英國航空發(fā)動機制造商羅羅公司通過3D打印技術(shù)設(shè)計和制造新型UltraFan發(fā)動機演示樣機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，該發(fā)動機是羅羅未來民用航空發(fā)動機的標(biāo)志性技術(shù)，將有助于重新定義未來數(shù)十年的可持續(xù)航空出行。此次3D打印制造的結(jié)構(gòu)為尾部軸承座 (TBH)，它是發(fā)動機內(nèi)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，也是將發(fā)動機連接到飛機并承載所有相關(guān)載荷的兩個部件之一。
3D打印制造的尾部軸承座 (TBH)
UltraFan發(fā)動機演示樣機是未來發(fā)動機系列的基礎(chǔ)，具有增強的核心能力和新的齒輪結(jié)構(gòu)，其效率將比第一代遄達發(fā)動機高25%。羅羅子公司ITP Aero使用增材技術(shù)為第一臺UltraFan演示發(fā)動機設(shè)計并制造了尾部軸承座，采用自己的設(shè)計和制造標(biāo)準(zhǔn)使其能夠更好地利用能源和原材料，與當(dāng)前一代的生產(chǎn)流程相比，其制造成本節(jié)省了 25%。
TBH是一種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，旨在承受所有操作條件下的負載。它包含支撐風(fēng)扇軸的部分軸承，而風(fēng)扇是發(fā)動機的主要推進元件。UltraFan TBH的可拆卸消音板也通過3D打印制造，可將渦輪機的聲噪降低50%，降噪將成為未來技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動力，羅羅計劃在2050年實現(xiàn)約65%的降噪目標(biāo)。
除了尾部軸承座采用3D打印技術(shù)之外，UltraFan發(fā)動機的中間壓縮機殼也采用3D打印制造而成，GKN旗下航空航天公司負責(zé)設(shè)計和制造了該結(jié)構(gòu)。
3D打印的UltraFan發(fā)動機中間壓縮機殼
然而，羅羅并未公布3D打印零件的具體尺寸、材料以及打印機信息，但從結(jié)構(gòu)上看，無論是尾部周承座還是中間壓縮機殼，都屬于多部件集成而來的一體化、大尺寸零件。3D打印在該領(lǐng)域能夠發(fā)揮重大作用，能夠?qū)资习賯€零件合而為一。以GE Catalyst發(fā)動機為例，它是世界上第一臺采用3D打印組件的渦輪螺旋槳發(fā)動機，新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計因為3D打印降低了制造復(fù)雜性，將此前通過傳統(tǒng)工藝制造的855個零件經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少為12個部件。零件數(shù)量的減少極大提高了生產(chǎn)效率，并將發(fā)動機的重量減少了5％，燃油效率提高了1％，顯示出3D打印集成制造優(yōu)勢。
GE 3D打印的中框結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)上，此類部件過去多由多個零件通過焊接、螺栓連接等方式組裝而成。如今，工程師通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠?qū)⒃撛瓉淼牧慵稍谝黄?，形成一個復(fù)雜的單一零件結(jié)構(gòu)，它無法通過傳統(tǒng)鑄造或機械加工制造，只有3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)一體成型。由此產(chǎn)生的結(jié)果在于該部件不再需要裝配，不僅減輕了重量，更排除了磨損的可能性。
一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)帶來的制造效率和供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化效應(yīng)同樣非常明顯。以GE Catalyst中框組件為例，在傳統(tǒng)制造過程中，中框組件的300個零件需要50家供應(yīng)商提供，然后由至少60名工程師先將其組裝成7個組件，再裝配成一個部件，維修點達到5處；而通過優(yōu)化后采用3D打印制造，僅需要1臺設(shè)備就可實現(xiàn)整個部件的直接制造，最多8名工程師便可實現(xiàn)最終部件的處理，維修點也變成了零件本身。
由此導(dǎo)致的制造效率提升是顯而易見的，對于正在研發(fā)過程的羅羅UltraFan發(fā)動機尤其如此，3D打印將加快其研發(fā)速度。關(guān)于3D打印的使用以及在UltraFan計劃中的作用，ITP Aero技術(shù)與工程執(zhí)行總監(jiān)表示，“通過對增材制造技術(shù)使用完善了我們專注于數(shù)字化制造的進程，并使ITP Aero成為更靈活、更有彈性和可持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)者，我們很自豪能夠?qū)⑦@項技術(shù)應(yīng)用于UltraFan等項目?！?/span>
鉑力特大尺寸演示樣件（820×820×400mm）
大尺寸零件的高精度3D打印不僅需要集成化的設(shè)計，同樣離不開如今新一代的大型3D打印機。目前國際范圍內(nèi)可知的商用機型包括：
GE：Concept Laser X Line 2000R，打印尺寸為800 x 400 x 500mm；
SLM Solutions：NXG XII 600，打印尺寸為600 x 600 x 600mm；
易加三維：EP-M650，打印尺寸為655 x 655 x 800mm；
鉑力特：BLT-S800，打印尺寸為800 x 800 x 600mm；
華曙高科：FS721M，打印尺寸為720 x 420 x 420mm。
咨詢3D金屬打印機：135 2207 9385
融合增材制造高柔性設(shè)計優(yōu)勢與增材工藝適應(yīng)性原則，通過整體化設(shè)計，集成典型輕量化特征、空間多尺度結(jié)構(gòu)、異性曲面及流道等復(fù)雜特征，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸部件與局部靈活可動性特征的整體制備。未來，將在航空航天和汽車制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
