助力波音777X首飛成功的GE9X發(fā)動機有何“過人之處”,？先從3D打印說起

來源：GE 中國

2020年1月25日（美國時間）,，搭載了兩臺GE9X發(fā)動機的波音777X飛機在華盛頓州埃弗雷特的佩恩機場起飛,，順利完成其首飛,！相信很多人都已知曉這一令人期盼已久的消息,。從2013年起，GE航空集團就開始了GE9X的設(shè)計與測試工作,。為籌備這次首飛,，GE航空集團已經(jīng)在其加州維克多維爾市的波音747空中試車臺上對GE9X進行了72次飛行測試，共計超過400飛行小時,。截至到目前,，GE9X已經(jīng)完成了超過4,100小時的地面與空中測試以及6,500次發(fā)動機循環(huán)。

波音777X在空中的靚影,。圖片來源：波音

雖然GE9X還未正式投入商用,，但已獲得了諸多肯定。GE9X在去年獲得了吉尼斯世界上推力最大發(fā)動機的紀錄,；是GE航空史上燃油效率最高的噴氣發(fā)動機,，燃油消耗低于競品10%；擁有直徑134英寸的最大尺寸前風(fēng)扇,、復(fù)合材料風(fēng)扇機匣和16片第四代碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片……除了這些硬核優(yōu)勢,，還有一個史無前例的創(chuàng)新性舉措——使用3D打印零部件，本期我們就來從GE9X發(fā)動機的3D打印零部件說起,。

Stefka Petkova大學(xué)畢業(yè)就加入了GE,，現(xiàn)在作為GE航空集團的一員，她和她的團隊正在為GE9X設(shè)計開發(fā)并準備投產(chǎn)3D打印的部件,。

2014年,，Petkova就職于位于俄亥俄州辛辛那提市GE航空集團的總部。當(dāng)時GE航空開發(fā)了首批3D打印零部件,，包括用于CFM LEAP噴氣發(fā)動機的燃油噴嘴和用于GE90的傳感器外殼,，Petkova對這項技術(shù)深感著迷。現(xiàn)在,，Petkova在俄亥俄州西切斯特GE航空的增材制造科技中心（ATC）工作,，這里距離GE航空的總部只有很短的車程。

ATC聘請了來自GE航空,、GE增材制造的數(shù)百名工程師,、設(shè)計師和工人，它也許是全球最大,、最先進的3D打印機構(gòu),。GE航空負責(zé)增材制造的總經(jīng)理Eric Gatlin說：“在ATC，我們進行的許多工作都是初次探索,，這在一定程度上也激發(fā)了我們的熱情和動力,，形成了一股特有的文化氛圍”。

空中試車臺上的GE9X發(fā)動機

毫不夸張,，在這里工作的很多工程師,，包括剛畢業(yè)不久的年輕人都沒有在學(xué)校里學(xué)習(xí)過增材制造,。這項技術(shù)才剛剛起步，但這并沒有影響工程師們迅速掌握這一技術(shù),，同時幫助GE的其他部門迎頭趕上,。

在ATC，工程師們可以設(shè)計出形狀最理想的零件,，然后直接通過計算機文件打印出來,。增材制造通過激光或電子束將薄層金屬粉末熔融在一起，從而打印出最終產(chǎn)品,。它可以讓工程師們制造出從前成本過于昂貴或無法用傳統(tǒng)方法制造的形狀,，比如沖壓或鑄造制造工藝。ATC的現(xiàn)場負責(zé)人Antroine Townes說：“增材制造的獨特之處和價值在于設(shè)計的靈活性和創(chuàng)新的速度,。過去,，設(shè)計師們受困于既有的制造方法。現(xiàn)在你可以不考慮這些限制,，設(shè)計最適合發(fā)動機的零件,，而不是最容易制造的東西�,！�

Petkova和他們的同事們積極協(xié)助3D打印零部件批量生產(chǎn)的準備工作,，他們確定制造流程，并將制造工作轉(zhuǎn)移到GE航空位于阿拉巴馬州奧本市的增材制造工廠,。另外,，他們也和GE9X的設(shè)計人員緊密合作，以幫助他們在發(fā)動機持續(xù)產(chǎn)生測試結(jié)果的情況下,，快速且低成本地改進計劃,。

GE9X將300多個發(fā)動機部件組合成7個3D打印的部件，其中包括能精確地讓燃料和空氣的混合物進入燃燒室的燃油噴嘴,、低壓渦輪葉片和熱交換器,。另一個是導(dǎo)流器，它能讓發(fā)動機排出吸入的灰塵,、沙子和其他碎片，延長發(fā)動機的使用壽命,。這樣創(chuàng)新的設(shè)計很難被制造出來,，甚至于之前GE也從未在商用噴氣發(fā)動機中使用過。

“除了3D打印,，這樣的導(dǎo)流器無法通過其他任何方式制造,，”GE航空的高級制造工程師Zach Studt說。如此一來,，增材制造就為發(fā)動機在更大程度上創(chuàng)造了更好的性能表現(xiàn),，通過不同的制造過程交付更好的產(chǎn)品。未來，也許大部分的發(fā)動機都會裝配同款導(dǎo)流器,。

但增材制造的作用不止于此,。它不僅精確，而且考慮到所制造零件的復(fù)雜性,，它的生產(chǎn)速度還足夠快,。就拿燃燒室旋流器來說，它的工作原理就像汽車的化油器,，讓發(fā)動機在噴嘴中獲得準確的燃油空氣比,。過去，GE通過在模具中澆注熔融金屬來制造這些旋流器,，這個過程被稱為鑄造,。但是，制作模具的過程和工具不僅慢,，且造價高,，相對缺乏靈活性的工序讓設(shè)計師難以做出改進。3D打印在此時再次發(fā)揮了作用,。Studt說：“相比于許多傳統(tǒng)制造方式,，3D打印能讓我們更快融入新的設(shè)計流程中，而且我們不必在設(shè)計上做出妥協(xié),�,！�

這點非常重要。因為發(fā)動機的開發(fā)和測試工作是按照與飛機制造商商定的時間表來嚴格進行的,。對于GE9X而言,，飛機制造商便是波音公司。增材制造的優(yōu)點體現(xiàn)在,，當(dāng)來自第一臺測試發(fā)動機的測試結(jié)果出現(xiàn)時,，團隊能夠及時分析、深入了解,，并在第二臺測試發(fā)動機上進行相應(yīng)的設(shè)計改動,。Petkova說，“我們有許多不同的構(gòu)型,，我們學(xué)到最多的是如果使用3D打印之外的其他方式,，我們是無法趕上進度要求的�,！�

包括七個3D打印部件,。圖片來源：Alex Schroff

在ATC，團隊用Concept Laser提供的機器打印了GE9X的零件,，例如漩流器和導(dǎo)流器,。Concept Laser是一家德國公司,，于2016年被GE收購至增材制造部門旗下。低壓渦輪葉片是由Arcam打印設(shè)備制造完成的,，該公司也在2016年歸入GE旗下,。此外，Arcam還生產(chǎn)用于3D打印的金屬粉末,。Studt說,，“我們利用GE航空和GE增材制造同處一棟大樓的優(yōu)勢互幫互助，讓GE增材制造生產(chǎn)出業(yè)內(nèi)一流的機器,，還幫助GE航空集團制造出最好的發(fā)動機零件,。”

GE9X的各項取證測試即將全部完成,，預(yù)計在今年晚些時候?qū)�獲得適航認證,。目前，GE航空集團生產(chǎn)了8臺GE9X發(fā)動機及兩臺備發(fā)以支持波音的測試項目,。前3架飛機的發(fā)動機已順利交付,，剩余發(fā)動機將會在接下來的幾周內(nèi)交付至西雅圖。

除了GE9X發(fā)動機,，ATC的團隊正在和開發(fā)Catalyst的工程師們密切合作,，這將是30年來首個從零開始設(shè)計的新型渦輪螺旋槳發(fā)動機，他們采用3D打印技術(shù)將數(shù)百個發(fā)動機零件組合成十幾個左右的大部件,。