通用增材業(yè)務(wù)劉志剛：2019年GE航空將3D打印近40000個(gè)金屬件

前不久時(shí)間，南極熊在通用電氣航空集團(tuán)增材業(yè)務(wù)北區(qū)總監(jiān)劉志剛的帶領(lǐng)下,，參觀了北京GE大樓,，深深感受到這個(gè)電氣巨頭（美國發(fā)明大王愛迪生是其創(chuàng)始人）為人類科技的進(jìn)步而做出的貢獻(xiàn)。

在3D打印領(lǐng)域,，憑借收購的兩家金屬3D打印企業(yè),，GE已經(jīng)變?yōu)槿�球最大最具競爭力的公司。甚至有不少業(yè)內(nèi)人士紛紛預(yù)測,，以后,，3D打印產(chǎn)業(yè)，將是傳統(tǒng)工業(yè)巨頭的天下,。

下面,，南極熊帶你閱讀通用電氣航空集團(tuán)增材業(yè)務(wù)北區(qū)總監(jiān)劉志剛，在杭州·2018年中國增材制造大會(huì)上的主題演講,。

劉志剛：各位領(lǐng)導(dǎo),，各位業(yè)界的朋友，今天非常感謝三院,，尤其是159,，邀請我來做航空應(yīng)用的分享。我也注意到,，很多關(guān)于GE的應(yīng)用前面的演講嘉賓已經(jīng)涉及到了,，所以我會(huì)講的快一點(diǎn)。因?yàn)橐郧案鷺I(yè)界朋友溝通過程中，他們對技術(shù)細(xì)節(jié)非常了解,，中國增材制造的發(fā)展在世界上也是在前面的,，所以他們更關(guān)注應(yīng)用，所以我講的內(nèi)容絕大部分是關(guān)于應(yīng)用的案例,。

    先放一個(gè)視頻,，是關(guān)于最新的增材制造模型最大的發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)是指它的通道面積最大,。大家可以注意到,，前面的葉片只有16級(jí)，現(xiàn)在大家都在開發(fā)大涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī),，它的效率在亞勻速的情況下是比較高的,。為什么我要放這個(gè)視頻呢？因?yàn)樵谶@個(gè)視頻上是在最先進(jìn),、最大的發(fā)動(dòng)機(jī)上有270多個(gè)構(gòu)件都是通過3D打印打印出來的,，而且有幾個(gè)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的。在業(yè)界有很多人都在做3D打印,，但是GE從接觸3D打印第一天開始就是從關(guān)鍵部件開始,，所以是從高起點(diǎn)開始的。

   

首先前面部分先講一下增材業(yè)務(wù),，就是航空增材制造在航空業(yè)的增長,。6月23號(hào)的時(shí)候我們也做了一個(gè)醫(yī)療論壇，在論壇中我們中國區(qū)總經(jīng)理陳總也給大家講了一個(gè)圖片,。里面提到了增材制造在哪些行業(yè)里面是目前應(yīng)用最廣泛的或者最主要的市場在哪里,，主要有三個(gè)市場，第一是航空,，第二是醫(yī)療,，第三是汽車制造，當(dāng)然目前最主要還是用在航空方面,，民用航空應(yīng)用占到50%,。從市場角度來看，增材制造在航空領(lǐng)域從18年到23年,，每年大概增長22%,，數(shù)量是相當(dāng)可觀的。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布,。）
   
為什么說增材制造會(huì)在航空這么高端的領(lǐng)域里面得到應(yīng)用呢,？最主要由幾個(gè)方面的價(jià)值決定了增材制造在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用。首先是成本的降低,，包括發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴也只是在噴嘴頭部,，這部分是用增材制造來制造的,。但是整個(gè)件打出來并不經(jīng)濟(jì)，所以是增材制造和和傳統(tǒng)制造相配合,，它的效益是最高的,。另外是簡化供應(yīng)鏈，因?yàn)樵綇?fù)雜的部件涉及的環(huán)節(jié)越多,，供應(yīng)環(huán)節(jié)的長度決定了供貨的周期和成本,。另外一個(gè)是關(guān)于產(chǎn)品性能，因?yàn)橥ㄟ^3D打印可以作出以前傳統(tǒng)制造做不出的部件,，這樣可以提升力學(xué)性,，提高產(chǎn)品的熱力學(xué)性能，同時(shí)由于零部件數(shù)量的減少,，使得耐用度也會(huì)提高,。第三,，前面提到了供應(yīng)鏈問題,，因?yàn)?D打印的設(shè)計(jì)以后甚至在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品階段，迭代速度要遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)的加工,。最后是關(guān)于小批量的生產(chǎn),，比如設(shè)計(jì)某一些型號(hào)，以前非民用的產(chǎn)品可能需要12個(gè)月甚至更長的時(shí)間,，但現(xiàn)在可能只要6個(gè)月時(shí)間就能開發(fā)出新的型號(hào),，這里面包括相當(dāng)長的時(shí)間做設(shè)計(jì)。如果用一個(gè)簡單的說法,，基本上你看到別人做什么了你就可以做出來,，可見即所得。

   

（PPT圖示）這個(gè)圖是在航空里面兩個(gè)最關(guān)鍵的因素決定了應(yīng)用,，第一個(gè)圖大家見的比較多了,，因?yàn)?D打印的特性決定了打印件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度跟它的成本，實(shí)際上沒有太大的關(guān)聯(lián)性,。但是對于傳統(tǒng)制造來說,，通常來說部件越復(fù)雜制造成本就越高。所以這是一個(gè)設(shè)計(jì)復(fù)雜性跟成本之間的關(guān)系,。第二談到供應(yīng)鏈的簡化,，比如現(xiàn)在很多3D打印企業(yè)買了3D打印機(jī)，自己到工廠里面去打印,，當(dāng)然后面還要借助傳統(tǒng)的加工,。但是按照以前要開模、鑄造,，是很長的工藝流程,，零件的數(shù)量、參與的工藝廠家、設(shè)計(jì)的界面,、維修保養(yǎng)等等,，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于現(xiàn)在用3D打印去做。

   

（PPT圖示）這里可能大家比較關(guān)心到底飛機(jī)上哪里適合用3D打印,，前面商飛的也進(jìn)行了介紹,，包括飛機(jī)的部件和系統(tǒng)，包括一些構(gòu)件,，機(jī)身的構(gòu)件,、內(nèi)部的飾件、二級(jí)的結(jié)構(gòu)件,，當(dāng)然最核心的是在引擎部件,。其它的航天衛(wèi)星部件，國內(nèi)在這塊了解深度非常深了,，當(dāng)然還有一些軍用的,，包括無人機(jī)。關(guān)于維修我后面還會(huì)提到,，會(huì)有一個(gè)例子,。

   

下面我講一下應(yīng)用實(shí)例。在開始應(yīng)用實(shí)例之前,，還是要講一下這個(gè)圖,，為什么我想分享一下GE的增材制造之旅呢？是我看到的GE在今天3D打印領(lǐng)域有大量的投入或者使用的程度到了這個(gè)程度,，中間是經(jīng)歷了一個(gè)過程的,。GE從2010年開始介入做3D打印，一直到真正大規(guī)模去推動(dòng),，中間大概花了至少5年以上時(shí)間才有了這么大的變化,。這中間包括作出第一個(gè)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴也好，包括后面低壓透平葉片也好,，這中間GE公司也曾經(jīng)對增材制造能夠多大程度應(yīng)用于航空領(lǐng)域是有疑問的,。但為什么能夠突破？A-CT7,，是這款是GE公司把它拿出來當(dāng)做一個(gè)驗(yàn)證件打的,，打成功對GE是一個(gè)非常大的鼓舞，其實(shí)是從這里面吸取的經(jīng)驗(yàn),。功率也提高了百分之幾十,。前面商飛同志也提到了，還有ATP,，這實(shí)際上是給美國公司做小型公司的,，2019年會(huì)做試飛,，內(nèi)部測試已經(jīng)完成。當(dāng)大家看增材的時(shí)候也不僅僅是看哪個(gè)件可以用增材來做,，我跟我們公司的人員溝通,，他們會(huì)提出不要老想替換一個(gè)件，更多是拋開以前的設(shè)計(jì),，GE以前開使用3D打印的時(shí)候,，做3D打印研發(fā)設(shè)計(jì)組跟傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)組在一起工作，所以進(jìn)度非常慢,，后來直接強(qiáng)制分開工作,。 由比如學(xué)材料專業(yè)和空氣動(dòng)力學(xué)的人單獨(dú)去設(shè)計(jì)零部件，這樣才真正有收獲,。不管航空也好,、航天也好，歸根到底是材料學(xué),，航空集團(tuán)有2000多個(gè)材料工程師,，在國內(nèi)哪個(gè)公司里面有這么多人做材料研究？

   

這是9X發(fā)動(dòng)機(jī),，有270多個(gè)部件是3D打印,，其中有兩個(gè)大家最關(guān)心的,，就是LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴,，另外是發(fā)動(dòng)機(jī)低壓級(jí)五六級(jí)葉片，我們用的是電子束打印技術(shù)打印的,，因?yàn)橘が斺佷X有在低溫度下加工很容易催裂,，這樣電子束加工的過程就有一個(gè)退火去應(yīng)力的過程。這些熱通道的部件除了基礎(chǔ)金屬要耐高溫,，還需要隔熱涂層以及內(nèi)部的冷卻內(nèi)流道等才能耐受高溫氣體,。 但由于電子束打印無法打印很小的流道，所以事實(shí)心,，當(dāng)然到了透瓶低壓段5-6級(jí),， 溫度已經(jīng)充分降低，所以3D打印的葉片目前只能放到五到六級(jí),。

  

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)前面商發(fā)專家也講過了,，昨天我們以前的CEO老莫也講到。我現(xiàn)在給大家講講為什么LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴要用3D打�,�,？它非常復(fù)雜，真正3D打印就是上面一個(gè)小嘴,，但同時(shí)可以打很多個(gè),，為什么它這么復(fù)雜呢,？這種燃料噴嘴叫TAPS，它看起來是一個(gè)口,，其實(shí)最里面有一個(gè)通道,，最里面還有一個(gè)通道，里面有燃料和空氣的混合,，外圈有燃料,，同時(shí)還加漩流的空氣混合。內(nèi)部屬于擴(kuò)散燃燒,， 但擴(kuò)散燃燒火焰w溫度相對高更高,，實(shí)際上在高溫下將氮?dú)庋趸�了，但是外面預(yù)混燃燒的時(shí)候,，可以降低它的燃燒溫度,。所以內(nèi)部只是輔助的，火焰比較穩(wěn)定,，外部是主燃料流道,，但外部主燃燒是預(yù)混裝置。這里面真正最細(xì)的地方,，以前都是用焊接或者釬焊,。 但研發(fā)新leap發(fā)動(dòng)機(jī)用傳統(tǒng)工藝嘗試了8次都失敗了，用3D打印就成功了,。

  

我們做了關(guān)于庫存量,、全生命周期的成本，包括制造成本以及部件的重量,，這些具體數(shù)據(jù)我不提了,。除了看初次打印成本之外，更多也要看全生命周期的成本,，這樣就可以綜合去考慮,。

   

（PPT圖示）這是剛才提到的ATP，不光在重量上有一定的提升,，燃油效率上能提高20%,，原來有2500多個(gè)零件，但現(xiàn)在三分之一的零件都是通過3D打印實(shí)現(xiàn)的,。這個(gè)19年要試飛了,，已經(jīng)在GE工廠設(shè)置過了。

   

（PPT圖示）這也是A-CT7的部件,，不管是在部件數(shù)量上還是對于需要借用的資源上來說,，都會(huì)減少很多。

   

（PPT圖示）T901,，以前我們打A-CT7的時(shí)候只是作為一個(gè)驗(yàn)證,，現(xiàn)在美國軍方發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)換這一款了,。

   

（PPT圖示）再講一下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，這是NASA部件,，我不太清楚美國將來是不是真的有這么多錢去做,，但在新的發(fā)動(dòng)機(jī)上確實(shí)用了3D打印。一個(gè)火箭,，一個(gè)剛性的物體在振動(dòng)的過程中像面條一樣抖動(dòng),，只要有一個(gè)激勵(lì)源，當(dāng)燃料系統(tǒng)推進(jìn)劑管路的脈動(dòng)頻率接近火箭固有頻率的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng),，這里面需要做減震器,，接到推進(jìn)器劑管路里面來，來改變它的頻率,，降低它的振動(dòng),，并不能完全根除這個(gè)振動(dòng)，更多是降低,，避開這個(gè)頻率,。9個(gè)月的時(shí)間可以縮短成9天，我個(gè)人想它應(yīng)該也用3D打印打了別的件,，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)比預(yù)期高了15%,。
   
有一家特別有名的做電動(dòng)汽車的公司，他們也發(fā)射火箭,，他們火箭中也用我們M2機(jī)器打印了部件,，但是由于種種原因要求我們撤掉了宣傳。

   

（PPT圖示）再講一下關(guān)于EBM的應(yīng)用,，這三個(gè)東西是油嘴分離器,。對重要的是鈦鋁葉片,，重量能減少50%,。另外是燃油效率，提高了10%對于航空公司來說,，因?yàn)閷θ加偷南�耗是它利潤的根本�?br />

   

前面我提到了關(guān)于一些舊設(shè)備的翻新如何去應(yīng)用3D打印,，實(shí)際上P51野馬戰(zhàn)斗機(jī)最早美國是幫英國人去設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，后來自己開始用了,。這么多年目前還有150多架在使用,，跟老爺車一樣，可能是懷舊吧,。（PPT圖示）這個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是噴氣口,，也比較簡單，二戰(zhàn)的時(shí)候?qū)嶋H上比較粗糙,。它以前是焊接的,，316不銹鋼,，現(xiàn)在通過3D打印可以減少焊縫，而且兩天就可以打印出來,，但如果沒有部件的供應(yīng)飛機(jī)很難飛上天,。所以我們也在想有什么舊的設(shè)備去翻新，可以定制化的去應(yīng)用3D打印,。

   

（PPT圖示）仿真支架不多講了,，對于國內(nèi)來說非常簡單。這實(shí)際上是美國很小的一個(gè)初創(chuàng)公司,，它想做射頻陣列天線,，以前非常復(fù)雜，但是現(xiàn)在通過3D打印減輕了95%,，也是非常大的一個(gè)成功,。

   

（PPT圖示）這是硬廣告部分，我們的設(shè)備首先滿足公司里面的生產(chǎn),，性能要求反饋到生產(chǎn)車間,，然后再去改進(jìn)機(jī)型，這樣不斷迭代,。上面我挑出來幾款EBM的機(jī)器,，最早是通過黑色這臺(tái)A2X打的，現(xiàn)在我們新出了Spectra H,，出發(fā)點(diǎn)是航空應(yīng)用,。另外這個(gè)Q20+很適合打一些鈦合金航空件，國內(nèi)有兩臺(tái),。下面是激光的M2,，現(xiàn)在國內(nèi)一些用戶在用，它的特別的特性是很多機(jī)器不能夠?qū)崿F(xiàn)的,，比如前面王教授提到了燃料噴嘴里面的內(nèi)流道,，這是不可能做機(jī)加工的，很小,，而且非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),。 當(dāng)然有人會(huì)在內(nèi)部做一些類似電鍍方面的處理，讓它變得更光潔,，我們沒有辦法加工,。那M2機(jī)器為什么可以打出精細(xì)流道， 它又一套振鏡可以調(diào)節(jié)焦距,，改變光斑的大小,，這樣打部件內(nèi)部的時(shí)候可以用大光斑，提高了生產(chǎn)效率，但是到了表面就可以調(diào)成小的光斑,，這樣可以打出更加精細(xì)的表面來,。如果應(yīng)用不是特別高的時(shí)候，就可以使用這個(gè),，不用再加工了,。MLINE是專門針對批量生產(chǎn)研發(fā)的設(shè)備，主要是提高效率,。XLINE2000R是目前市面上真正被廣泛應(yīng)用的最大一款激光噴射設(shè)備,，國內(nèi)也有，在國外大概50多臺(tái),。這款GE工廠先期拿了6臺(tái)在用,，可能有十幾臺(tái)，用于打印航空自己的產(chǎn)品,。當(dāng)然GE在使用過程中會(huì)不斷反饋新的信息,，所以現(xiàn)在新出來的2000R性能有些升級(jí)變化的。
   
（PPT圖示）這是我們現(xiàn)在新出來的一款,，也叫M2,，加了Z軸重復(fù)定位，振鏡改水冷,，性能得到了提升,。這里面有一些細(xì)節(jié)，最開始打印的時(shí)候不斷有煙進(jìn)入過濾器,，逐步堵塞,，這里面加了一個(gè)相當(dāng)于傳感器，后面的氣泵可以通過變頻來調(diào)節(jié),，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)流速或者流量降低的時(shí)候就可以調(diào)整,。這樣從基板開始加工，一直到部件最高部的時(shí)候,，所有通的氬氣量或者氮?dú)夤��?yīng)量是同樣的,，這樣能夠保證質(zhì)量的一致性。

   

（PPT圖示）這個(gè)材料我不多說了,，我們收購了一個(gè)加拿大的公司,，它是世界上做鈦粉最大的公司，一年大概產(chǎn)750噸的鈦粉,，占總粉量大概70%。當(dāng)然里面也有一些鎳基合金粉末,，比如718,，另外也有馬氏體鋼， 應(yīng)該就是高鎳合金鋼,。
   
到目前為止,，我們已經(jīng)打印了23500個(gè)件,，到2019年底的時(shí)候，年產(chǎn)量接近40000個(gè)件,，不斷增加,。

   

（PPT圖示）這里提到了關(guān)于認(rèn)證的部件，噴嘴是第一個(gè),，另外兩個(gè)我們也申請了,，得到認(rèn)證了，同時(shí)還有20個(gè)部件在認(rèn)證中,，應(yīng)該沒有太多的懸念,。
   
這是波音在787上面的3D打印，Arconic是美國鋁業(yè)分出來的,， 這個(gè)件他們是打了用于獵戶座飛船,，另外是GE民用發(fā)動(dòng)機(jī)要求非常高，一個(gè)是民用,，一個(gè)是醫(yī)療植入,，這些對于部件的要求都非常高。

   

（PPT圖示）這些是應(yīng)用我們3D打印的一些合作伙伴,。
   
前面王教授提到了,，說他們當(dāng)時(shí)希望英國實(shí)驗(yàn)室做一些仿真模擬，現(xiàn)在GE收購了GeonX公司,，輸入我們機(jī)器的型號(hào),，在電腦里面模擬加工倉溫度分布和打印件的應(yīng)力分布。現(xiàn)在仿真度非常高了,，但僅是在GE內(nèi)部在用,。但至少這是一個(gè)方向，不需要每次打印出來實(shí)際看這個(gè)件,，我只要在電腦里面模擬就可以,。減少實(shí)際打印來驗(yàn)證的次數(shù)。
   
謝謝大家,。