3D打印航发产业化反思：不求直接打印成品，工艺组合才是关键

近年来，3D打印在国外国防领域的应用日益广泛，相关应用已经被大量报道。众多新型设备、材料和合作关系相继涌现。从无人机到小型武器，增材制造在国防领域的应用案例正在爆炸式增长。

然而，大多数案例通常都会因为用户方的要求而无法深度解读，而这些“秘诀”均是各家取得竞争优势的关键。

不过，在今年吸引了大量目光的一家3D打印小型发动机的企业——Beehive Industries，其首席产品官Gordie Follin在近期直截了当的讲述了该公司对于3D打印技术的一些应用见解。

为什么要做无人项目

Gordie Follin在通用和普惠公司等航空发动机行业巨头那里工作了二十余年，对大规模增材制造应用具有丰富经验。

其重要经历之一，是在通用电气工作期间参与研发了他认为是目前获得美国联邦航空管理局（FAA）认证的、增材制造技术应用最广泛的Catalyst飞机发动机。其表示，FAA认证对于增材制造技术在生产中的应用而言始终是一个挑战。

为无人机的单次应用进行认证是一回事，但为载人飞机的关键部件进行认证则难度要高得多。

Follin解释道，“增材制造技术能够优化性能、重量、成本和进度。通常情况下，必须在这四者中做出选择，但增材制造技术让你有可能在不牺牲其他因素的情况下兼顾所有方面。”

更重要的是，如果仔细分析这些权衡取舍最为重要的领域，就会发现航空航天和国防领域首当其冲。

从那时起，Beehive的关注点进一步缩小到无人系统，这一决定大大简化了鉴定过程，并使公司能够以在有人驾驶飞机项目中不可想象的迭代速度前进。

零件数量级从400到40

从设计角度来看，Beehive已全面采用增材制造设计 (DfAM)，其发动机的设计理念以增材制造为先。最终成果是，Frenzy发动机的外观与传统发动机截然不同。

“如果用传统方法制造这台发动机，它可能需要400个零件。而我们的发动机，包括所有螺栓和垫圈在内，只有大约40个零件。涡轮机械部分只有5个零件。而通常情况下，涡轮机械部分需要200个零件。”

简而言之，Frenzy发动机完美体现了增材制造支持者多年来一直推崇的零件精简优势。

具体到Frenzy发动机的结构，其中间有一个中心框架，上面集成了压气机的扩散器、燃烧室壳体、燃烧室衬里、轴承座、涡轮机的一级喷嘴、燃油喷嘴和燃油歧管。Follin表示，所有这些部件都打印在这个一体式零件上，这是传统制造工艺根本无法实现的。

不必全程依赖3D打印，工艺组合才是关键

但Beehive对3D打印技术的应用有自己的经验。Follin表示，在公差要求极高或应力极高的情况下，如涡轮叶片尖端或轴的连接处，机械加工仍然是最佳选择。

他同时坚信，先将零件打印到接近最终形状，然后再进行机械加工来完成整个部件，这种做法并不可取。

在大力布局3D打印产能的同时，Beehive还在同步加强机械加工能力。该公司于今年收购了一家拥有超过120年的精密加工能力的些企业，这反映了金属增材制造中一个经常被忽视的现实：打印的航空航天部件很少能直接从成型室取出进行安装——

表面必须经过精加工；接口、孔洞和密封结构可能需要精密加工；组件必须从成型平台上分离，进行热处理、检验和记录。在大批量生产中，对这些后续步骤的控制与获得打印机的使用权同样重要。

此外，该公司还大力使用增材铸造工艺。

Beehive公司摒弃了传统的、需要多道工序的蜡模铸造工艺来制造涡轮叶片或燃油喷嘴，而是直接采用3D打印技术制作陶瓷模具。

Follin表示，他们因此能够以远低于传统铸造厂所需的时间交付这些铸件。该公司最近还新增了金属浇注能力，使Beehive能够根据生产规模的实际情况，选择增材制造或传统铸造工艺来生产Frenzy发动机。

他表示，铸造和3D打印的涡轮机性能相同，真正的区别在于外部供应商的单价。

“目前，无论是打印涡轮机还是铸造涡轮机，成本都差不多。之所以成本持平，是因为我们无需支付任何陶瓷模具或熔模铸造费用；如果我们从其他供应商那里购买铸造涡轮机，那将比我们自己打印要贵得多。”

为规模化制造做的其他准备

Beehive Industries近年来发展迅猛，取得了需要重要里程碑。

这在3D打印行业可谓树立了一个典范，但该公司表示这也带来了新的挑战，其中最关键的就是规模化。

从人员、设施到生产效率，一家成长型企业必须能够平稳扩展，否则就有可能陷入官僚主义和技术债务的泥潭。

Beehive为此采取的措施之一是Follin所说的“制造演示”，即在有限的时间内（通常只有一到两周）打印大量发动机，为计划中的量产做好准备。

通过批量引进3D打印机，Beehive已经开始规模化生产。该公司目前每天可以交付多台发动机，预计今年将生产数百台发动机，2027年将生产数千台，后年则能达到1万台。

在人才方面，Beehive Industries更倾向于聘用具有行业经验的工程师，而非应届毕业生。

“一般来说，我们招聘的人才在增材制造、喷气发动机或两者兼备方面都非常出色。在增材制造领域，制造和工程之间的界限几乎消失殆尽，这也是公司邀请机械师参与设计评审的原因之一，避免设计出无法实际制造的零件。”

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。#发动机 #3D打印