美國(guó)通用電氣公司(GE)增材制造動(dòng)態(tài)

隨著收購(gòu)Arcam和Concept Laser兩家3D打印機(jī)生產(chǎn)商，GE在3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域成為專家和全球領(lǐng)導(dǎo)者，3D打印事業(yè)做得如火如荼。GE志在擴(kuò)大其3D打印業(yè)務(wù)，已經(jīng)對(duì)制造和增材技術(shù)投資了大約15億美元，獲得了346項(xiàng)專利。GE預(yù)計(jì)，未來(lái)十年內(nèi)將在整個(gè)公司節(jié)約成本30億到50億美元。那么，近年來(lái)它又取得哪些前沿進(jìn)展呢?

1 GE Additive推出新的ARCAM EBM Spectra H金屬增材制造系統(tǒng)，用于更快地生產(chǎn)更大的零件

該設(shè)備主要針對(duì)高溫和易裂(high heat and crack prone)材料，如TiAl、718合金、鎳基超合金等。依靠一個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)的6 kW電子束，它能夠在超過(guò)1000℃的溫度下生產(chǎn)更大的零件(Φ250 mm×430 mm)，且速度提高了50%。(據(jù)www.3ders.org網(wǎng)站2018年4月25日?qǐng)?bào)道)

2 GE Additive被撥予900萬(wàn)美元，用于加快海軍裝備零部件3D打印和數(shù)字孿生體的開(kāi)發(fā)

GE Additive從海軍研究辦公室收到了一份900萬(wàn)美元的新合同。他們將啟動(dòng)一項(xiàng)計(jì)劃，以加快海軍艦艇、飛機(jī)和其他重要設(shè)備的替換零件的3D打印生產(chǎn)。該計(jì)劃的關(guān)鍵是創(chuàng)建現(xiàn)有零件的“數(shù)字化雙胞胎(digital twins)”，使替換件能夠按需進(jìn)行3D打印。

圖1 GE Additive推出的Arcam EBM Spectra H 3D打印設(shè)備Fig.1 Arcam EBM Spectra H by GE

這將對(duì)更換不再生產(chǎn)的舊的遺留零件特別有用。海軍艦艇的平均年齡約為17歲，最古老的作戰(zhàn)資產(chǎn)可追溯到1970年。工業(yè)3D打印面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是能夠增材制造那些原先通過(guò)減材法制造的部件，且具備與原始部件相同的材料成分和性能。(據(jù)www.3ders.org網(wǎng)站2018年5月3日?qǐng)?bào)道)

圖2 數(shù)字化雙胞胎概念圖Fig.2 Schematic of the concept of“digital twins”

3 GE Additive推出了其制造合作伙伴網(wǎng)絡(luò)(manufacturing partner network,MPN)，旨在加速增材制造的供應(yīng)和需求

企業(yè)正在尋找成本效益高、可擴(kuò)展的批量生產(chǎn)路線。然而，有限的設(shè)備、投資資金和專業(yè)知識(shí)往往會(huì)阻礙他們采取下一個(gè)關(guān)鍵步驟。從原型制作到批量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變可能是任何一家公司增材制造過(guò)程中跨度最大的一步。制造合作伙伴網(wǎng)絡(luò)(manufacturing partner network，MPN)旨在為公司提供一系列選擇，將他們與可信賴的增材制造生產(chǎn)合作伙伴聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)共享，共同營(yíng)銷。Honda及 Triumph Group加入了該網(wǎng)絡(luò)。(據(jù)www.3ders.org網(wǎng)站2018年7月17日?qǐng)?bào)道)

圖3 GE Additive車間場(chǎng)景Fig.3 Workshop scene of GE Additive

4 GE Aviation第30 000個(gè)金屬3D打印燃油噴嘴頭下線

GE Aviation在2018年10月達(dá)到了一個(gè)里程碑，它生產(chǎn)的第30 000個(gè)3D打印燃油噴嘴頭在阿拉巴馬州奧本工廠下線。這些噴嘴頭應(yīng)用于GE的LEAP引擎中，意味著增材制造技術(shù)可以進(jìn)行批量化生產(chǎn)，同時(shí)也證明了3D打印零部件性能的可靠性。

燃油噴嘴頭負(fù)責(zé)將燃料噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)中，它必須堅(jiān)固并且能夠承受高溫，而且需要非常精確，以便它能夠以正確的速率釋放適量的燃料。它是一個(gè)復(fù)雜的部件，曾經(jīng)由大約20個(gè)部件組成，這些部件必須單獨(dú)制造然后焊接在一起?，F(xiàn)在通過(guò)3D打印能夠?qū)⑺信で鷰缀误w和內(nèi)部腔室整個(gè)組件生產(chǎn)在一個(gè)單獨(dú)的部件中。3D打印不僅節(jié)省了大量的勞動(dòng)力和時(shí)間，而且還使燃油噴嘴的重量減輕了25%，并使其強(qiáng)度提高了約5倍。(據(jù)GE網(wǎng)站2018年10月4日?qǐng)?bào)道)

圖4 3D打印的Leap發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴頭Fig.4 3D-printed fuel nozzle tip for the LEAP engine

5 GE Aviation獲美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)批準(zhǔn)，將3D打印的電動(dòng)開(kāi)門系統(tǒng)支架(bracket)安裝于GEnx商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)

電動(dòng)開(kāi)門系統(tǒng)(power door opening system，PDOS)在地面上用于打開(kāi)和關(guān)閉風(fēng)扇前罩門，以便在維護(hù)時(shí)能夠接近風(fēng)扇室。GEnx-2b發(fā)動(dòng)機(jī)上的原始PDOS支架是用一塊金屬加工而成的，造成大約50%的材料浪費(fèi)。

圖5 獲美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)“設(shè)計(jì)變更”批準(zhǔn)的電動(dòng)開(kāi)門系統(tǒng)(PDOS)支架3D打印件Fig.5 FAA ‘change in design’ approval for additively manufactured power door opening system(PDOS)bracket

目前，采用直接金屬激光熔融(DMLM)增材制造技術(shù)制造新支架，廢料減少了90%，零件重量減少了10%。與傳統(tǒng)的鎳基高溫合金相比，新采用鈷鉻合金進(jìn)行增材制造速度更快，可同時(shí)打印4個(gè)支架。(據(jù)www.3ders.org網(wǎng)站2018年11月5日?qǐng)?bào)道)

圖6 打印支架所用的GE“Concept Laser M2 cusing”3D打印機(jī)Fig.6 Concept Laser M2 cusing machine

6 HRE輪轂制造商與GE Additive合作，制造出第一個(gè)3D打印鈦輪轂

使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)輪轂只浪費(fèi)了所用材料總量的5%，而使用傳統(tǒng)鍛造技術(shù)的浪費(fèi)量為80%。3D打印建模為HRE設(shè)計(jì)師帶來(lái)了新的自由度，因?yàn)樗麄儾槐負(fù)?dān)心外伸量、工具深度和空腔，甚至可以包括交錯(cuò)特征。由于受打印機(jī)的尺寸限制，輪輻只能打印成多個(gè)部分，然后組合到碳纖維輪輞上，而碳纖維輪輞沒(méi)有打印出來(lái)，但這只是暫時(shí)的，GE Additive很快就會(huì)有打印機(jī)，能夠?qū)⒄麄€(gè)輪轂作為一個(gè)整體打印出來(lái)，進(jìn)一步減少時(shí)間、重量和材料的使用。高溫真空下生產(chǎn)的、應(yīng)力已消除的零件的性能比鑄造部件好。(據(jù)www.3ders.org網(wǎng)站2018年11月15日?qǐng)?bào)道)

圖7 3D打印輪輻及組合而成的輪轂Fig.7 Wheel spokes were printed in several parts and then attached to the carbon fiber hub

7 GE研發(fā)含35%3D打印部件的新ATP引擎

3D打印在渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用突破莫過(guò)于GE在2018年試飛的ATP飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)了，該發(fā)動(dòng)機(jī)為Textron Aviation推出的10人座商用飛機(jī)Cessna Denali提供動(dòng)力。

這些金屬3D打印部件具有拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，并且能減少引擎所需要的連接部件，使得引擎重量變得更輕。

ATP引擎將擁有比航空史上任何一個(gè)引擎更多的3D打印零件。855個(gè)減材制造零件將減少為12個(gè)增材制造部件，而它們占到了ATP引擎總零件數(shù)的35%。3D打印部分包括機(jī)油箱、軸承座、框架、排氣機(jī)匣、燃燒室、熱交換器和固定流道組件。

ATP引擎的特點(diǎn):12個(gè)增材制造部件(占總零件數(shù)的35%)、全鈦3D氣動(dòng)壓縮機(jī)，以實(shí)現(xiàn)輕量和高效，燃油效率提升20%。

ATP現(xiàn)已被正式命名為GE CatalystTM先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。(據(jù)www.3ders.org網(wǎng)站2018年7月27日?qǐng)?bào)道)

圖8 包含13個(gè)3D打印部件的GE ATP渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.8 GE"s ATP turboprop engine contains 13 3D printed components

圖9 GE新渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)中的3D打印燃油加熱器Fig.9 3D printed fuel heater in GE"s new turboprop engine

8 GE Aviation攜手ATI合資開(kāi)發(fā)無(wú)熔融鈦合金粉末的制造技術(shù)

ATI(Allegheny Technologies Incorporated)，技術(shù)先進(jìn)的特種材料和部件生產(chǎn)的全球領(lǐng)先者，日前宣布與GE Aviation合資開(kāi)發(fā)新的無(wú)熔融鈦合金粉末(meltless titanium alloy powder)制造技術(shù)。

合資公司將興建新的研發(fā)試點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)施，所開(kāi)發(fā)的鈦合金粉末將用于包括3D打印在內(nèi)的增材制造應(yīng)用。通過(guò)此舉，GE意圖擴(kuò)大對(duì)金屬增材制造粉末市場(chǎng)的控制。(據(jù)www.3ders.org網(wǎng)站2017年7月5日?qǐng)?bào)道)

(本文由西北有色金屬研究院信息所朱宏康高級(jí)工程師根據(jù)相關(guān)新聞翻譯、整理，更多更新消息可關(guān)注“新材料國(guó)際情報(bào)中心”微信公眾號(hào))