通用GE公司的3D打印應用研發(fā)之路

文 | 中國機電工業(yè)雜志記者 馬安越
5月15日，上海浦東,，晴。

GE中國研發(fā)中心的工程師們仍在埋頭研究3D打印技術,。就在這之前,，他們剛剛用3D打印機成功“打印”出了航空發(fā)動機的重要零部件。與傳統(tǒng)制造相比,，這一技術將使該零件成本縮減30%,、制造周期縮短40%。來不及慶祝這一喜人成果,，他們就又匆匆踏上了新的征程,。鮮為人知的是，他們已經“秘密”研發(fā)3D打印技術十年之久了,。

GE為什么要研究3D打印技術,？GE是如何實現(xiàn)上述成果的？GE又打算將這一技術應用在哪些領域呢,？

十年研發(fā)路
話還要從頭說起。
十年之前,，也就是2003年,。那時，3D打印技術遠沒現(xiàn)在這么火熱,，GE中國研發(fā)中心就意識到了這一技術的廣闊前景,，并專門組織團隊去研究這一技術。

GE看到了什么呢,？
GE看到的是未來和變革,。在GE看來，在一些領域,，3D打印技術能夠有效克服傳統(tǒng)設計和制造的不足,，甚至帶來設計上的變革。舉例來說,，某些零件只有設計成非常復雜的形狀才能達到性能的最優(yōu),，比如更強的機械性能、更輕的重量等,。而過于復雜的形狀對于傳統(tǒng)制造技術,，無論是鑄造、鍛壓或者切削加工而言，都很難實現(xiàn),�,；蛘哒f，即使能夠實現(xiàn)也要付出巨大的代價,。

比如說,，不規(guī)則的蜂窩狀才能實現(xiàn)某一零部件的最佳性能，而傳統(tǒng)制造卻很難實現(xiàn),。無奈之下,，研發(fā)人員只能按照傳統(tǒng)制造技術容易實現(xiàn)的幾何形狀去重新簡化設計。這種簡化包括將復雜的零件拆成幾個零件,，分別制造好之后組裝在一起,；也包括將一些很難加工的幾何形狀簡化成容易加工的形狀，從而使得傳統(tǒng)技術能夠制造出這樣的零件,。毫無疑問,，這些都是對零件綜合性能的一種妥協(xié)。

性能的妥協(xié)是一方面,，材料的使用量也會隨之而增加,。對于像航空發(fā)動機這樣的領域，零件的減重往往是設計和制造工程師們持之以恒追求的目標,。因為每減輕一公斤的發(fā)動機重量,，所帶來的燃油排放的貢獻都是非常巨大的。

除此之外,，眾所周知,，航空發(fā)動機里形狀復雜的零件又很多，傳統(tǒng)的設計理念和制造技術面臨越來越多的挑戰(zhàn),，而3D打印正是能夠從根本上解決傳統(tǒng)設計理念和制造技術所無法解決的問題,。正是基于這樣的出發(fā)點，GE于2003年正式啟動了3D打印的項目研發(fā),，所針對的對象就是航空發(fā)動機中制造難度大的零件,，力圖通過3D打印技術將零件的開發(fā)和制造成本大幅度降低，同時顯著縮短產品的開發(fā)周期,。

3D打印技術有幾種不同的技術路線,，而GE中國研發(fā)中心主要從事的是激光燒結技術。該技術是以激光為熱源對粉末壓坯進行燒結的技術,。據(jù)了解,，傳統(tǒng)的3D打印技術往往只能打印塑料等材料，而激光燒結技術的一大優(yōu)勢就在于可以打印金屬材料,。也就是因為這一點,，外界才會認為3D打印技術有可能顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)。

其實，在這一技術上GE并不是從頭做起,。簡單的說,，利用這一技術，如果將粉末壓坯燒結成立體的零部件,，外界稱之為3D打印,。如果將粉末壓坯只燒結成一個平面并應用在表面修復上，業(yè)界稱之為激光熔覆技術,。

某種程度上,，激光熔覆技術和3D打印技術原理上非常類似。與傳統(tǒng)堆焊,、噴涂,、電弧焊以及電鍍等修復和表面工程技術相比，激光熔覆技術可以使涂層材料與原來的基體材料的表面有效的結合,，從而顯著改善基層表面的耐磨,、耐腐蝕、耐高溫程度,。

據(jù)業(yè)內專家介紹,，國內的不少企業(yè)都已經掌握了激光熔覆技術。在現(xiàn)實中,，這一技術也早已得到了廣泛的應用,。如，汽車發(fā)動機的閥門總是一張一合,，非常容易壞,。熔覆上一層其他材料后，壽命就會明顯提高,；很多機床的刀具上也是熔覆了一層其他堅固的材料，從而有效提高了刀具的強度,；鋼鐵廠的軋輥工作環(huán)境十分惡劣,，用該技術熔覆上一層耐高溫材料后，性能會顯著提高,。眾多模具內部的損害往往也是靠該技術去修復,。可以說,，該技術的應用范圍和應用前景都非常廣泛,。

GE在激光熔覆技術上也已經有了超過20年的應用歷史了。據(jù)GE的研發(fā)人員介紹,，GE在新加坡有一個發(fā)動機葉片的維修工廠,，每年要用激光熔覆技術修復的發(fā)動機葉片就高達上萬個。與傳統(tǒng)的修復技術相比，該技術顯著提高了修復的速度和成本,。

真實應用前景
在激光熔覆等技術的基礎上,，GE的科學家們又踏上了研究3D打印技術的征程。他們或許沒有想到的是,，彈指一揮間,，十年就匆匆飛逝。

為什么這么慢,，難在哪里,？
這其實就涉及到了3D打印的核心競爭力。雖然以GE為代表的眾多企業(yè)都掌握了激光熔覆技術,，雖然這一技術和3D打印技術原理類似,，但兩者在難度程度上大有不同。在業(yè)界專家看來,，激光熔覆技術畢竟只是平面二維的技術,，對控制、軟件,、運動,、材料、激光技術等要求都比較低,，而3D打印技術要打印的零部件往往極其復雜,，對各方面要求非常高。

那什么才是3D打印的核心競爭力,？
GE的一位研發(fā)人員告訴《中國機電工業(yè)》,，任何一項制造技術的基礎都是裝備，3D打印技術也不例外,。技術裝備在3D打印中起著舉足輕重的作用,，是這一技術的“硬件”�,！肮び�善其��,，必先利其器”，沒有好的工具,，也很難制造出好的產品,。在這一點上，GE本著自己一貫的堅持——選用最好的激光器,，最好的數(shù)控系統(tǒng),，采用嚴格的材料供應制度，以確保技術裝備的先進性,。但光有裝備還遠遠不夠,。

相對于作為技術基礎的裝備而言,，在GE的該研發(fā)人員看來，以先進設計理念,、運動控制技術,、材料科學掌控、激光控制為核心的工藝開發(fā)能力才是其金屬3D打印的核心競爭力所在,。

同樣的設備,，不同的人使用所制造出來的零件會有天壤之別，這背后的關鍵就是對工藝的理解和掌握,。據(jù)記者了解,，國際知名金屬材料3D打印龍頭企業(yè)EOS，它的設備的核心部件比如軟件系統(tǒng),、激光掃描頭,、機械系統(tǒng)等都是采購或者委托制造的。EOS的核心技術就在于它是怎樣把這些系統(tǒng)集成起來,，根據(jù)所開發(fā)的工藝參數(shù)找到最佳的匹配關系,，而GE所關注的也正是如何在使用最先進的硬件設備的前提下不斷提高自己的工藝開發(fā)水平，使之能夠制造出滿足使用要求的零件,。

毫無疑問,，任何一個工藝性的技術都是一個積累的過程。有國內專家指出,，國內也有企業(yè)能用3D打印機打印出零部件,，但性能會差很多�,！安荒苷f拿來一個設備,，兩天就能做出世界一流的產品。很多時候就像愛迪生一樣,，試了幾千次才能找出做出好的照明燈的方法,。”

“一天,、兩天,，一個月、兩個月,，一年、兩年,，你背后積累的知識庫越來越大,、越來越雄厚時，才能支撐你達到你想要的目標,�,！�

在十年的時間里,，GE中國的研發(fā)人員通過不懈努力、針對GE的產品零件,，在系統(tǒng)設計,、工藝開發(fā)、運動控制,、材料數(shù)據(jù),、激光控制等多方面不斷探索，總結成功和失敗的經驗,，積累了大量的經驗,。

“十年磨一劍”，正是依靠這些深厚的積累,， 他們才能夠成功地將鈦合金材料打印成飛機發(fā)動機風扇葉片的前緣,。與原來傳統(tǒng)制造工藝相比，由于3D技術不用開模,、沖壓,、切削和組裝，據(jù)GE內部自己的評估,，這將能降低約30%左右的生產成本,、縮短40%的制造周期。同樣重要的是,，傳統(tǒng)制造工藝的材料利用率只有10%~20%左右,，而3D打印技術卻可以大幅度提高材料的使用效率。

而就在GE中國研發(fā)中心埋頭鉆研3D打印技術的同時,，GE美國總部也在緊密的觀察著這一技術,。它們發(fā)現(xiàn)了一家名叫Morris Technologies的3D打印創(chuàng)業(yè)公司。這家企業(yè)規(guī)模并不大,，只有130名員工,，卻在3D打印核心的工藝技術開發(fā)上積累了多年。如今,，它們已經有實力利用激光燒結技術將多種金屬材料打印成各種復雜的零部件,。

2012年11月20日，GE成功的將這家企業(yè)收入囊中,。緊接著,，GE利用這一技術生產了LEAP航空發(fā)動機上的噴嘴。據(jù)《麻省理工科技評論》報道,，在這一發(fā)動機噴嘴上,，3D打印的陶瓷矩陣可以有效提高發(fā)動機的散熱效率，降低發(fā)動機的工作溫度,，從而不再需要原來的額外散熱部件,，以往用于降溫的那部分空氣也可以直接用于燃料燃燒,，效率提高非常明顯。據(jù)稱,，GE已經計劃用3D打印技術批量生產25000個這樣的噴嘴,，并于未來投入使用。

除此之外,，據(jù)報道,，GE還計劃將此技術應用于醫(yī)療機械、電力設備的零部件制造上,，而GE中國研發(fā)中心也正在積極評估這一技術在GE其他業(yè)務集團的應用可能性,。

那么，3D打印是否真的可以顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)呢,？
GE似乎不這么認為,。在GE的該研發(fā)人員看來，3D打印技術其實是傳統(tǒng)制造技術的提升和補充,。傳統(tǒng)的鑄造,、沖壓、切削在大批量生產時有自己成本上的優(yōu)勢,，而3D 打印技術也將在復雜結構以及特殊要求的地方找到用武之地,。

GE全球研發(fā)中心先進技術負責人邁克爾?埃德戚克也持同樣的觀點。其在接受《瞭望東方周刊》專訪時表示,，3D打印技術與傳統(tǒng)制造是一個融合的過程,。“傳統(tǒng)制造技術加工成一個毛坯,，然后用3D打印堆積其他附加件,。”在他看來,，3D打印將在一些高性能,、多品種、小批次的產品中發(fā)揮作用,。他甚至預測,，三年內，3D打印將在航天,、醫(yī)療等領域應用,，之后隨著技術的進一步完善，成本的進一步降低,，該技術將在更多的領域得到應用,。