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  行業資訊   1934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動機，新型的結構設計因為3D打印降低了制造復雜性，它將此前通過傳統工藝制造的855個零件經過結構優化減少為12個部件，零件數量的減少極大提高了生產效率，并將發動機的重量減少了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，這臺發動機共有35%的零件采用3D打印制造，這在商用型號發動機上均屬首次。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。其開發團隊由大名鼎鼎的LEAP發動機燃油噴嘴工程師組成，可謂陣容強大，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，生產結構極大優化

GE Catalyst發動機最具代表性的集成優化部件就是中框組件，該部件在過去的傳統制造中包含了300個單獨的零件，通過焊接、螺栓連接等方式構成一個部件。工程師通過結構優化，最終將該部件的零件集成在了一起，形成了一個復雜的單一零件結構，它無法通過傳統鑄造或機械加工制造，只有3D打印能夠實現一體成型。由此產生的結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個零件優化為一個

一體化結構實現帶來的制造效率和供應鏈結構優化效應同樣非常明顯。在傳統制造過程中，中框組件的300個零件需要50家供應商提供，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，維修點達到5處；而通過優化后采用3D打印制造，僅需要1臺設備就可實現整個部件的直接制造，最多8名工程師便可實現最終部件的處理，維修點也變成了零件本身。由此導致的制造效率提升是顯而易見的。

燃油加熱器：

使用傳統制造技術（如銑削和鉆孔）來完成零件可能很難實現復雜的幾何形狀和內部形狀。但金屬3D打印機能夠打印出空心、復雜的形狀。燃油加熱器內部包含眾多微小復雜的蜂窩式通道，零件的集成制造不僅減輕了零件重量，還將曾經可能出現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動機的主要負載部分，用于支撐渦輪機的軸承。該部件采用了仿生學設計，整體形狀類似植物的細胞結構。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，并提供潤滑通風作用，3D打印通過將部件合并和降低裝配復雜性實現了重量和成本效益。通過優化部件形狀和空氣動力學，使部件承受的應力達到最小，從而使部件性能和耐久性也得到了改善。

排氣機匣：

作為具有空氣動力學流道的部件，排氣機匣允許空氣以最小的壓力損失離開發動機，該部件必須有足夠的強度，承受通過發動機的氣流壓力。如果使用機加工工藝來制造技術設計排氣機匣，工程師不得不由最薄弱位置設計整個機匣的厚度，這會對部件增加不必要的重量。

通過3D打印，工程師設計了更復雜的空氣動力學外形，并增加了提高結構剛度的特征。排氣機匣有一個非常薄的內襯，其形狀遵守空氣動力學的要求，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發動機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，從而節省了大量時間，提高了產品性能。3D打印對于航空制造來說的另一個好處是加快了發動機認證計劃。由于3D打印允許以更快的速度生產零件，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燃燒器鉆機測試。

通過盡可能快地對真實硬件進行測試，工程師因此可以使用結果數據進行下一次迭代以獲得更好的產品，這比使用傳統制造方法可以更快的獲得產品。據最新的消息，GE公司有望在大約15個月內完成對Catalyst渦槳發動機的認證。

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來源：中國3D打印網