增材制造技術(shù)（俗稱 3D 打印技術(shù)）是制造下一代更有可持續(xù)性的燃氣輪機&航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)。增材制造工藝最大程度地提高了設(shè)計靈活性，并能集成額外的功能，對于復(fù)雜輪廓的設(shè)計優(yōu)化也無額外的成本，這使得部件的設(shè)計不再局限于傳統(tǒng)技術(shù)的約束，從而為復(fù)雜燃氣輪機&航空發(fā)動機零部件創(chuàng)新與優(yōu)化帶來了更大的空間。
增材制造技術(shù)最早起源于美國。20 世紀 80 年代后期，隨著計算機技術(shù)的進步，增材制造技術(shù)有了根本性的發(fā)展。增材制造技術(shù)的突出優(yōu)點是可不借助機械加?或模具，直接?計算機三維設(shè)計的圖形數(shù)據(jù)制造出形狀復(fù)雜的零件，??縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提?了?產(chǎn)效率且降低了?產(chǎn)成本。
談到增材制造技術(shù)估計很多人并不陌生，但是說到增材制造技術(shù)的應(yīng)用，可能大部分人還只停在以下兩個階段：
1.原型制造
即通過樹脂、塑料等非金屬材料打印的概念原型與功能原型。其中概念原型用于展示產(chǎn)品設(shè)計的整體概念、立體形態(tài)和布局安排，功能原型則用于優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計，促進新產(chǎn)品的開發(fā)，如檢查產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，模擬裝配、裝配干涉檢驗等。
2.間接制造
即通過 3D 打印技術(shù)完成工、模具制造，再采用3D 打印工模具進行零件的制造。殊不知，伴隨著 3D 打印技術(shù)的發(fā)展，特別是金屬 3D 打印技術(shù)近年來取得的進展，增材制造技術(shù)的應(yīng)用已不僅僅局限于快速響應(yīng)產(chǎn)品的外觀設(shè)計，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造。
當(dāng)前，通過金屬增材制造技術(shù)制造的金屬材料零部件越來越多的被成功應(yīng)用于航空航天，國防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具等領(lǐng)域。
可以說，金屬增材制造技術(shù)在制造行業(yè)具有更廣闊的應(yīng)用舞臺，是增材制造領(lǐng)域?qū)χ圃鞓I(yè)來說最有應(yīng)用價值的先進制造技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1.制備高成本材料零件
金屬材料是制造領(lǐng)域必不可少的重要材料，但是在實際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長等。
金屬增材制造技術(shù)所采用的激光、電子等高能束密度高，速度快，極大地改善了金屬材料的加工難度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用最早和最廣泛的航空航天行業(yè)為例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于 10%，有時甚至于僅為 2%-5%，大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑。
美國最大的航空發(fā)動機制造公司之一普惠公司應(yīng)用增材制造技術(shù)用于發(fā)動機的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結(jié)果顯示：不但獲得了與當(dāng)前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造精度；而且原材料消耗降低了 50%，并將發(fā)動機的 BTF 比（原材料質(zhì)量與部件最終質(zhì)量之比）從傳統(tǒng)工藝的 20:1 降低到 2:1 以下，有效地提高了部件的質(zhì)量和降低了制造成本。
2.高性能成形修復(fù)受損零件
高成本零件的成形修復(fù)也是金屬增材制造技術(shù)的突出優(yōu)勢。
過去，對于受損零部件只能做表面的涂層修復(fù)，并且維修工序步驟繁多，還涉及一些額外的步驟如加工、拋光、測試等，同時還受維修時限條件的制約，耗時較長；而對于損傷稍嚴重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術(shù)則可以對任意缺失或損壞的部分進行快速成形和修復(fù)。
例如航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬 3D 打印技術(shù)，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大延長了使用壽命，降低了成本，減少了停機時間。
其實除了航空航天領(lǐng)域外，機械、能源、船舶、模具等行業(yè)也對大型裝備的高性能快速修復(fù)提出了迫切需求。
據(jù)悉，西門子公司計劃從 2014 年開始采用金屬 3D 打印技術(shù)制造和修復(fù)燃氣輪機的某些金屬零部件，并稱在某些情況下，通過 3D 打印技術(shù)可以把對渦輪燃燒器的修理時間從 44 周縮減為 4 周。
異質(zhì)材料的組合制造
對于傳統(tǒng)制造方式（鑄造、鍛造等）來講，將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難，但是增材制造技術(shù)有能力使不同原材料進行組合制造。
金屬增材制造 LSF 技術(shù)可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來的零件上任意添加同/異質(zhì)材料的精細結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。
因此，針對部分工業(yè)零件適當(dāng)利用增材制造技術(shù)進行組合制造，不同的結(jié)構(gòu)部位采用不同類別的金屬材料，不僅大大提高結(jié)構(gòu)件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時，也把增材制造技術(shù)成型復(fù)雜精細結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術(shù)高精度的優(yōu)勢結(jié)合起來，形成了最佳的制造策略。
結(jié)合拓撲優(yōu)化的輕量化制造
增材制造技術(shù)快速自由成型的特點，給產(chǎn)品的設(shè)計帶來了無限的創(chuàng)新空間，為實現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計提供了有效的制造途徑。特別是當(dāng)前應(yīng)用得比較多的拓撲優(yōu)化技術(shù)，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗式設(shè)計模式不同，經(jīng)過拓撲優(yōu)化的創(chuàng)新模型是在滿足設(shè)計約束下的最優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu)。
但是優(yōu)化后創(chuàng)新模型結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可制造性差，因此在設(shè)計階段不得不引入制造性約束，以滿足傳統(tǒng)加工制造工藝的要求。往往這樣得到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是犧牲掉了其在輕量化和高性能上的優(yōu)勢。而金屬增材制造技術(shù)則可以使這些經(jīng)拓撲優(yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實現(xiàn)制造。
例如，空客 A320 飛機的大尺寸“仿生”機艙隔離結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)是通過拓撲優(yōu)化設(shè)計，金屬 3D 打印制造而成，材料是采用的超強且輕質(zhì)合金材料 Scalmalloy。A320 全新的機艙設(shè)計與原有的隔離結(jié)構(gòu)相比，新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且將其總量減輕了 45%。
另外，GE 采用增材制造技術(shù)制造的 Leap 噴氣發(fā)動機的金屬燃料噴嘴，是通過長達 10 多年的探索通過不斷優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，才達到零件數(shù)量從 20 多個減少到了一個。
這樣造出的燃油噴嘴不僅重量更輕，而且改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，將噴油嘴的使用壽命提高了 5 倍；另外，減少組裝也提升了噴嘴的穩(wěn)定性，并為公司降低了物流、組裝、焊接等方面的成本。
成形傳統(tǒng)工藝制造難度大的零件
在制造領(lǐng)域，有些零部件形狀復(fù)雜、制備周期長，應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術(shù)則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢。
一個典型的應(yīng)用就是模具行業(yè)隨形冷卻金屬模具的制造。
金屬模具冷卻系統(tǒng)是設(shè)計模具工程之一，傳統(tǒng)的模具冷卻系統(tǒng)是以直線的水路設(shè)計為主，制作較簡易，但需要的散熱時間較長，直接影響了脫模時間、制品質(zhì)量、制品外觀等。設(shè)計者通過軟件分析模具與水路的散熱情形，設(shè)計出了異型水路，但是受到既有加工技術(shù)的限制，使得異型水路設(shè)計只能停留在理論階段。
快速成形小批量非標(biāo)件
增材制造技術(shù)非常適合個性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。
當(dāng)前，金屬增材制造的個性化制造在醫(yī)療器械的應(yīng)用極為突出，例如用于打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
個性化、小批量生產(chǎn)已經(jīng)成為當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的趨勢，金屬 3D 打印擺脫了模具制造這一關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，可以隨時調(diào)整參數(shù)，以更低的成本更短的周期進行小批量甚至單件產(chǎn)品的生產(chǎn)。除了醫(yī)療器械行業(yè)，在其他行業(yè)也極具應(yīng)用潛力。
增材制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)的制造方式，為復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)功能件的直接制造提供了新思路，對于制造業(yè)而言有著廣闊的應(yīng)用前景。未來金屬 3D 打印機將會越來越多的取代部分傳統(tǒng)加工制造設(shè)備，但是增材制造技術(shù)也有其缺陷與不足，并不能完全取代減材制造，而是并列互補的關(guān)系。
來源：航空發(fā)動機人
