通用增材业务刘志刚：2019年GE航空将3D打印近40000个金属件

前不久时间，南极熊在通用电气航空集团增材业务北区总监刘志刚的带领下，参观了北京GE大楼，深深感受到这个电气巨头（美国发明大王爱迪生是其创始人）为人类科技的进步而做出的贡献。

在3D打印领域，凭借收购的两家金属3D打印企业，GE已经变为全球最大最具竞争力的公司。甚至有不少业内人士纷纷预测，以后，3D打印产业，将是传统工业巨头的天下。

下面，南极熊带你阅读通用电气航空集团增材业务北区总监刘志刚，在杭州·2018年中国增材制造大会上的主题演讲。

刘志刚：各位领导，各位业界的朋友，今天非常感谢三院，尤其是159，邀请我来做航空应用的分享。我也注意到，很多关于GE的应用前面的演讲嘉宾已经涉及到了，所以我会讲的快一点。因为以前跟业界朋友沟通过程中，他们对技术细节非常了解，中国增材制造的发展在世界上也是在前面的，所以他们更关注应用，所以我讲的内容绝大部分是关于应用的案例。

    先放一个视频，是关于最新的增材制造模型最大的发动机，这个发动机是指它的通道面积最大。大家可以注意到，前面的叶片只有16级，现在大家都在开发大涵道比的发动机，它的效率在亚匀速的情况下是比较高的。为什么我要放这个视频呢？因为在这个视频上是在最先进、最大的发动机上有270多个构件都是通过3D打印打印出来的，而且有几个是航空发动机最核心的。在业界有很多人都在做3D打印，但是GE从接触3D打印第一天开始就是从关键部件开始，所以是从高起点开始的。

   

首先前面部分先讲一下增材业务，就是航空增材制造在航空业的增长。6月23号的时候我们也做了一个医疗论坛，在论坛中我们中国区总经理陈总也给大家讲了一个图片。里面提到了增材制造在哪些行业里面是目前应用最广泛的或者最主要的市场在哪里，主要有三个市场，第一是航空，第二是医疗，第三是汽车制造，当然目前最主要还是用在航空方面，民用航空应用占到50%。从市场角度来看，增材制造在航空领域从18年到23年，每年大概增长22%，数量是相当可观的。（南极熊3D打印网编辑发布。）
   
为什么说增材制造会在航空这么高端的领域里面得到应用呢？最主要由几个方面的价值决定了增材制造在航空领域得到应用。首先是成本的降低，包括发动机燃料喷嘴也只是在喷嘴头部，这部分是用增材制造来制造的。但是整个件打出来并不经济，所以是增材制造和和传统制造相配合，它的效益是最高的。另外是简化供应链，因为越复杂的部件涉及的环节越多，供应环节的长度决定了供货的周期和成本。另外一个是关于产品性能，因为通过3D打印可以作出以前传统制造做不出的部件，这样可以提升力学性，提高产品的热力学性能，同时由于零部件数量的减少，使得耐用度也会提高。第三，前面提到了供应链问题，因为3D打印的设计以后甚至在设计新产品阶段，迭代速度要远超于传统的加工。最后是关于小批量的生产，比如设计某一些型号，以前非民用的产品可能需要12个月甚至更长的时间，但现在可能只要6个月时间就能开发出新的型号，这里面包括相当长的时间做设计。如果用一个简单的说法，基本上你看到别人做什么了你就可以做出来，可见即所得。

   

（PPT图示）这个图是在航空里面两个最关键的因素决定了应用，第一个图大家见的比较多了，因为3D打印的特性决定了打印件设计的复杂程度跟它的成本，实际上没有太大的关联性。但是对于传统制造来说，通常来说部件越复杂制造成本就越高。所以这是一个设计复杂性跟成本之间的关系。第二谈到供应链的简化，比如现在很多3D打印企业买了3D打印机，自己到工厂里面去打印，当然后面还要借助传统的加工。但是按照以前要开模、铸造，是很长的工艺流程，零件的数量、参与的工艺厂家、设计的界面、维修保养等等，就远远复杂于现在用3D打印去做。

   

（PPT图示）这里可能大家比较关心到底飞机上哪里适合用3D打印，前面商飞的也进行了介绍，包括飞机的部件和系统，包括一些构件，机身的构件、内部的饰件、二级的结构件，当然最核心的是在引擎部件。其它的航天卫星部件，国内在这块了解深度非常深了，当然还有一些军用的，包括无人机。关于维修我后面还会提到，会有一个例子。

   

下面我讲一下应用实例。在开始应用实例之前，还是要讲一下这个图，为什么我想分享一下GE的增材制造之旅呢？是我看到的GE在今天3D打印领域有大量的投入或者使用的程度到了这个程度，中间是经历了一个过程的。GE从2010年开始介入做3D打印，一直到真正大规模去推动，中间大概花了至少5年以上时间才有了这么大的变化。这中间包括作出第一个LEAP发动机燃油喷嘴也好，包括后面低压透平叶片也好，这中间GE公司也曾经对增材制造能够多大程度应用于航空领域是有疑问的。但为什么能够突破？A-CT7，是这款是GE公司把它拿出来当做一个验证件打的，打成功对GE是一个非常大的鼓舞，其实是从这里面吸取的经验。功率也提高了百分之几十。前面商飞同志也提到了，还有ATP，这实际上是给美国公司做小型公司的，2019年会做试飞，内部测试已经完成。当大家看增材的时候也不仅仅是看哪个件可以用增材来做，我跟我们公司的人员沟通，他们会提出不要老想替换一个件，更多是抛开以前的设计，GE以前开使用3D打印的时候，做3D打印研发设计组跟传统的设计组在一起工作，所以进度非常慢，后来直接强制分开工作。 由比如学材料专业和空气动力学的人单独去设计零部件，这样才真正有收获。不管航空也好、航天也好，归根到底是材料学，航空集团有2000多个材料工程师，在国内哪个公司里面有这么多人做材料研究？

   

这是9X发动机，有270多个部件是3D打印，其中有两个大家最关心的，就是LEAP发动机喷嘴，另外是发动机低压级五六级叶片，我们用的是电子束打印技术打印的，因为伽玛钛铝有在低温度下加工很容易催裂，这样电子束加工的过程就有一个退火去应力的过程。这些热通道的部件除了基础金属要耐高温，还需要隔热涂层以及内部的冷却内流道等才能耐受高温气体。 但由于电子束打印无法打印很小的流道，所以事实心，当然到了透瓶低压段5-6级， 温度已经充分降低，所以3D打印的叶片目前只能放到五到六级。

  

LEAP发动机前面商发专家也讲过了，昨天我们以前的CEO老莫也讲到。我现在给大家讲讲为什么LEAP发动机喷嘴要用3D打印？它非常复杂，真正3D打印就是上面一个小嘴，但同时可以打很多个，为什么它这么复杂呢？这种燃料喷嘴叫TAPS，它看起来是一个口，其实最里面有一个通道，最里面还有一个通道，里面有燃料和空气的混合，外圈有燃料，同时还加漩流的空气混合。内部属于扩散燃烧， 但扩散燃烧火焰w温度相对高更高，实际上在高温下将氮气氧化了，但是外面预混燃烧的时候，可以降低它的燃烧温度。所以内部只是辅助的，火焰比较稳定，外部是主燃料流道，但外部主燃烧是预混装置。这里面真正最细的地方，以前都是用焊接或者钎焊。 但研发新leap发动机用传统工艺尝试了8次都失败了，用3D打印就成功了。

  

我们做了关于库存量、全生命周期的成本，包括制造成本以及部件的重量，这些具体数据我不提了。除了看初次打印成本之外，更多也要看全生命周期的成本，这样就可以综合去考虑。

   

（PPT图示）这是刚才提到的ATP，不光在重量上有一定的提升，燃油效率上能提高20%，原来有2500多个零件，但现在三分之一的零件都是通过3D打印实现的。这个19年要试飞了，已经在GE工厂设置过了。

   

（PPT图示）这也是A-CT7的部件，不管是在部件数量上还是对于需要借用的资源上来说，都会减少很多。

   

（PPT图示）T901，以前我们打A-CT7的时候只是作为一个验证，现在美国军方发动机已经换这一款了。

   

（PPT图示）再讲一下火箭发动机的部件，这是NASA部件，我不太清楚美国将来是不是真的有这么多钱去做，但在新的发动机上确实用了3D打印。一个火箭，一个刚性的物体在振动的过程中像面条一样抖动，只要有一个激励源，当燃料系统推进剂管路的脉动频率接近火箭固有频率的时候就会产生剧烈振动，这里面需要做减震器，接到推进器剂管路里面来，来改变它的频率，降低它的振动，并不能完全根除这个振动，更多是降低，避开这个频率。9个月的时间可以缩短成9天，我个人想它应该也用3D打印打了别的件，因为发动机比预期高了15%。
   
有一家特别有名的做电动汽车的公司，他们也发射火箭，他们火箭中也用我们M2机器打印了部件，但是由于种种原因要求我们撤掉了宣传。

   

（PPT图示）再讲一下关于EBM的应用，这三个东西是油嘴分离器。对重要的是钛铝叶片，重量能减少50%。另外是燃油效率，提高了10%对于航空公司来说，因为对燃油的消耗是它利润的根本。

   

前面我提到了关于一些旧设备的翻新如何去应用3D打印，实际上P51野马战斗机最早美国是帮英国人去设计生产的，后来自己开始用了。这么多年目前还有150多架在使用，跟老爷车一样，可能是怀旧吧。（PPT图示）这个结构实际上是喷气口，也比较简单，二战的时候实际上比较粗糙。它以前是焊接的，316不锈钢，现在通过3D打印可以减少焊缝，而且两天就可以打印出来，但如果没有部件的供应飞机很难飞上天。所以我们也在想有什么旧的设备去翻新，可以定制化的去应用3D打印。

   

（PPT图示）仿真支架不多讲了，对于国内来说非常简单。这实际上是美国很小的一个初创公司，它想做射频阵列天线，以前非常复杂，但是现在通过3D打印减轻了95%，也是非常大的一个成功。

   

（PPT图示）这是硬广告部分，我们的设备首先满足公司里面的生产，性能要求反馈到生产车间，然后再去改进机型，这样不断迭代。上面我挑出来几款EBM的机器，最早是通过黑色这台A2X打的，现在我们新出了Spectra H，出发点是航空应用。另外这个Q20+很适合打一些钛合金航空件，国内有两台。下面是激光的M2，现在国内一些用户在用，它的特别的特性是很多机器不能够实现的，比如前面王教授提到了燃料喷嘴里面的内流道，这是不可能做机加工的，很小，而且非常复杂的内部结构。 当然有人会在内部做一些类似电镀方面的处理，让它变得更光洁，我们没有办法加工。那M2机器为什么可以打出精细流道， 它又一套振镜可以调节焦距，改变光斑的大小，这样打部件内部的时候可以用大光斑，提高了生产效率，但是到了表面就可以调成小的光斑，这样可以打出更加精细的表面来。如果应用不是特别高的时候，就可以使用这个，不用再加工了。MLINE是专门针对批量生产研发的设备，主要是提高效率。XLINE2000R是目前市面上真正被广泛应用的最大一款激光喷射设备，国内也有，在国外大概50多台。这款GE工厂先期拿了6台在用，可能有十几台，用于打印航空自己的产品。当然GE在使用过程中会不断反馈新的信息，所以现在新出来的2000R性能有些升级变化的。
   
（PPT图示）这是我们现在新出来的一款，也叫M2，加了Z轴重复定位，振镜改水冷，性能得到了提升。这里面有一些细节，最开始打印的时候不断有烟进入过滤器，逐步堵塞，这里面加了一个相当于传感器，后面的气泵可以通过变频来调节，当它发现流速或者流量降低的时候就可以调整。这样从基板开始加工，一直到部件最高部的时候，所有通的氩气量或者氮气供应量是同样的，这样能够保证质量的一致性。

   

（PPT图示）这个材料我不多说了，我们收购了一个加拿大的公司，它是世界上做钛粉最大的公司，一年大概产750吨的钛粉，占总粉量大概70%。当然里面也有一些镍基合金粉末，比如718，另外也有马氏体钢， 应该就是高镍合金钢。
   
到目前为止，我们已经打印了23500个件，到2019年底的时候，年产量接近40000个件，不断增加。

   

（PPT图示）这里提到了关于认证的部件，喷嘴是第一个，另外两个我们也申请了，得到认证了，同时还有20个部件在认证中，应该没有太多的悬念。
   
这是波音在787上面的3D打印，Arconic是美国铝业分出来的， 这个件他们是打了用于猎户座飞船，另外是GE民用发动机要求非常高，一个是民用，一个是医疗植入，这些对于部件的要求都非常高。

   

（PPT图示）这些是应用我们3D打印的一些合作伙伴。
   
前面王教授提到了，说他们当时希望英国实验室做一些仿真模拟，现在GE收购了GeonX公司，输入我们机器的型号，在电脑里面模拟加工仓温度分布和打印件的应力分布。现在仿真度非常高了，但仅是在GE内部在用。但至少这是一个方向，不需要每次打印出来实际看这个件，我只要在电脑里面模拟就可以。减少实际打印来验证的次数。
   
谢谢大家。