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——這樣就可以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，這個工藝轉(zhuǎn)換過程只用了10個月。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個月，或更長時間。

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，增材制造比鑄造的成本更低廉。為確保我們的成本競爭力，我們找來四家外部供應(yīng)商報價，增材制造的零件價格仍然較低?！?/p>

在這個項目中，檢驗了各種發(fā)動機(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)動機(jī)上采用增材制造的燃料噴嘴，將20個不同的零件——以及加工、組裝它們所需的步驟——整合成一個單一結(jié)構(gòu)。該公司的新型渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)上的855個零件，被合并成僅10個增材制造零件，達(dá)到了另一個高度。在這兩個案例（以及其他案例）中，GE航空公司利用這種零件整合優(yōu)勢，大大節(jié)省了零件組裝成本。

隨著應(yīng)用需求越來越多，設(shè)備制造商們開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400W的，也有1kW的，可以制出50μm厚的金屬層，還配有一個容積為21,000cm3的巨大制造間。

Gatlin補(bǔ)充說：“我們一開始就說過，會選擇一種已經(jīng)驗證合格的材料。我們選擇M2生產(chǎn)，因為我們非常了解它。我們不打算做任何批量設(shè)計變更，只做一些小調(diào)整，這樣就能成功地打印零件。我們簡化了盡可能多的步驟，這樣項目團(tuán)隊才能取得更快進(jìn)展?！?/p>

這些決定令項目團(tuán)隊得以在2020年4月至9月之間就開發(fā)出了最終原型。所有四個零件都將用于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)十個用于舊發(fā)動機(jī)和產(chǎn)品的零件替換掉。

GE航空公司高級項目經(jīng)理兼項目負(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，公司給了我們一個期限，要求我們盡可能快、盡可能低成本地制出這種零部件?！?/p>

“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：“只有少數(shù)幾家供應(yīng)商能夠為航空行業(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，無需依賴特定供應(yīng)商的成本模型。如果我們能以更低的價格制造一個增材制造零件，我們現(xiàn)在就能省錢，并能躲過未來的漲價?！?/p>

靈感

■新的使用增材制造技術(shù)制造出的引氣零件的排氣蓋（左）和空氣蓋（右）（圖片來源：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GE航空公司對鑄件進(jìn)行了年度審查。

Gatlin說：“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)，囊括了所購買的數(shù)百種鑄件，然后問自己，‘我們的競爭力越來越強(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。工程師們詢問這些零件是否使用了他們之前在這些機(jī)器上用過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航空團(tuán)隊已經(jīng)確定了180個他們認(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，用各自組織的生產(chǎn)和財務(wù)模型，分成小組，計算生產(chǎn)每個零件的投資回報率。

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)動機(jī)的零件都在此生產(chǎn)。這次疫情讓這里的團(tuán)隊有機(jī)會聚焦其他項目。他們意外地?fù)碛兄圃炝慵臋C(jī)器以及后處理時間。這個項目就好像為了使用這些機(jī)器而設(shè)立似的。

奧本工廠的高級項目經(jīng)理和項目負(fù)責(zé)人Jeff Eschenbach說：“我們是個生產(chǎn)車間，在GE航空公司增材制造技術(shù)中心開發(fā)出低速生產(chǎn)工藝前，我們沒有這樣的項目機(jī)會。這個項目的不同之處就在于，我們從一開始就承擔(dān)了這個任務(wù)。它為現(xiàn)場的工程師提供了參與機(jī)會?！?/p>

幾十種零部件通過了初步篩選。經(jīng)過另做的一些分析，其中9個入選，包括用于其他的船用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、支線噴氣式客機(jī)用的渦輪風(fēng)扇以及一些軍事項目上的零件。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)隊確定了LM9000引氣系統(tǒng)的四個適配器蓋，作為奧本項目的焦點。

這四個零件直徑約8.9cm，高度約15.2cm，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。從制造角度來看，它們共享一個基本的幾何形狀，具有相似的特征。工程師們之前假定M2可以一次生產(chǎn)三個零件，但很快就重設(shè)了布局，將零件數(shù)增加到了四個，立即提高了生產(chǎn)率，因為生產(chǎn)四個零件所需的時間與生產(chǎn)三個零件所需的時間差不多。

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

發(fā)現(xiàn)

這個項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。這些零件都是一對一替換品，無需任何重新設(shè)計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，“我們可以用現(xiàn)有的鑄造設(shè)計在打印機(jī)上快速復(fù)制。在項目開始幾周內(nèi)，最終產(chǎn)出的零件與他們對應(yīng)的鑄造件質(zhì)量相同。這個項目可以作為未來工作的模板?！?/p>

GE增材制造公司高級技術(shù)主管Kelly Brown補(bǔ)充道：“從商業(yè)角度來看，奧本團(tuán)隊展現(xiàn)了我們過去沒有的實力，現(xiàn)在我們有了一系列可以繼續(xù)開發(fā)的零件。這個團(tuán)隊的所作所為很了不起，真正展示了他們的能力。”