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航空发动机鏖战正酣 3D打印应用成新战场

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航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”,涉及大量前沿学科和基础学科,其直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,已成为一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。
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目前,全球范围内能生产高性能航空发动机的企业屈指可数。数据显示,美国通用(GE)、美国普惠(P&W)、和英国的劳斯莱斯(Rolls Royce)这三家航空发动机制造厂商占据了全球七成的市场份额。通用和劳斯莱斯的竞争最为激烈。

如果说波音和空客是干线客机领域的双寡头,那么通用电气和劳斯莱斯/罗罗则是干线客机发动机市场的一对大鳄。作为英国主导的国际型企业,劳斯莱斯的发动机市场占有率与GE相当,最有名的当属RB-211型发动机。早在上世纪60年代,劳斯莱斯便开始了世界上第一台实用三转子涡轮风扇发动机,即RB211发动机的研制。

注:Rolls Royce即罗尔斯·罗伊斯(又称劳斯莱斯),是英国著名的航空发动机公司,也是欧洲最大的航空发动机企业,它研制的各种航空发动机广为世界民用和军用飞机所采用。罗尔斯·罗伊斯由英文Rolls-Royce翻译而来,也被译为“罗尔斯-罗伊斯”,简称“罗罗”。

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劳斯莱斯RB211发动机


而随着3D打印技术的不断发展,发动机制造正在与3D打印的进行创新性结合,这一点在航空发动机制造领域表现得尤为明显。实践证明,3D打印可很好的应用于飞机发动机零部件的生产,有效缩短发动机研发周期,并能提高材料利用率、优化结构、减轻重量和降低成本。

劳斯莱斯/罗罗(Rolls Royce)与3D打印

3D打印是劳斯莱斯正在利用的关键新技术之一。早期劳斯莱斯就已将LENS(激光工程化净成形)技术用于RB211发动机涡轮叶片冠部阻尼面钴基耐磨合金涂覆层的强化处理,并提出了6项专利申请,涉及LENS技术的装置、喷粉嘴、工艺和应用。

注: LENS(激光工程化净成形技术,Laser Engineering Net Shaping),3D打印技术的一种,亦可称为“激光近形制造技术”、“激光近净成形技术”或“工程化净成形技术”,它的工艺原理是将选择性激光烧结(SLS)技术和激光熔覆(Laser Cladding)技术相结合,快速获得致密度和强度均较高的金属零件。
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劳斯莱斯RB211发动机

根据欧洲航空安全局于2014年公布的Part-66飞机维修牌照的飞机类别评级显示,RB211发动机就已搭载于包括波音、洛克希德马丁和TUPOLEV公司在内的14架机型上。

此外,在澳洲航空(QANTAS AIRWAYS)的航空队中,仅2006年的统计就有21架波音747-438、5架波音767-336ER和2架波音767-336装备了劳斯莱斯RB211发动机。

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澳洲航空部分机型

值得一提的是,2015年,劳斯莱斯通过与英国制造技术中心(MTC)所属的新国家増材制造中心合作,利用3D打印技术制造出了有史以来首个最大的民用航空发动机组件——Trent XWB-97发动机,该发动机亦被业界誉为“世界上最高效的民用飞机发动机”,已搭载于空客A380机型上。使用3D打印技术去制作这样一台复杂而又精良的发动机,也再一次证明了劳斯莱斯所掌握的3D打印技术已经达到世界顶尖水平。参与该项目的还有谢菲尔德大学和3D打印专家Arcam公司。Arcam公司的电子束的仪器被用于生产叶片。MTC对钛粉进行分析,结果可供在组装之前评估组件的完整性,这对于了解如何回收钛粉和如何识别工艺过程中的缺陷有重要意义。

根据劳斯莱斯官网显示,目前劳斯莱斯已将3D打印的零部件和新材料引入到了Advance3发动机的生产之中。据悉,Advance3共包含约20000个零部件,测试时长已超过100小时。报告显示,由3D打印技术和陶瓷基复合材料制成的零部件表现出了十分优异的性能。劳斯莱斯方面称:“Advance3将会开拓民用航空航空的未来。”

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劳斯莱斯正在其未来的发动机项目中引入陶瓷基复合材料


美国通用电气(GE)与3D打印
与劳斯莱斯相比,美国通用在3D打印应用方面有过之而无不及。早期,通用在LENS技术的专利申请上也卓有成就。如今,通用电气航空公司运营着一个三座足球场规模的增材制造技术中心,内有90台3D打印机和300名员工。通用已为最畅销的LEAP喷气发动机等机器出货了超过25,000个3D打印零件,并带来了超过2000亿美元的订单。

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GE航空集团 3D 打印的燃料喷嘴


2018年可以说是GE发动机发展史上的里程碑之年,这一年GE取得了一系列突破性进展,包括旗下公司Affinity的涡扇发动机、单轴涡轮轴发动机T901、Catalyst涡轮螺旋桨发动机和GE9X涡轮风扇发动机……在这些发动机的零件制造方面大量的应用了3D打印技术。
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GE Affinity涡扇发动机


同年(2018年),GE已完成了半个世纪以来首个商用喷气式飞机专用超音速发动机和首个民用超音速发动机的初步设计。3D打印技术亦应用其中,据悉该发动机能够满足Aerion AS2的超音速飞行要求。

此外,GE宣布美国联邦航空管理局(FAA)已批准3D打印支架用于GEnx-2B发动机,该支架将取代传统制造的电动门打开系统(PDOS)支架。GEnx 发动机是GE航空生产的一款先进的双转子轴流式大涵道涡轮风扇发动机,使用于波音787、747-8及空中客车A350。将安装3D打印支架的GEnx-2B发动机使用于波音747-8机型。3D打印的PDOS支架作用是打开和关闭发动机的风扇罩门。GE表示,与传统制造方式制造的支架相比,3D打印技术将减少高达90%的材料浪费,传统支架的制造中,因金属加工而产生的材料浪费约占50%。据悉,这款3D打印支架是GE第一个获得认证的由Concept Laser 选区激光熔融设备生产的3D打印零件,也是GE航空第一次在10个月内完成一种3D打印零件的开发项目。

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GE航空获得FAA 批准的3D打印支架

3D打印技术除了在发动机零部件生产中发挥着巨大作用外,在优化和修复中更有不可替代的地位。就目前情况而言,金属3D打印技术在修复成型方面所表现出的潜力甚至高于其制造本身。

以飞机发动机上的高性能整体涡轮叶盘零件为例,当盘上的某一叶片受损,则整个涡轮叶盘将报废,直接经济损失价值在百万之上。较之前,这种损失可能不可挽回,令人心痛,但是基于3D打印逐层制造的特点,只需将受损的叶片看作是一种特殊的基材,在受损部位进行激光立体成型,就可以回复零件形状,且性能满足使用要求,甚至是高于基材的使用性能。由于3D打印过程中的可控性,其修复带来的负面影响很有限。

2014年,中国航材院就成功使用3D打印技术修复了RB211涡轮导向叶片和PW4000扩散机匣。这是国内首次用3D打印技术成功修复航空发动机关键件,标志中国3D打印技术获得了重大进展,中国跻身于能用3D打印技术修复航空发动机关键件的少数国家行列。

传统制造技术适用于大批量成型产品的生产,而3D打印技术则更适合定制化和精细化结构产品的制造。将3D打印技术和传统制造技术相结合,各取所长,充分发挥各自的优势,使制造技术发挥更大的威力。3D打印应用于飞机发动机这一高精尖领域,既是对其成型工艺和终端产品性能的肯定,也在一定程度上加速3D打印由小众到大众的市场化推广。作为科技创新和工业4.0的重要组成部分,3D打印在为全领域注入新鲜元素,将科技、创新、智能制造有机结合,开创智能制造新时代。


来源:3D帝国网
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