在航天領(lǐng)域，SpaceX從2011年開(kāi)始探索3D打印技術(shù)
GE選擇用增材過(guò)程來(lái)制造噴嘴，不僅能降低生產(chǎn)成本，而且還讓部件變輕，為航空公司節(jié)省大量的燃料
2016年4月，GE再一次斥巨資在美國(guó)賓夕法尼亞州的匹茲堡創(chuàng)建了增材制造（Additive Manufacturing）旗艦中心——增材技術(shù)進(jìn)步中心（CATA），旨在研發(fā)相關(guān)的硬件與軟件，探索增材制造在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。顧名思義，這種名為增材制造技術(shù)（3D 打印的工業(yè)版本）是將超薄材料層一層層累積起來(lái)完成制造過(guò)程，其已被用于制造一些市場(chǎng)定位明確的產(chǎn)品，比如醫(yī)療植入設(shè)備，還被工程師和設(shè)計(jì)師用來(lái)制造塑料原型。
然而，把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，其實(shí)是始于噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。這項(xiàng)應(yīng)用無(wú)疑是一個(gè)意義重大的里程碑。通用電氣公司（GE）正利用這一技術(shù)對(duì)自己傳統(tǒng)的制造方式進(jìn)行徹底地改造，特別是GE 航空（GE Aviation）作為世界上最大的噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商，正在通過(guò)激光打印部件（而不是鑄造和焊接金屬）的方法，為一個(gè)新的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造燃料噴嘴。
2012年秋天，GE 收購(gòu)了兩家擁有自動(dòng)化精確生產(chǎn)金屬技術(shù)的公司，并將其技術(shù)集成到GE 的飛機(jī)制造部門(mén)——GE航空的運(yùn)營(yíng)中。GE 和法國(guó)斯奈克瑪公司（Snecma）成立的合資公司CFM 國(guó)際（CFM International）準(zhǔn)備將3D打印出的燃料噴嘴用于LEAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。每臺(tái)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)配備19個(gè)噴嘴。該發(fā)動(dòng)機(jī)將裝入單通道的窄體飛機(jī)，例如波音737MAX和空客A320neo等。
目前，該發(fā)動(dòng)機(jī)的訂單已超過(guò)10，000份，總價(jià)值在千億美元左右。帶有這種噴嘴的LEAP噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)已進(jìn)入了測(cè)試階段。
GE選擇用增材過(guò)程來(lái)制造噴嘴，是因?yàn)檫@種方法比傳統(tǒng)技術(shù)使用更少的材料。這不僅能降低GE 的生產(chǎn)成本，而且還讓部件變輕，為航空公司節(jié)省大量的燃料。傳統(tǒng)的技術(shù)需要把許多個(gè)小部件焊接在一起，這一過(guò)程將耗費(fèi)大量人力，而且很大一部分材料會(huì)被切割掉。
新的方法則是在鈷-鉻合金粉末床上制造。由計(jì)算機(jī)控制激光器把激光束精確地打到床上，讓所需區(qū)域的金屬合金熔化，一層一層地產(chǎn)生20 微米厚的材料層。這一過(guò)程在制造復(fù)雜的形狀時(shí)更加快速，因?yàn)闄C(jī)器可以日夜不停地運(yùn)行。且總體來(lái)講，增材制造技術(shù)會(huì)節(jié)省材料，因?yàn)榇蛴C(jī)可以控制形狀，避免不規(guī)則的突出，從而在制造的時(shí)候就不會(huì)造成常見(jiàn)的浪費(fèi)。增材制造特別適合小批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜的部件。
燃料噴嘴
這種增材制造的燃料噴嘴，其重量比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的噴嘴減輕了25%，所需的零件數(shù)從18個(gè)減少到1個(gè)，并增加了許多過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新設(shè)計(jì)，例如更精巧的冷卻路徑等，其耐久性也提高了5倍，還能承受3000華氏度的高溫。這些好處將極大地提升噴嘴的性能。預(yù)計(jì)GE每年將生產(chǎn)超過(guò)3萬(wàn)個(gè)這種噴嘴。
實(shí)際上，這種燃料噴嘴并不是GE航空在飛機(jī)上使用的第一個(gè)3D打印部件。2015年2月，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）批準(zhǔn)GE在90-94B型發(fā)動(dòng)機(jī)上，使用3D打印的T25傳感器外殼。這種傳感器安裝在空氣壓縮機(jī)的前方，作用是為發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)測(cè)量溫度和壓力。
GE的工程師發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)方法制作的傳感器外殼結(jié)冰后，累積的冰層容易進(jìn)入壓縮機(jī)，影響壓縮機(jī)的壽命。因此，他們決定重新設(shè)計(jì)外殼的形狀。但緩解結(jié)冰的幾何形狀無(wú)法用傳統(tǒng)的制造工藝實(shí)現(xiàn)，唯一的方法就是采用3D打印。
于是，他們用鈷鉻合金3D打印了這款新的傳感器外殼，來(lái)保護(hù)其中精密的電子設(shè)備。負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的經(jīng)理喬納森?克拉布布布布布布布布布布克（Jonathan Clarke）估計(jì)，3D打印為該項(xiàng)改進(jìn)節(jié)省了至少一年的開(kāi)發(fā)時(shí)間。
如今，許多現(xiàn)役的波音777等飛機(jī)都已成功換上了這種新型傳感器外殼。除此之外，還有一些渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的零件也用增材制造生產(chǎn)而成。
GE 的其他部門(mén)與GE 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都對(duì)此密切關(guān)注。
制造大型燃?xì)鉁u輪和風(fēng)機(jī)的GE 發(fā)電設(shè)備與水處理部門(mén)（GE Power & Water）已經(jīng)找到了可以用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的部件，例如某些燃燒組件。
GE 健康部門(mén)（GE Healthcare）也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種打印換能器的方法。換能器是超聲波機(jī)器中使用的一種昂貴的陶瓷部件，過(guò)去通常采用微加工的方式生產(chǎn)，需要消耗大量的時(shí)間。而用3D打印來(lái)生產(chǎn)換能器，能一次性打印出模式精巧的探頭面，節(jié)省了時(shí)間。
GE電器部門(mén)則采用增材制造來(lái)進(jìn)行原型的快速設(shè)計(jì)和制造，每年可設(shè)計(jì)出15000個(gè)部件。
GE石油和天然氣部門(mén)則用3D打印來(lái)生產(chǎn)渦輪機(jī)原型和開(kāi)發(fā)新型泵部件。GE還正與美國(guó)能源部合作，共同開(kāi)發(fā)采用3D打印部件的高效海水淡化設(shè)備。“這真的從根本上改變了我們對(duì)公司的看法。”GE的首席技術(shù)官馬克?利特爾（Mark Little）如是說(shuō)。
增材制造讓GE的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，對(duì)鑄造、機(jī)械加工等傳統(tǒng)工藝漸行漸遠(yuǎn)，也讓他們的選擇更加靈活。增材制造機(jī)器可以直接按照計(jì)算機(jī)模型來(lái)工作，這樣人們就能發(fā)明全新的形狀而不用考慮現(xiàn)有的制造限制?！拔覀儸F(xiàn)在可以制造之前造不出的結(jié)構(gòu)了?！崩貭栒f(shuō)。
GE航空增材制造商務(wù)拓展經(jīng)理格雷格?莫里斯（Greg Morris）說(shuō)：“你能迅速地迭代，找出哪些設(shè)計(jì)行得通，哪些行不通，快速改進(jìn)設(shè)計(jì)，并且能把這個(gè)過(guò)程重復(fù)很多次，比過(guò)去傳統(tǒng)技術(shù)所允許的次數(shù)多得多?！彼€表示，在設(shè)計(jì)那個(gè)具有劃時(shí)代意義的燃料噴嘴時(shí)，一共迭代了50次，才得到了最終的方案。
為了加速增材制造的產(chǎn)業(yè)化，GE投入了大量的資源。除了上面提及的今年在賓州建造的增材制造旗艦中心，GE在2015年花費(fèi)2億美元在印度創(chuàng)建了工廠，專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)等設(shè)備的部件。前文提到的燃料噴嘴就在這里誕生。這里還用增材制造技術(shù)生產(chǎn)替換零件。在過(guò)去，替換零件通常需要大批量生產(chǎn)和存放，耗費(fèi)了大量的資源。而現(xiàn)在，增材制造技術(shù)提高了替換零件的生產(chǎn)速度，周期從3～5個(gè)月降低到一周左右，并且不需要提前大批量生產(chǎn)，節(jié)省了可觀的成本。
GE的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手、美國(guó)飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)制造商普惠公司也在探索增材制造在航空領(lǐng)域的潛力。2015年初，普惠向加拿大航空巨頭龐巴迪公司交付了第一批專(zhuān)為C系列客機(jī)生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包含了首個(gè)用增材制造工藝生產(chǎn)的壓縮機(jī)定子和同步環(huán)支架，這也成為世界上第一批交付使用的增材制造噴射發(fā)動(dòng)機(jī)部件。
普惠公司表示，增材制造節(jié)省了多達(dá)15個(gè)月的前置時(shí)間，每個(gè)部件的重量平均減輕了50%。普惠公司也有一個(gè)增材制造創(chuàng)新中心，與康涅狄格大學(xué)共同創(chuàng)建于2013年。除了產(chǎn)業(yè)界，高校和研究所的科學(xué)家也在不斷進(jìn)行新的嘗試。
迷你飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)
2015年2月，澳大利亞莫納什大學(xué)的研究者在實(shí)驗(yàn)室中拆解了一款商用飛機(jī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，掃描部件后，復(fù)制出一個(gè)完全3D打印的發(fā)動(dòng)機(jī)，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)可以完全由增材制造來(lái)生產(chǎn)的可能性，并計(jì)劃2017年制造出可以運(yùn)轉(zhuǎn)的版本。同年5月，GE的工程師也制造出一個(gè)完全3D打印的迷你飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)約30厘米，高20厘米。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這個(gè)等比例的簡(jiǎn)化版本甚至能達(dá)到每分鐘33000萬(wàn)的轉(zhuǎn)速。
空客的飛機(jī)上也早已使用了許多3D打印的塑料部件，光是最新的空客A350 XWB型飛機(jī)上就有1000多個(gè)3D打印的塑料部件，預(yù)計(jì)今年將開(kāi)始用增材制造工藝大批量生產(chǎn)金屬部件（例如鈦合金），2017年底將開(kāi)始加入不銹鋼和鋁材料。空客的目標(biāo)是，未來(lái)幾十年時(shí)間內(nèi)，一半飛機(jī)零件實(shí)現(xiàn)增材制造生產(chǎn)。
在航天領(lǐng)域，SpaceX從2011年開(kāi)始探索3D打印技術(shù)，早期成功的案例包括超級(jí)天龍座飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。2014年2月發(fā)射的獵鷹九號(hào)火箭首次將3D打印部件帶上蒼穹。該火箭的9個(gè)梅林1D發(fā)動(dòng)機(jī)中，有一個(gè)包含3D打印的氧化劑閥門(mén)閥體。該閥體能在高壓、低溫和高振動(dòng)的情況下保持良好的性能，具有比傳統(tǒng)閥體更高的強(qiáng)度、耐久性和抗斷裂性。更令人稱(chēng)奇的是，該閥體的打印只花了2天，而傳統(tǒng)的鑄造周期可能需要幾個(gè)月的時(shí)間。
NASA（美國(guó)航天局）也在測(cè)試3D打印的部件。他們發(fā)現(xiàn)，3D打印的渦輪泵所需的零件數(shù)比傳統(tǒng)工藝減少了45%，燃料噴射裝置則減少了200多個(gè)零件，并擁有前所未有的性能。2015年，NASA的工程師還3D打印了一個(gè)全尺寸的銅制火箭燃燒室襯套，增材制造讓復(fù)雜的冷卻氣體通道成為可能，能有效避免燃燒室外壁被融化。
2016年3月升空的阿特拉斯V火箭不僅自身帶有3D打印的部件（包括管道、整流罩支架、噴嘴等），其搭載的飛船中還為國(guó)際空間站送去了第一臺(tái)商用3D打印機(jī)。
增材制造的迅速發(fā)展在一份行業(yè)報(bào)告中可見(jiàn)一斑。該領(lǐng)域的權(quán)威分析師特里?沃勒斯（Terry Wohlers）在年度報(bào)告中稱(chēng)，2015年，各家公司共購(gòu)買(mǎi)808臺(tái)可分層打印金屬材料的機(jī)器。這一數(shù)字在2014年和2013年分別是550臺(tái)和353臺(tái)。數(shù)字看起來(lái)或許并不大，但這些機(jī)器每臺(tái)均需花費(fèi)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)美元。
目前，GE 的工程師正開(kāi)始研究如何用更多的金屬合金（包括一些專(zhuān)為3D 打印設(shè)計(jì)的材料）來(lái)進(jìn)行增材制造。比如，GE 航空正在檢驗(yàn)鈦、鋁和鎳-鉻合金的可行性。單個(gè)部件可以由多種合金制成，這讓設(shè)計(jì)師可以定制部件的材料特征，這是鑄造過(guò)程做不到的。舉個(gè)例子，發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)的一片葉片可以由不同的材料制成，這樣葉片的一端可以為強(qiáng)度而優(yōu)化，而另一端則為耐熱性而優(yōu)化。
總之 隨著技術(shù)的不斷完善進(jìn)步，增材制造在某些原料昂貴、加工精度要求特別高的制造領(lǐng)域呈現(xiàn)出了越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)。
