揭秘GKN的增材制造布局

GKN（吉凱恩集團(tuán)）是全球性的工程服務(wù)公司,，包括航空航天,、汽車傳動系統(tǒng)、粉末冶金和地面特種車輛四大業(yè)務(wù)板塊,。通過多次收購,，GKN航空航天業(yè)務(wù)板塊逐漸建立起世界級的服務(wù)能力。據(jù)南極熊了解吉凱恩旗下的Hoeganaes有限公司生產(chǎn)的金屬粉末制品在北美地區(qū)所占的市場份額超過了50%,Hoeganaes有限公司的產(chǎn)品在歐洲金屬粉末制品市場的銷售也呈快速增長,。

圍繞著強(qiáng)大的航空航天業(yè)務(wù)版圖,，GKN打造了三個(gè)增材制造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心，GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心,，GKN英國Filton增材制造卓越中心,。

圖：GKN的航空卓越中心及研究伙伴

通過增材制造中心將集團(tuán)內(nèi)部的航空航天零部件制造、增材制造及材料研發(fā)的能力進(jìn)行整合,，推進(jìn)增材制造技術(shù)在航空制造業(yè)務(wù)中的應(yīng)用,。一起來了解GKN航空航天部門在增材制造領(lǐng)域的布局。

來源：GKN

GKN的收購“大事件”

首先讓我們了解一下GKN在航空航天業(yè)務(wù)領(lǐng)域的收購里程碑：

-2001年,，GKN收購了波音公司在美國圣路易斯的結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)工廠,，加強(qiáng)了與波音公司在金屬與復(fù)合技術(shù)領(lǐng)域的合作關(guān)系。

-2009年,，收購空客在英國Filton的生產(chǎn)和組裝工廠,，增強(qiáng)了在金屬航空結(jié)構(gòu)件裝配方面的實(shí)力。

-2012年,，GKN收購了瑞典沃爾沃航空,，打造了在航空發(fā)動機(jī)零部件的市場領(lǐng)導(dǎo)地位，擴(kuò)展了GKN航空航天業(yè)務(wù),。

-2015年,，GKN收購荷蘭的福克技術(shù),，此舉將有助于拓展GKN的國際業(yè)務(wù),，并且可以增加在航空業(yè)務(wù)和飛機(jī)電線系統(tǒng)市場中的地位,。

通過這些收購，GKN進(jìn)一步完善了其航空航天制造業(yè)務(wù)的版圖,。航空航天制造業(yè)務(wù)對產(chǎn)品的交期,、性能要求最為嚴(yán)格，同時(shí)對昂貴制造材料的成本節(jié)約也有迫切需求,，這些需求也正是GKN 打造增材制造能力的主要動力,。

圖片：增材制造（左）和傳統(tǒng)技術(shù)（右）對材料的利用率對比

在交期方面，GKN有些復(fù)雜零部件通過傳統(tǒng)制造開模技術(shù)迭代的周期長達(dá)2年,，采用了增材制造技術(shù)之后可將迭代周期縮短至1年之內(nèi),。在成本方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在更高的材料利用率和能源效率上，增材制造技術(shù)對鈦合金這種昂貴的航空材料的利用率接近100%,。

圖片：GKN SLM 3D打印零部件

增材制造技術(shù)交期和成本上的優(yōu)勢是與傳統(tǒng)制造技術(shù)相對而言的,，而增材制造技術(shù)所帶來的產(chǎn)品性能方面的優(yōu)勢指的是該技術(shù)可以為航空航天制造業(yè)務(wù)提供傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的特殊零部件，例如,，增材制造技術(shù)可以制造拓?fù)鋬?yōu)化的具有特殊幾何結(jié)構(gòu)的輕量化零部件,。

在設(shè)計(jì)增材制造零部件時(shí)引入仿生設(shè)計(jì)概念也是GKN關(guān)注的重點(diǎn)，增材制造技術(shù)有能力制造出定制化的“原位”復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu),。通過控制工藝參數(shù),，增材制造技術(shù)擁有了制造出所需的微結(jié)構(gòu)的潛力，這正是提高零部件性能所需要的能力,。

增材制造技術(shù)包括多種不同的工藝,，那么GKN 掌握了哪些增材制造技術(shù)？其三大增材制造卓越中心又分別擅側(cè)重于哪項(xiàng)增材制造技術(shù)呢,？

精密沉積（Fine-scale deposition）

該技術(shù)既包括電子束融化焊接技術(shù),，將金屬絲作為打印材料,，并使用一種功率強(qiáng)大的電子束在真空環(huán)境中通過高達(dá)1000℃的高溫來融化打印金屬零部件,；也包括送粉技術(shù)，由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動,，材料以粉末直接送入高溫熔區(qū),，熔化后逐層沉積。

GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心負(fù)責(zé)以激光束為能量源,，對金屬絲材進(jìn)行熔融沉積成型的技術(shù),。3D科學(xué)谷了解到在這里，GKN 航空航天部門主要將該技術(shù)用于制造大于50cm 的零部件,，包括航空結(jié)構(gòu)件以及一些隨著買飛比的顯著提升而降低成本的零部件,。

GKN美國增材制造卓越中心與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室合作，針對大型零部件的增材制造能力,，包括法蘭的局部制造或整個(gè)部件的制造,。

除了GKN美國增材制造卓越中心,，GKN 位于瑞典的Trollhätten增材制造卓越中心是大型零件制造的主要基地。在這里,，GKN 應(yīng)用這類增材制造技術(shù)制造鈦合金和鎳基合金,。GKN對增材制造技術(shù)的應(yīng)用包括三大方面：高價(jià)值零部件的維修、中型航空發(fā)動機(jī)的制造,、航空航天結(jié)構(gòu)件的制造,。通過增材制造技術(shù)的應(yīng)用可以減少部件數(shù)量，減少零部件在精加工過程中的材料去除率,，提高買飛比,。

圖片：GKN

其中，GKN Trollhätten增材制造卓越中心所擁有的電子束金屬絲融化焊接技術(shù)主要用于制造大型GKN航空發(fā)動機(jī)零部件以及航天零部件,。據(jù)3D科學(xué)谷市場研究,，其中的一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用是Ariane 5火箭中的Vulcain 2 噴嘴，該零部件重達(dá)50kg,。這個(gè)大型增材制造零部件增強(qiáng)了結(jié)構(gòu),，節(jié)約了制造成本。

而GKN Trollhätten中心的送粉激光粉末沉積技術(shù)主要應(yīng)用于鈦合金和鎳基合金零部件的修復(fù),。

粉末床技術(shù)

GKN應(yīng)用的粉末床技術(shù)包括選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融技術(shù)(EBM),。其中，EBM 技術(shù)主要用于制造Ti-6Al-4V鈦合金小到中型零部件,。SLM技術(shù)制造的重點(diǎn)領(lǐng)域是鈦合金和鎳基高溫合金零部件,，以及復(fù)雜零部件和高附加值零部件。

圖片：GKN Filton中心制造的零部件

負(fù)責(zé)推進(jìn)這些應(yīng)用的GKN Filton增材制造卓越中心擁有12臺增材制造設(shè)備,，這里的設(shè)備被劃分為三個(gè)單元,，其中兩個(gè)單元為EBM設(shè)備，第三個(gè)單元為SLM 設(shè)備,。第一個(gè)單元的EBM設(shè)備主要用作研究用途,，用來研究工藝參數(shù)與隨之產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)和性能控制。這些信息的分析結(jié)果將用于設(shè)置第二個(gè)單元中設(shè)備的工藝參數(shù),，繼而進(jìn)行鈦合金零部件的小批量生產(chǎn),。除了增材制造設(shè)備，F(xiàn)ilton增材制造卓越中心還設(shè)有材料實(shí)驗(yàn)室,，對粉末材料的特征,、質(zhì)量進(jìn)行測試和控制。

圖片: GKN EBM設(shè)備制造的支架,，部分已經(jīng)過機(jī)加工

以上這些設(shè)備和材料主要服務(wù)于鈦合金和鎳基合金零部件的制造,。通過增材制造技術(shù)，GEN Filton中心為復(fù)雜零部件的制造有效節(jié)約了成本,，同時(shí)還通過制造集成式的零部件和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的零部件提高了產(chǎn)品性能,，產(chǎn)品性能的提升體現(xiàn)為對飛機(jī)性能的提升以及降低能源消耗的成本,。

塑料的增材制造

GKN的塑料類產(chǎn)品的增材制造技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）和FDM（熔融沉積）兩種技術(shù)。SLS技術(shù)的打印材料主要為尼龍粉末,，F(xiàn)DM的打印材料則包括多種熱塑性塑料絲材,。兩種工藝均用于模具制造和快速原型。高分子塑料的增材制造也是由GKN Filton增材制造卓越中心負(fù)責(zé)推進(jìn)的,。

用增材制造技術(shù)進(jìn)行航空零部件批量生產(chǎn)的工作已在GKN航空航天部門強(qiáng)勢展開,，GKN航空增材制造部的主管Sharman博士預(yù)計(jì)，GKN將迎來增材制造技術(shù)應(yīng)用的加速發(fā)展,，接下來在GKN將與Rolls-Royce合作制造XWB-84大型航空發(fā)動機(jī),，該發(fā)動機(jī)也將引入增材制造技術(shù)制造輕量化以及高性能的壓氣機(jī)殼體。

來源：GKN

正如羅馬不是一日建成的,，GKN對于增材制造的前景保持信心的同時(shí),，也將增材制造在制造領(lǐng)域的應(yīng)用分為不同的發(fā)展時(shí)期來看，增材制造將從現(xiàn)今的近凈形零件修復(fù)與制造,，發(fā)展到用于完全優(yōu)化的零件與系統(tǒng)的制造以及定制化的微結(jié)構(gòu),，功能級別的材料制造。與此同時(shí),，增材制造在航空航天領(lǐng)域?qū)⒄加性絹碓街匾�的地��,，也將出現(xiàn)更多的100%通過增材制造技術(shù)制造出來的航空零件。

來源：GKN

零部件的可靠性,、質(zhì)量,、可重復(fù)的工藝，以及合格的材料,，是用戶能否接受增材制造的零部件重要因素,。GKN對這一系列的質(zhì)量控制工作高度重視，并通過對樣品的測試來進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制,。未來,，GKN的增材制造技術(shù)將為GKN集團(tuán)內(nèi)部的更多部門和外部的合作伙伴提供服務(wù)。

參考資料：
GKN Technology Leading the way toward more efficient aircraft
GKN Aerospace – Technology and Innovation for the Future of Composites Manufacturing
GKN Aerospace – Additive Manufacturing

來源：3d科學(xué)谷
延伸閱讀：
GKN與TLS合資生產(chǎn)3D打印用鈦金屬粉末