机械电子工程中的3d打印 通用电气的累积制造技术

通用电气公司（GE）正对自己传统的制造方式进行彻底地改造，比如说，GE将利用3D打印为公司的新喷气式发动机制造关键的金属部件。

发动机支架的原型产品（如图所示）体现了累积制造技术是如何能产生复杂且精确的形状的。摄影：詹妮弗·梅（Jennifer May）

通用电气公司（GE）正对自己传统的制造方式进行彻底地改造。GE航空（GE Aviation）是世界上最大的喷气式飞机发动机的供应商，该部门正准备通过激光打印部件的方法（而不是铸造和焊接金属的方法）来为一个新的飞机发动机制造燃料喷嘴。这种方法名为累积制造技术（因为它把超薄材料层一层层累积起来完成制造过程），可以改变GE的设计，还能为包括从气涡轮到超声波机在内的几乎所有东西生产复杂部件。累积制造技术这一3D打印的工业版本已被用于制造一些市场定位明确的产品（比如医疗植入设备），还被用来为工程师和设计师制造塑料的原型产品。然而，把这项技术用于大规模生产数千台喷气飞机发动机重要合金组件的决定仍然是一个意义重大的里程碑。而且尽管针对消费者和小型企业的3D打印引起了公众广泛的注意，但这项技术只有在制造业领域才会产生最重大的商业影响。

去年秋天，GE收购了两家拥有自动化精确生产金属技术的公司，并将其技术整合到GE的飞机制造部门。他们并没有很多时间来证明这一技术可用于大规模制造。CFM国际（CFM International）是GE和法国斯奈克玛公司（Snecma）组成的合资公司，这家公司将把3D打出的喷嘴用于LEAP喷气式发动机。该发动机将于2015年底或2016年初被装入飞机（CFM表示已经承诺了220亿美元）。每台发动机将会使用10到20个喷嘴。GE需在三年内每年制造25000个喷嘴。

GE选择用累积过程来制造喷嘴，是因为这种方法比传统技术使用的材料更少。这让GE的生产成本下降，而且还让部件变轻，为航空公司节省大量的燃料。传统的技术需要把大约20个小部件焊接在一起，这一过程很费劳力，而且很大一部分材料会被切割掉。新的方法则是在钴-铬合金粉末床上制造。一个由计算机控制的激光把激光束精确地打到床上让所需区域的金属合金熔化，一层一层地产生20微米厚的材料层。这一过程在制造复杂的形状时更加快速，因为机器可以日夜不停地运行。而且总体来说累积制造技术会节省材料，因为打印机可以控制形状，避免不规则的突出，制造的时候就不会造成常见的浪费。

GE的其他部门和GE的竞争对手都对此密切关注。制造大型燃气涡轮和风机的GE发电设备与水处理部门（GE Power & Water）已经找到了可以用累积制造技术生产的部件，GE健康部门（GE Healthcare）和包括铸造及机械加工材料等传统制造技术的决裂让GE产品设计师们的选择要灵活得多。累积制造机器可以直接根据计算机模型工作，这样人们就能发明全新的形状而不用考虑现有的制造限制。利特尔说：“我们现在可以制造之前造不出的结构了。”

GE的工程师正开始研究如何用更多的金属合金（包括一些专为3D打印设计的材料）来进行累积制造。举个例子来说，GE航空正检验钛、铝和镍-铬合金。单个部件可以由多种合金制成，这让设计师可以定制部件的材料特征，这是铸造过程做不到的。例如发动机或涡轮的一片叶片可以由不同的材料制成，这样叶片的一端可为强度优化，而另一端则为耐热性优化。

所有的这一切目前还停留在纸面上，或者说还只存在于产品工程师的计算机模型中。就目前而言，GE的发动机喷嘴这个小到可以放在手掌中的部件将会是累积制造技术如何发起复杂高性能产品制造革命的第一次重大检验。

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