3D打印集成制造案例：從855個零件到12個零件的非凡效益
魔猴君 行業(yè)資訊 1971天前
GE Catalyst是世界上第一臺采用3D打印組件的渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計因為3D打印降低了制造復(fù)雜性，它將此前通過傳統(tǒng)工藝制造的855個零件經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少為12個部件，零件數(shù)量的減少極大提高了生產(chǎn)效率，并將發(fā)動機(jī)的重量減少了5％，燃油效率提高了1％，這顯示出3D打印集成制造優(yōu)勢。
零件的大尺度合并意味著尺寸的急劇增加，與此同時，這臺發(fā)動機(jī)共有35%的零件采用3D打印制造，這在商用型號發(fā)動機(jī)上均屬首次。這些3D打印的零件包括固定流路部件、集油槽、熱交換器、燃燒器襯套、中框組件、排氣機(jī)匣以及軸承座，材料覆蓋鈦合金、鈷鉻合金以及鎳基高溫合金。其開發(fā)團(tuán)隊由大名鼎鼎的LEAP發(fā)動機(jī)燃油噴嘴工程師組成，可謂陣容強(qiáng)大，3D打印大大簡化了制造、打樣過程，縮短了研制周期。
中框組件：300個零件集成為1個，壽命延長，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)極大優(yōu)化
GE Catalyst發(fā)動機(jī)最具代表性的集成優(yōu)化部件就是中框組件，該部件在過去的傳統(tǒng)制造中包含了300個單獨的零件，通過焊接、螺栓連接等方式構(gòu)成一個部件。工程師通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終將該部件的零件集成在了一起，形成了一個復(fù)雜的單一零件結(jié)構(gòu)，它無法通過傳統(tǒng)鑄造或機(jī)械加工制造，只有3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)一體成型。由此產(chǎn)生的結(jié)果在于該部件不再需要裝配，不僅減輕了重量，更排除了磨損的可能性。
圖：中框組件由過去的300個零件優(yōu)化為一個
一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)帶來的制造效率和供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化效應(yīng)同樣非常明顯。在傳統(tǒng)制造過程中，中框組件的300個零件需要50家供應(yīng)商提供，然后由至少60名工程師先將其組裝成7個組件，再裝配成一個部件，維修點達(dá)到5處；而通過優(yōu)化后采用3D打印制造，僅需要1臺設(shè)備就可實現(xiàn)整個部件的直接制造，最多8名工程師便可實現(xiàn)最終部件的處理，維修點也變成了零件本身。由此導(dǎo)致的制造效率提升是顯而易見的。
燃油加熱器：
使用傳統(tǒng)制造技術(shù)（如銑削和鉆孔）來完成零件可能很難實現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀和內(nèi)部形狀。但金屬3D打印機(jī)能夠打印出空心、復(fù)雜的形狀。燃油加熱器內(nèi)部包含眾多微小復(fù)雜的蜂窩式通道，零件的集成制造不僅減輕了零件重量，還將曾經(jīng)可能出現(xiàn)的燃油泄漏問題完全排除，因而減少了維修頻率，提高了燃油效率。
C型油箱外殼：
C型油箱是從螺旋槳到發(fā)動機(jī)的主要負(fù)載部分，用于支撐渦輪機(jī)的軸承。該部件采用了仿生學(xué)設(shè)計，整體形狀類似植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。3D打印將原來軸承座和油底殼的80個零件組合成1個，通過金屬打印制造的部件既保持了強(qiáng)度又減輕了重量。
B型油箱的燃燒室外殼：
B型油箱為中央軸承提供支撐，并提供潤滑通風(fēng)作用，3D打印通過將部件合并和降低裝配復(fù)雜性實現(xiàn)了重量和成本效益。通過優(yōu)化部件形狀和空氣動力學(xué)，使部件承受的應(yīng)力達(dá)到最小，從而使部件性能和耐久性也得到了改善。
排氣機(jī)匣：
作為具有空氣動力學(xué)流道的部件，排氣機(jī)匣允許空氣以最小的壓力損失離開發(fā)動機(jī)，該部件必須有足夠的強(qiáng)度，承受通過發(fā)動機(jī)的氣流壓力。如果使用機(jī)加工工藝來制造技術(shù)設(shè)計排氣機(jī)匣，工程師不得不由最薄弱位置設(shè)計整個機(jī)匣的厚度，這會對部件增加不必要的重量。
通過3D打印，工程師設(shè)計了更復(fù)雜的空氣動力學(xué)外形，并增加了提高結(jié)構(gòu)剛度的特征。排氣機(jī)匣有一個非常薄的內(nèi)襯，其形狀遵守空氣動力學(xué)的要求，工程師在外殼上打印了外部翼梁，保證在空氣動力學(xué)要求高的地方提供所需的剛度，同時降低整個外殼的重量。
除上述部件外，ATP發(fā)動機(jī)另有其他部件也采用3D打印制造，如燃燒器的旋流器，它由原來的四個部件組合為一個，從而節(jié)省了大量時間，提高了產(chǎn)品性能。3D打印對于航空制造來說的另一個好處是加快了發(fā)動機(jī)認(rèn)證計劃。由于3D打印允許以更快的速度生產(chǎn)零件，燃燒器襯里的制造僅用了兩天，GE因此提前六個月完成了ATP燃燒器鉆機(jī)測試。
通過盡可能快地對真實硬件進(jìn)行測試，工程師因此可以使用結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行下一次迭代以獲得更好的產(chǎn)品，這比使用傳統(tǒng)制造方法可以更快的獲得產(chǎn)品。據(jù)最新的消息，GE公司有望在大約15個月內(nèi)完成對Catalyst渦槳發(fā)動機(jī)的認(rèn)證。
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