涡扇发动机中的工程化应用水平。 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印如何助力巡航导弹等高超声速武器制造 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738