3D 打印在航空發動機制造上的應用芻議

殷 亮

中國航發北京航空材料研究院 北京 100000

航空發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濟性有著直接影響。當前,可以獨立研制高性能航空發動機的國家為數不多,我國也對此十分關注。現階段,如何解決發動機研發周期長以及性能難達標的問題是航空發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動機的發展帶來了福音,現階段已經有部分零件使用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,節約人力物力 3D 打印不像傳統工業技術,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,在經濟方面也有著很好的節約作用。

1.2 實現了個性化定制 信息技術的不斷發展,3D 打印技術通過計算機建立虛擬模型,可以實現參數的修改、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字化技術,隨著數字化、信息化技術的不斷推進,其優越性也越來越明顯,3D 打印精度也隨之提升,目前工業級別3D 打印機的打印精度在0.3mm 以下,這是傳統工藝無法匹敵的。

2 航空發動機零件的特性

2.1 復雜性 航空發動機的關鍵之處在于其安全可靠性及使用壽命,在航空發動機中,發動機的排放也是有著嚴格的規定。而且航空發動機燃燒溫度在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,這些因素讓航空發動機零件結構更加復雜。

2.2 高成本 航空材料質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,而且航空發動機零件在制造的過程中,還有材料損耗的發生,更是增加了其成本。

2.3 難加工 航空發動機的轉子在發動后擁有上萬轉的轉速,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生變形的情況。

3 3D 打印技術應用于航空發動機的優勢

航空發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,實現了零件構建優化,減輕了其重量。傳統的航空發動機設計需要多次調試才能成功,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。最后是發動機的葉片在工作時承受著惡劣的環境,很容易出現裂紋、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,無形中也延長了發動機使用壽命。

4 現階段,3D 打印技術應用于航空發動機制造的問題

3D 打印技術在航空發動機制造中,其精度無法滿足發動機精密零件的要求,就目前技術的發展情況來看,打印精度的提升空間很大。航空發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,通過計算機數字建模,加上數控系統將專用材料通過燒結、熔融、擠壓、光固化以及噴射等方式,實現了自下而上、從無到有的制造,讓零件制造可以不再用傳統的切削和組裝,從而實現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,在航空發動機制造領域是非常有前景的制造方法,很多公司已經著手擴展3D 打印規模,我國也要緊握這項技術,帶動我國工業的飛速發展。