3D 打印在航空發(fā)動機制造上的應用芻議

殷 亮

中國航發(fā)北京航空材料研究院 北京 100000

航空發(fā)動機是航空器飛行動力的源泉,被稱為飛機的心臟,也是有著“工業(yè)之花”稱號的國之重器,具有高精密的特點,對飛機的飛行性能及經(jīng)濟性有著直接影響。當前,可以獨立研制高性能航空發(fā)動機的國家為數(shù)不多,我國也對此十分關注?，F(xiàn)階段,如何解決發(fā)動機研發(fā)周期長以及性能難達標的問題是航空發(fā)動機設計制造過程中的重中之重。而3D 打印技術則為航空發(fā)動機的發(fā)展帶來了福音,現(xiàn)階段已經(jīng)有部分零件使用3D 打印技術,不僅提升了材料的利用率,同時縮短了異型零件的制造周期。及。

1 3D 打印技術的特點

1.1 縮短制作周期,節(jié)約人力物力 3D 打印不像傳統(tǒng)工業(yè)技術,需要通過制模、加工、裝配等復雜繁瑣的工序來進行,只需要配備一臺計算機進行建模即可,3D 打印的速度也十分迅速,這樣一來,可以讓制作周期更短,并且因為人力物力的減少,在經(jīng)濟方面也有著很好的節(jié)約作用。

1.2 實現(xiàn)了個性化定制 信息技術的不斷發(fā)展,3D 打印技術通過計算機建立虛擬模型,可以實現(xiàn)參數(shù)的修改、重新定形等個性化定制功能。

1.3 高精度不斷突破 3D 打印技術可以說是一種數(shù)字化技術,隨著數(shù)字化、信息化技術的不斷推進,其優(yōu)越性也越來越明顯,3D 打印精度也隨之提升,目前工業(yè)級別3D 打印機的打印精度在0.3mm 以下,這是傳統(tǒng)工藝無法匹敵的。

2 航空發(fā)動機零件的特性

2.1 復雜性 航空發(fā)動機的關鍵之處在于其安全可靠性及使用壽命,在航空發(fā)動機中,發(fā)動機的排放也是有著嚴格的規(guī)定。而且航空發(fā)動機燃燒溫度在2000k左右,如果渦輪葉片沒有冷卻結構的話,將會被高溫直接熔化,這些因素讓航空發(fā)動機零件結構更加復雜。

2.2 高成本 航空材料質(zhì)量的高低對航空安全有著直接影響,所以航空材料的加工工序多,需要耗費大量人力物資,葉片的價格甚至高于黃金,而且航空發(fā)動機零件在制造的過程中,還有材料損耗的發(fā)生,更是增加了其成本。

2.3 難加工 航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子在發(fā)動后擁有上萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速,葉片也要承受巨大的離心力,這些對航空材料有著很高的要求,不僅要耐高溫還要具有高強度才行。目前一些合金材料在航空發(fā)動機上有著很廣泛的應用,比如高溫合金、鈦合金等,這些材料也有著一定的缺點,比如切削力大等,而且薄壁零件在加工中很容易發(fā)生變形的情況。

3 3D 打印技術應用于航空發(fā)動機的優(yōu)勢

航空發(fā)動機中的復雜零件制造過程是十分繁復的,但采用3D 打印技術后可以實現(xiàn)一次成型,縮短了制造周期,再加上其制造過程的特殊性,減少了材料的浪費。航空發(fā)動機的推重比十分重要,在制造過程中,如何減輕其重量是關鍵所在。而3D 打印因不需要進行過多裝配,實現(xiàn)了零件構建優(yōu)化,減輕了其重量。傳統(tǒng)的航空發(fā)動機設計需要多次調(diào)試才能成功,而3D 打印技術因為通過計算機技術來開展,可以對其更好的控制,提高了效率。最后是發(fā)動機的葉片在工作時承受著惡劣的環(huán)境,很容易出現(xiàn)裂紋、掉塊等情況,而3D 技術中的激光熔覆技術可以更快更便捷的進行修復,無形中也延長了發(fā)動機使用壽命。

4 現(xiàn)階段,3D 打印技術應用于航空發(fā)動機制造的問題

3D 打印技術在航空發(fā)動機制造中,其精度無法滿足發(fā)動機精密零件的要求,就目前技術的發(fā)展情況來看,打印精度的提升空間很大。航空發(fā)動機的精密零件是不允許任何缺陷存在的,但3D 打印技術存在孔洞缺陷,雖然孔洞很小,但應力分布集中,對于精密零件而言,這些缺陷會帶來巨大的安全隱患。此外,3D 打印技術,現(xiàn)階段停留在小型零件上,對于大尺寸的零件而言,目前3D 打印尚未得到應用。

5 總結語

3D 打印技術也稱為增材制造技術,這項技術將材料加工技術融入了計算機技術,通過計算機數(shù)字建模,加上數(shù)控系統(tǒng)將專用材料通過燒結、熔融、擠壓、光固化以及噴射等方式,實現(xiàn)了自下而上、從無到有的制造,讓零件制造可以不再用傳統(tǒng)的切削和組裝,從而實現(xiàn)了復雜結構零件簡單化的制造。綜上所述,3D 打印技術的應用前景廣闊,在航空發(fā)動機制造領域是非常有前景的制造方法,很多公司已經(jīng)著手擴展3D 打印規(guī)模,我國也要緊握這項技術,帶動我國工業(yè)的飛速發(fā)展。