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3D打印集成制造案例:從855個零件到12個零件的非凡效益

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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