3D打印助力中國航發(fā)出品高度集成化的發(fā)動(dòng)機(jī)
發(fā)布時(shí)間：
2023-01-11 12:43
飛機(jī)上的零件每減輕一點(diǎn)重量就將使飛機(jī)節(jié)省大量的燃油消耗，以一架起飛重量達(dá)65噸的波音737 飛機(jī)為例，如果機(jī)身減輕一磅(約0.45千克)，每年將節(jié)省數(shù)十萬美元燃油成本。
在前不久舉行的第十八屆北京航展中，中國航發(fā)集團(tuán)展示了中國航發(fā)增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目所取得的輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成果。選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)助力中國航發(fā)增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目制造了多個(gè)零部件，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了一體化打印。
來源：鉑力特
實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)
中國航發(fā)增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中的增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件由鉑力特使用BLT-S310設(shè)備制造。項(xiàng)目主要有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：
1. 建立了基于增材制造技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)零件集成化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過該集成化技術(shù)，研制了一型基于增材制造技術(shù)的高度集成化的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，零件集成率高達(dá)81%，降低發(fā)動(dòng)機(jī)裝配難度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和維修性；
2. 建立面向增材制造和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的零件輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)空心離心葉輪、空心渦輪軸及空心渦輪盤等優(yōu)化設(shè)計(jì)有了重大突破，并采用增材制造工藝實(shí)現(xiàn)了空心轉(zhuǎn)子件的加工制備。
來源：鉑力特
其中，導(dǎo)向器蒸發(fā)管組件、尾噴管均為薄壁結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)加工方式為多個(gè)零件組裝而成，現(xiàn)采用3D打印工藝，可直接實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件一體化成形;渦輪軸是空腔結(jié)構(gòu)，鉑力特在項(xiàng)目過程中對(duì)渦輪軸進(jìn)行了零件特征識(shí)別、設(shè)計(jì)區(qū)域劃分、拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算和模型重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)減重約19%。
同時(shí)，鉑力特還完成了離心葉輪、葉輪盤等零部件的增材制造工作，葉輪盤較薄部位的厚度為0.8mm，鉑力特采取尺寸補(bǔ)償控制葉片精度，將偏差控制在0.1mm以內(nèi)，此葉輪盤零件經(jīng)超轉(zhuǎn)破裂試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速可達(dá)到122000r/min。此外，鉑力特還在項(xiàng)目中協(xié)助解決了葉片及流道的尺寸控制問題。
在整個(gè)項(xiàng)目中，鉑力特充分考慮客戶需求及航空發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能、工藝、強(qiáng)度、剛度、重量等各方面的要求，開展發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)集成化、輕量化設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件一體化打印，助力中航發(fā)實(shí)現(xiàn)“與采用傳統(tǒng)加工工藝的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)本體零件數(shù)減少50%以上，發(fā)動(dòng)機(jī)本體減輕質(zhì)量不低于15%”的項(xiàng)目目標(biāo)。
3D科學(xué)谷Review
在中國航發(fā)增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)減重是重要目標(biāo)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，3D打印帶來了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上達(dá)到輕量化的可行性。具體來說，3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。
以上項(xiàng)目中的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，在使用傳統(tǒng)加工方式制造時(shí)由多個(gè)零件組裝而成，而選區(qū)激光熔化3D打印工藝可直接實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件一體化成形，這是3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的重要途徑之一。鉑力特在前不久展示了為中國深藍(lán)航天液氧煤油試車發(fā)動(dòng)機(jī)所制造的3D打印推力室，推力室的冷卻管道直接作為設(shè)計(jì)中的一部分，在同一生產(chǎn)過程中與整個(gè)腔體一起成型，這也是金屬3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)功能集成、一體化零件方面的典型應(yīng)用。
金屬3D打印已經(jīng)成為航空和航空航天領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樗膬?yōu)勢(shì)與該行業(yè)的關(guān)鍵需求保持一致，包括減輕重量、節(jié)省燃料、提高運(yùn)營效率、部件整合、加速上市時(shí)間和減少對(duì)零部件的存儲(chǔ)要求。（來源：3D科學(xué)谷）
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