通用GE公司的3D打印應(yīng)用研發(fā)之路

文 | 中國機(jī)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?nèi)栽诼耦^研究3D打印技術(shù),。就在這之前，他們剛剛用3D打印機(jī)成功“打印”出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件,。與傳統(tǒng)制造相比,，這一技術(shù)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(jīng)“秘密”研發(fā)3D打印技術(shù)十年之久了,。

GE為什么要研究3D打印技術(shù)？GE是如何實(shí)現(xiàn)上述成果的,？GE又打算將這一技術(shù)應(yīng)用在哪些領(lǐng)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(shí)，3D打印技術(shù)遠(yuǎn)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(shù)的廣闊前景,，并專門組織團(tuán)隊(duì)去研究這一技術(shù)。

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(lǐng)域,，3D打印技術(shù)能夠有效克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的不足,，甚至帶來設(shè)計(jì)上的變革。舉例來說,，某些零件只有設(shè)計(jì)成非常復(fù)雜的形狀才能達(dá)到性能的最優(yōu),，比如更強(qiáng)的機(jī)械性能、更輕的重量等,。而過于復(fù)雜的形狀對于傳統(tǒng)制造技術(shù),，無論是鑄造、鍛壓或者切削加工而言，都很難實(shí)現(xiàn),�,；蛘哒f，即使能夠?qū)崿F(xiàn)也要付出巨大的代價(jià),。

比如說,，不規(guī)則的蜂窩狀才能實(shí)現(xiàn)某一零部件的最佳性能，而傳統(tǒng)制造卻很難實(shí)現(xiàn),。無奈之下,，研發(fā)人員只能按照傳統(tǒng)制造技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)的幾何形狀去重新簡化設(shè)計(jì)。這種簡化包括將復(fù)雜的零件拆成幾個(gè)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(shù)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(huì)隨之而增加,。對于像航空發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的領(lǐng)域，零件的減重往往是設(shè)計(jì)和制造工程師們持之以恒追求的目標(biāo),。因?yàn)槊繙p輕一公斤的發(fā)動(dòng)機(jī)重量,，所帶來的燃油排放的貢獻(xiàn)都是非常巨大的。

除此之外,，眾所周知,，航空發(fā)動(dòng)機(jī)里形狀復(fù)雜的零件又很多，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)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(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)所無法解決的問題,。正是基于這樣的出發(fā)點(diǎn)，GE于2003年正式啟動(dòng)了3D打印的項(xiàng)目研發(fā),，所針對的對象就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中制造難度大的零件,，力圖通過3D打印技術(shù)將零件的開發(fā)和制造成本大幅度降低，同時(shí)顯著縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,。

3D打印技術(shù)有幾種不同的技術(shù)路線,，而GE中國研發(fā)中心主要從事的是激光燒結(jié)技術(shù)。該技術(shù)是以激光為熱源對粉末壓坯進(jìn)行燒結(jié)的技術(shù),。據(jù)了解,，傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)往往只能打印塑料等材料，而激光燒結(jié)技術(shù)的一大優(yōu)勢就在于可以打印金屬材料,。也就是因?yàn)檫@一點(diǎn),，外界才會(huì)認(rèn)為3D打印技術(shù)有可能顛覆傳統(tǒng)制造業(yè),。

其實(shí)，在這一技術(shù)上GE并不是從頭做起,。簡單的說,，利用這一技術(shù)，如果將粉末壓坯燒結(jié)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(jié)成一個(gè)平面并應(yīng)用在表面修復(fù)上,，業(yè)界稱之為激光熔覆技術(shù),。

某種程度上，激光熔覆技術(shù)和3D打印技術(shù)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(fù)和表面工程技術(shù)相比,，激光熔覆技術(shù)可以使涂層材料與原來的基體材料的表面有效的結(jié)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(nèi)專家介紹，國內(nèi)的不少企業(yè)都已經(jīng)掌握了激光熔覆技術(shù),。在現(xiàn)實(shí)中,，這一技術(shù)也早已得到了廣泛的應(yīng)用。如,，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)明顯提高,；很多機(jī)床的刀具上也是熔覆了一層其他堅(jiān)固的材料，從而有效提高了刀具的強(qiáng)度,；鋼鐵廠的軋輥工作環(huán)境十分惡劣,，用該技術(shù)熔覆上一層耐高溫材料后，性能會(huì)顯著提高,。眾多模具內(nèi)部的損害往往也是靠該技術(shù)去修復(fù),。可以說,，該技術(shù)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景都非常廣泛,。

GE在激光熔覆技術(shù)上也已經(jīng)有了超過20年的應(yīng)用歷史了。據(jù)GE的研發(fā)人員介紹,，GE在新加坡有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的維修工廠,，每年要用激光熔覆技術(shù)修復(fù)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片就高達(dá)上萬個(gè),。與傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)相比，該技術(shù)顯著提高了修復(fù)的速度和成本,。

真實(shí)應(yīng)用前景
在激光熔覆等技術(shù)的基礎(chǔ)上,，GE的科學(xué)家們又踏上了研究3D打印技術(shù)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(shí)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(shù),，雖然這一技術(shù)和3D打印技術(shù)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(shù)畢竟只是平面二維的技術(shù),，對控制、軟件,、運(yùn)動(dòng),、材料、激光技術(shù)等要求都比較低,，而3D打印技術(shù)要打印的零部件往往極其復(fù)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(jī)電工業(yè)》,，任何一項(xiàng)制造技術(shù)的基礎(chǔ)都是裝備，3D打印技術(shù)也不例外,。技術(shù)裝備在3D打印中起著舉足輕重的作用,，是這一技術(shù)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(chǎn)品,。在這一點(diǎn)上，GE本著自己一貫的堅(jiān)持——選用最好的激光器,，最好的數(shù)控系統(tǒng),，采用嚴(yán)格的材料供應(yīng)制度，以確保技術(shù)裝備的先進(jìn)性,。但光有裝備還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,。

相對于作為技術(shù)基礎(chǔ)的裝備而言,，在GE的該研發(fā)人員看來，以先進(jìn)設(shè)計(jì)理念,、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),、材料科學(xué)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(shè)備,，不同的人使用所制造出來的零件會(huì)有天壤之別，這背后的關(guān)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(shè)備的核心部件比如軟件系統(tǒng),、激光掃描頭、機(jī)械系統(tǒng)等都是采購或者委托制造的,。EOS的核心技術(shù)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(guān)系，而GE所關(guān)注的也正是如何在使用最先進(jìn)的硬件設(shè)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(gè)工藝性的技術(shù)都是一個(gè)積累的過程,。有國內(nèi)專家指出,，國內(nèi)也有企業(yè)能用3D打印機(jī)打印出零部件，但性能會(huì)差很多,�,！安荒苷f拿來一個(gè)設(shè)備，兩天就能做出世界一流的產(chǎn)品,。很多時(shí)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(gè)月,、兩個(gè)月,，一年、兩年,，你背后積累的知識庫越來越大,、越來越雄厚時(shí)，才能支撐你達(dá)到你想要的目標(biāo),�,！�

在十年的時(shí)間里,，GE中國的研發(fā)人員通過不懈努力、針對GE的產(chǎn)品零件,，在系統(tǒng)設(shè)計(jì),、工藝開發(fā)、運(yùn)動(dòng)控制,、材料數(shù)據(jù),、激光控制等多方面不斷探索，總結(jié)成功和失敗的經(jīng)驗(yàn),，積累了大量的經(jīng)驗(yàn),。

“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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的前緣,。與原來傳統(tǒng)制造工藝相比，由于3D技術(shù)不用開模,、沖壓,、切削和組裝，據(jù)GE內(nèi)部自己的評估,，這將能降低約30%左右的生產(chǎn)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(shù)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(shù)的同時(shí),，GE美國總部也在緊密的觀察著這一技術(shù),。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(shù)開發(fā)上積累了多年。如今,，它們已經(jīng)有實(shí)力利用激光燒結(jié)技術(shù)將多種金屬材料打印成各種復(fù)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(shù)生產(chǎn)了LEAP航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的噴嘴。據(jù)《麻省理工科技評論》報(bào)道,，在這一發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴上,，3D打印的陶瓷矩陣可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)計(jì)劃用3D打印技術(shù)批量生產(chǎn)25000個(gè)這樣的噴嘴,，并于未來投入使用。

除此之外,，據(jù)報(bào)道,，GE還計(jì)劃將此技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)械、電力設(shè)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(shù)在GE其他業(yè)務(wù)集團(tuán)的應(yīng)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(rèn)為,。在GE的該研發(fā)人員看來，3D打印技術(shù)其實(shí)是傳統(tǒng)制造技術(shù)的提升和補(bǔ)充,。傳統(tǒng)的鑄造,、沖壓、切削在大批量生產(chǎn)時(shí)有自己成本上的優(yōu)勢,，而3D 打印技術(shù)也將在復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jìn)技術(shù)負(fù)責(zé)人邁克爾?埃德戚克也持同樣的觀點(diǎn),。其在接受《瞭望東方周刊》專訪時(shí)表示,，3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造是一個(gè)融合的過程�,！皞鹘y(tǒng)制造技術(shù)加工成一個(gè)毛坯,，然后用3D打印堆積其他附加件�,！痹谒�看��,，3D打印將在一些高性能、多品種,、小批次的產(chǎn)品中發(fā)揮作用,。他甚至預(yù)測，三年內(nèi),，3D打印將在航天,、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用，之后隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善,，成本的進(jìn)一步降低,，該技術(shù)將在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。