事件：2015年4月，美國通用電氣公司（下稱GE）披露，美國聯邦航空管理局（FAA）在2015年2月批準了GE在其GE90-40B發動機中使用增材制造零件——高壓壓氣機溫度傳感器（T25）外殼。這將是FAA批準GE在其噴氣發動機上使用的首個增材制造零件，這一決定是發動機設計史上的一次巨大改變，標志著增材制造正式走入工業皇冠上的明珠——航空發動機的制造，而GE也因此無可爭議地成為了高端增材制造技術的領軍者。

    筆者在文章《增材制造在航空領域的應用趨勢與發展重點》中指出，基于激光和電子束熔融機理的增材制造技術在航空領域的應用上正在呈現向大型金屬承力構件擴展、向發動機熱端構件擴展、向復雜復合材料構件擴展這三個重要趨勢。發動機熱端構件的增材制造無疑是高端增材制造技術的一個代表，也是增材制造需要攻克的制高點之一。

    作為世界第一大多元工業集團，GE公司除了在智能制造領域開創“工業互聯網”概念先河之外，在高端增材制造技術方面也稱得上是著書立傳了。無論是從政府層面，還是從工業界層面，都以GE公司的動作最為頻繁，在近年來進行了成立實驗室、收購制造商、合作搞開發、量產熱端構件等一系列提升增材制造水平和研制生產能力的舉措。

圖1 GE90發動機T25傳感器外殼

    盡管競爭對手聯合技術公司是增材制造技術的發明者，但GE近年來高調發展自身的航空增材制造能力，把普惠和羅羅遠遠甩在后面。GE全球研發中心2011年成立了增材制造實驗室，2012年收購了領先的增材制造服務商Morris技術公司，2013年發起了增材制造發動機支架設計全球挑戰賽，2014年驗證了低壓渦輪葉片的增材制造，2015年啟動了開源的增材制造軟件算法開發項目，助力整個美國的增材制造。

    目前，能夠體現GE增材制造領軍者地位的項目主要包括以下幾個：

• 認證保護外殼

    高壓壓氣機溫度傳感器（T25）外殼是GE商用發動機上獲得FAA批準的首個增材制造零件，GE航空目前正與波音合作修改超過400臺GE90-40B發動機，以安裝這些新零件。T25傳感器外殼由鈷鉻合金制造，保護溫度傳感器脆弱的電子器件，防止其結冰以及被急速氣流損壞。通常，GE研制新零件需要數年的設計和原型階段，然而這次的過程只用了1年。T25傳感器外殼2014年10月完成最終設計，2015年2月獲得FAA認證，在第二周就投入了使用。傳統的鑄造工藝永遠不可能這么迅速，是增材制造實現了顛覆。

• 量產燃油噴嘴

    經過近10年的研發，GE航空和斯奈克瑪自2013年開始采用選區激光燒結（SLS）工藝生產LEAP發動機的燃油噴嘴。該零件傳統上由20個零件經鑄造、機加、組裝和焊接組合制成，現在可以一次成型，壽命延長4倍，重量降低25%。GE航空已經對阿拉巴馬州開設的奧本工廠投資超過1.25億美元，該廠2015年啟動了增材制造燃油噴嘴的生產并將供應1000件產品，計劃2020年實現年產40000個的目標。目前，GE航空正在對裝有19個增材制造燃油噴嘴的LEAP發動機進行飛行試驗，該部件也有望成為下一個FAA認證件。

圖2 LEAP發動機燃油噴嘴

• 進軍渦輪葉片

    在新型渦輪葉片的開發中，GE航空已經廣泛利用激光燒結等技術制作試驗件，即節省了時間，也降低了風險，實現了制造成熟度等級的平穩提高。2014年，GE驗證了鈦鋁合金低壓渦輪葉片的電子束熔化（EBM）工藝，鈦鋁材料剛度高、耐高溫（750C），比傳統鎳基合金輕50%，但鑄造后的精加工難度極高，采用增材制造后則可在72小時內生產7片；同年9月，GE宣布考慮將GE9X低壓渦輪葉片替換為鈦鋁合金。如果該目標最終得以實現，每年規模達數百萬片的發動機低壓渦輪葉片選材和制造工藝將發生變革。

圖3 GE精益實驗室利用增材制造技術驗證新渦輪葉片設計

• 瞄準標準軟件

    2015年3月，在美國國家增材制造創新機構的支持下，GE聯合勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室（LLNL）啟動了開源增材制造軟件的開發項目，將為金屬選區激光熔融（SLM）工藝開發能夠在不同增材制造設備上工作的標準化軟件，降低業界應用該工藝的門檻。目前，盡管SLM因其高質量而受到矚目，但商業SLM設備很多都缺少根據特定類型金屬粉末進行定制的功能。比如，這些設備不允許用戶訪問特定工藝參數信息和刀具路徑，因此GE將通過開發算法來控制激光掃描的設置，以匹配材料性能和增材制造參數。

• 兼顧電子器件

    在電子器件的增材制造上，GE研究人員完成的一個課題是超聲設備中的探頭（傳感器），制造這種精密的探頭以往需要對材料進行長時間的切削以及磨削。GE使用紫外線增材制造技術將探頭上的復雜結構一次“打印”成形，以大大降低其勞動力和生產成本。這項技術使得探頭設計更加靈活，而且可以惠及各類超聲探頭，對于航空結構件檢測來說是一個好消息。GE一直在進行紫外線增材制造的實驗，除了超聲探頭，還在尋找在風機中使用該技術的方法，以及設計新的天然氣設備零件。

    GE激光技術帶頭人曾說過：“隨著制造變得更先進，制造中的激光技術將從專門的應用變為制造工人通用的工具。新的技術工人將像“杰迪武士”一樣揮舞激光束，將金屬和陶瓷材料切割、焊接和雕刻成零件。”這正是增材制造的魅力所在。高端增材制造技術將大大降低發動機制造難度，未來，GE將繼續作為領軍者，以嶄新的技術打磨這顆工業皇冠上的明珠，使航空發動機能夠擁有更顛覆的設計、更優化的結構和更可靠的使用。這也將是增材制造真正大放異彩的時刻。

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本文標題：【深度】通用電氣——高端增材制造領軍者

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