GE航空公司和GE 增材制造公司正在努力證明：金屬增材制造在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)鑄件相媲美，GE 航空公司將從鑄造轉(zhuǎn)向用增材制造技術(shù)生產(chǎn)陸地/船舶渦輪引氣零件。工程團(tuán)隊(duì)希望這些采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件降低35%的成本——據(jù)說(shuō)，這就可以合理地永久淘汰舊的鑄造模具了。

從確定目標(biāo)零件到用增材制造技術(shù)生產(chǎn)最終原型件，這個(gè)工藝轉(zhuǎn)換過(guò)程只用了10個(gè)月。通常，用鑄造工藝生產(chǎn)航空航天和陸地/船舶渦輪零件可能需要12至18個(gè)月，或更長(zhǎng)時(shí)間。

GE航空增材制造負(fù)責(zé)人Eric Gatlin表示：“這改變了游戲規(guī)則。這是我們第一次嘗試零件替換，用增材制造的比鑄造的成本更低廉。為確保我們的成本競(jìng)爭(zhēng)力，我們找來(lái)四家外部供應(yīng)商報(bào)價(jià)，增材制造的零件價(jià)格仍然較低?！?br/>
在這個(gè)項(xiàng)目中，檢驗(yàn)了各種發(fā)動(dòng)機(jī)上的許多可以換用增材制造技術(shù)生產(chǎn)、節(jié)省成本的零件。例如，GE航空公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)上采用增材制造的燃料噴嘴，將20個(gè)不同的零件——以及加工、組裝它們所需的步驟——整合成一個(gè)單一結(jié)構(gòu)。該公司的新型渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)上的855個(gè)零件，被合并成僅10個(gè)增材制造零件，達(dá)到了另一個(gè)高度。在這兩個(gè)案例（以及其他案例）中，GE航空公司利用這種零件整合優(yōu)勢(shì)，大大節(jié)省了零件組裝成本。

隨著應(yīng)用需求越來(lái)越多，設(shè)備制造商們開(kāi)始尋求提高其金屬激光增材制造機(jī)器的生產(chǎn)力。

GE增材制造公司的概念激光M2系列5機(jī)型就是個(gè)好例子：其雙激光器熔化金屬層的速度比單激光器更快，還能使復(fù)雜構(gòu)造出現(xiàn)更一致的效果。M2激光器也很強(qiáng)大，有400瓦的，也有1千瓦的，可以制出50微米厚的金屬層，還配有一個(gè)容積為21000cm3的巨大制造間。

Gatlin補(bǔ)充說(shuō)：“我們一開(kāi)始就說(shuō)過(guò)，會(huì)選擇一種已經(jīng)驗(yàn)證合格的材料。我們選擇M2生產(chǎn)，因?yàn)槲覀兎浅Ａ私馑?。我們不打算做任何批量設(shè)計(jì)變更，只做一些小調(diào)整，這樣就能成功地打印零件。我們簡(jiǎn)化了盡可能多的步驟，這樣項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)才能取得更快進(jìn)展。”

這些決定令項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)得以在2020年4月至9月之間就開(kāi)發(fā)出了最終原型。所有四個(gè)零件都將用于LM9000，它是GE航空公司為貝克休斯集團(tuán)制造的GE90渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)衍生的陸艦渦輪，但是此次航空公司出于產(chǎn)品壽命的緣故改用替換零件。該集團(tuán)也在考慮將數(shù)十個(gè)用于舊發(fā)動(dòng)機(jī)和產(chǎn)品的零件替換掉。

GE航空公司高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理兼項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Joseph Moore表示：“我們需要在零件壽命耗盡前想出替換方案，需要快速完成開(kāi)發(fā)周期，制出真正能夠發(fā)貨的產(chǎn)品。為了證明我們能夠做到這一點(diǎn)，公司給了我們一個(gè)期限，要求我們盡可能快、盡可能低成本地制出這種零部件。”

“我們的目標(biāo)一直都是尋找將生產(chǎn)步驟分離的方法，”繼續(xù)說(shuō)：“只有少數(shù)幾家供應(yīng)商能夠?yàn)楹娇招袠I(yè)生產(chǎn)熔模鑄件，所以我們需要另有選擇，才能確保免受淘汰影響，無(wú)需依賴特定供應(yīng)商的成本模型。如果我們能以更低的價(jià)格制造一個(gè)增材制造零件，我們現(xiàn)在就能省錢，并能躲過(guò)未來(lái)的漲價(jià)?！?br/>
靈感

新的增材制造出的引氣零件的漏盤（左）和噴氣嘴（右）（圖片來(lái)源：GE航空公司）

選擇這四種引氣零件改用增材制造技術(shù)，始于2020年初。當(dāng)時(shí)GE航空公司對(duì)鑄件進(jìn)行了年度審計(jì)。

Gatlin說(shuō)：“我們一直都希望削減現(xiàn)有產(chǎn)品的成本，所以我們?nèi)隽藦埓缶W(wǎng)，囊括了所購(gòu)買的數(shù)百種鑄件，然后問(wèn)自己，‘我們的競(jìng)爭(zhēng)力越來(lái)越強(qiáng)了嗎？一年前我們做不到的現(xiàn)在技術(shù)上可行了嗎？’”

審查考慮了各種因素，如GE航空公司增材制造機(jī)器的性能以及零件的尺寸、形狀和特征。工程師們?cè)儐?wèn)這些零件是否使用了他們之前在這些機(jī)器上用過(guò)的那些性能良好的材料。

他們還考慮了后處理步驟的方便性，比如用機(jī)械加工來(lái)消除表面缺陷，用釬焊為零件添加配件。

到了2020年2月，GE航空?qǐng)F(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定了180個(gè)他們認(rèn)為可以改用增材制造技術(shù)節(jié)省成本的鑄造零件。為了確保成效，GE航空公司和GE Additive公司的工程師們組成了一支團(tuán)隊(duì)，用各自組織的生產(chǎn)和財(cái)務(wù)模型，分成小組，計(jì)算生產(chǎn)每個(gè)零件的投資回報(bào)率。

隨后，新冠肺炎疫情顛覆了全球的生產(chǎn)進(jìn)程。在GE航空公司位于阿拉巴馬州奧本市的增材生產(chǎn)工廠，GE航空公司其他發(fā)動(dòng)機(jī)的零件都在此生產(chǎn)。這次疫情讓這里的團(tuán)隊(duì)有機(jī)會(huì)聚焦其他項(xiàng)目。他們意外地?fù)碛兄圃炝慵臋C(jī)器以及后處理時(shí)間。這個(gè)項(xiàng)目就好像為了使用這些機(jī)器而設(shè)立似的。

奧本工廠的高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jeff Eschenbach說(shuō)：“我們是個(gè)生產(chǎn)車間，在GE航空公司增材制造技術(shù)中心開(kāi)發(fā)出低速生產(chǎn)工藝前，我們沒(méi)有這樣的項(xiàng)目機(jī)會(huì)。這個(gè)項(xiàng)目的不同之處就在于，我們從一開(kāi)始就承擔(dān)了這個(gè)任務(wù)。它為現(xiàn)場(chǎng)的工程師提供了參與機(jī)會(huì)?！?br/>
幾十種零部件通過(guò)了初步篩選。經(jīng)過(guò)另做的一些分析，其中9個(gè)入選，包括用于其他的船用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、支線噴氣式客機(jī)用的渦輪風(fēng)扇以及一些軍事項(xiàng)目上的零件。它們都是由CoCr（一種廣泛用于熱渦輪零件的鈷和鉻合金）或Ti-64制成的。他們只研究了概念激光M2機(jī)器能夠加工的零件。

然后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步縮小了范圍，根據(jù)基于零件的工程資源及節(jié)省成本的重要性進(jìn)行了優(yōu)先排序。最后團(tuán)隊(duì)確定了LM9000引氣系統(tǒng)的四個(gè)適配器帽，作為奧本項(xiàng)目的焦點(diǎn)。

這四個(gè)零件直徑約8.9厘米，高度約15.2厘米，由CoCr合金制成，用于處理渦輪壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱壓縮空氣。從制造角度來(lái)看，它們共享一個(gè)基本的幾何形狀，具有相似的特征。工程師們之前假定M2可以一次生產(chǎn)三個(gè)零件，但很快就重設(shè)了布局，將零件數(shù)增加到了四個(gè)，立即提高了生產(chǎn)率，因?yàn)樯a(chǎn)四個(gè)零件所需的時(shí)間與生產(chǎn)三個(gè)零件所需的時(shí)間差不多。

參與該項(xiàng)目的GE增材制造工程師Steve Slusher補(bǔ)充說(shuō)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬和分析，展示了這些零件的性能與他們替換的鑄造零件相同。團(tuán)隊(duì)還為每次生產(chǎn)設(shè)立了測(cè)試桿，一些在適配器帽的開(kāi)口腔里，一直通到下面的架構(gòu)板，這樣技術(shù)人員就可以測(cè)量每次生產(chǎn)運(yùn)行的完整性了。

發(fā)現(xiàn)

據(jù)說(shuō)這個(gè)項(xiàng)目取得了巨大的成功。Catlin表示，這是GE航空公司首次嚴(yán)格按成本從熔模鑄造轉(zhuǎn)型增材制造。這些零件都是一對(duì)一替換品，無(wú)需任何重新設(shè)計(jì)或零件整合步驟以提高經(jīng)濟(jì)效益——而且完成得很快。

“讓我印象深刻的是，”Eschenbach說(shuō)，“我們可以用現(xiàn)有的鑄造設(shè)計(jì)在打印機(jī)上快速?gòu)?fù)制。在項(xiàng)目開(kāi)始幾周內(nèi)，最終產(chǎn)出的零件與他們對(duì)應(yīng)的鑄造件質(zhì)量相同。這個(gè)項(xiàng)目可以作為未來(lái)工作的模板?！?br/>
GE增材制造公司高級(jí)技術(shù)主管Kelly Brown補(bǔ)充道：“從商業(yè)角度來(lái)看，奧本團(tuán)隊(duì)展現(xiàn)了我們過(guò)去沒(méi)有的實(shí)力，現(xiàn)在我們有了一系列可以繼續(xù)開(kāi)發(fā)的零件。這個(gè)團(tuán)隊(duì)的所作所為很了不起，真正展示了他們的能力。