國(guó)際航空引擎做為輕工業(yè)鍛造創(chuàng)舉的開創(chuàng)者，是兩個(gè)北歐國(guó)家鍛造業(yè)水準(zhǔn)的關(guān)鍵象征。隨著北歐國(guó)家“十四五”產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的逐步大力推進(jìn)，我省的國(guó)際航空引擎鍛造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展盡管獲得了飛速產(chǎn)業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但對(duì)高效率、短周期性、商品質(zhì)量輕、氣壓大等鍛造工藝技術(shù)的崇尚也愈發(fā)迫切。3D列印控制技術(shù)做為第二次產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展革命的關(guān)鍵象征，它為合金材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供更多了一類捷伊鍛造形式，為國(guó)際航空引擎關(guān)鍵控制技術(shù)沖破和測(cè)試形式提高增添更多的幾率。
1 控制技術(shù)概要3D列印控制技術(shù)(3D printing)是加速成形控制技術(shù)(Rapid Prototyping，RP)的一類，它是一類以calculated文檔為依據(jù)，利用粉末合金或塑膠等可黏合合金材料，透過逐級(jí)列印的形式來內(nèi)部?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)球體的控制技術(shù)，很大地延長(zhǎng)了商品的研發(fā)周期性和研磨周期性[2]，其同時(shí)實(shí)現(xiàn)的主要就形式主要就包括：1.1 多層虛擬鍛造多層虛擬鍛造控制技術(shù)（Laminated Object Manufacturing，LOM）其組織工作基本原理如圖1所示，具體來說X201i政府機(jī)構(gòu)將正方形涂有尼龍的箔材逐級(jí)地送至滾珠軸承的下方，接著選用CO2電子束依照科楓設(shè)計(jì)的橫截面輪廓對(duì)滾珠軸承上的箔材進(jìn)行逐級(jí)切割，并剔除輪廓區(qū)外的合金材料，從而完成所需商品的鍛造。
圖1 多層虛擬鍛造控制技術(shù)組織工作基本原理
1.2 光固化立體成形光固化立體成形控制技術(shù)（Stereo Lithography Apparatus，SLA）其組織工作基本原理如圖2所示，具體來說在液槽中充滿液態(tài)光敏樹脂，其次透過計(jì)算機(jī)指令控制電子束的掃描路徑，在紫外電子束照射作用下，液態(tài)光敏樹脂同時(shí)實(shí)現(xiàn)會(huì)加速固化成形，之后利用升降臺(tái)的高度調(diào)整同時(shí)實(shí)現(xiàn)逐級(jí)列印，最終同時(shí)實(shí)現(xiàn)層層疊加構(gòu)成三維虛擬。
圖2 光固化立體成形控制技術(shù)組織工作基本原理
1.3 熔積成形熔積成形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），其組織工作基本原理如圖3所示，透過高溫對(duì)各種合金材料進(jìn)行加熱融化，依照科楓設(shè)計(jì)的橫截面逐級(jí)堆積，最終得到成形零件的控制技術(shù)。
圖3 熔積成形控制技術(shù)組織工作基本原理
1.4 選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)，其組織工作基本原理如圖4所示，該控制技術(shù)主要就是透過控制電子束依照預(yù)先設(shè)定路徑對(duì)粉末合金材料進(jìn)行層層燒結(jié)而成形的控制技術(shù)，是一類由離散點(diǎn)層層堆積成三維虛擬的工藝技術(shù)形式。
圖4 選擇性激光燒結(jié)控制技術(shù)組織工作基本原理
在國(guó)際航空引擎鍛造應(yīng)用領(lǐng)域，高性能合金構(gòu)件選擇性激光燒結(jié)控制技術(shù)是最前沿的3D列印控制技術(shù)。該控制技術(shù)從零件數(shù)模一步同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能大型復(fù)雜構(gòu)件的成形,成形構(gòu)件形狀之復(fù)雜、節(jié)省合金材料程度之高，是傳統(tǒng)鑄造和機(jī)械研磨形式難以企及的。2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀3D列印控制技術(shù)自問世以來，憑借在大尺寸零件一體化鍛造、異型復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)件鍛造、變批量定制內(nèi)部結(jié)構(gòu)件鍛造方面的巨大優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際航空引擎鍛造應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩，目前3D列印控制技術(shù)已成為是歐美發(fā)達(dá)北歐國(guó)家首選的國(guó)際航空引擎零部件鍛造控制技術(shù)。2.1 國(guó)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀2013年美國(guó)霍尼韋爾公司列印了熱交換器和合金支架。2014年德國(guó)西門子公司列印出了燃?xì)廨啓C(jī)的合金零部件，成為全球輕工業(yè)鍛造業(yè)第兩個(gè)將選用3D列印鍛造的合金零部件應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中公司。GE公司透過長(zhǎng)達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)透過不斷的優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個(gè)減少到兩個(gè)，透過3D列印同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍,整體提高了LEAP引擎的性能。近日，通用電氣公司選用3D列印控制技術(shù)鍛造了一臺(tái)微型噴氣式引擎，該引擎轉(zhuǎn)速高達(dá)33000r/min，將被應(yīng)用于無人機(jī)。2.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入21世紀(jì)以來，以中航輕工業(yè)為代表的輕工業(yè)部門開始研究和應(yīng)用3D列印控制技術(shù)，尤其在國(guó)際航空引擎的復(fù)雜部件研磨中已開展了大范圍3D列印控制技術(shù)研究和商品研磨。中國(guó)航發(fā)商發(fā)已完成增材鍛造微型渦噴引擎。中國(guó)航發(fā)航材院牽頭的北歐國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)合金材料控制技術(shù)提高與產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展化項(xiàng)目“超細(xì)3D列印有色/難熔合金球形粉末制備控制技術(shù)”已經(jīng)啟動(dòng)。截至目前，中國(guó)航發(fā)和其他國(guó)內(nèi)科研政府機(jī)構(gòu)先后針對(duì)渦輪氣冷葉片、燃油組件、殼體、封嚴(yán)塊、噴嘴、整體葉盤、整體導(dǎo)向器、軸承座、葉柵等零件開展了探索研究，均獲得了積極進(jìn)展。3 前景分析3D列印控制技術(shù)能夠自動(dòng)、加速、直接、精準(zhǔn)地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，從研發(fā)階段列印模型到外場(chǎng)服務(wù)甚至戰(zhàn)時(shí)列印備件，其控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠廣泛應(yīng)用于國(guó)際航空引擎的全壽命過程中。3.1 設(shè)計(jì)研發(fā)階段國(guó)際航空引擎本身就是“試出來的”商品，在設(shè)計(jì)階段，商品控制技術(shù)狀態(tài)尚未固化，存在大量控制技術(shù)狀態(tài)更改，各種零部件樣件需頻繁生產(chǎn)，傳統(tǒng)上每一輪改進(jìn)都需要對(duì)模具進(jìn)行修改，不僅增加鍛造成本，且生產(chǎn)周期性較長(zhǎng)，嚴(yán)重拖延了設(shè)計(jì)進(jìn)程，加之我省國(guó)際航空引擎設(shè)計(jì)和生產(chǎn)分離，信息傳遞存在滯后甚至存在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)脫節(jié)等問題。3D列印控制技術(shù)將設(shè)計(jì)、鍛造甚至維護(hù)過程融為一體，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”的美好愿景，很大地縮小了裝備從“研發(fā)”到“定型“的時(shí)間差，且由于3D列印是從點(diǎn)到線，從線到面，從面到體的加法過程，沒有空間和時(shí)間的邊界限制，設(shè)計(jì)變量更多，組合更復(fù)雜，然而這些參數(shù)及其后果都是可重復(fù)可追溯的，因此可有效利用大數(shù)據(jù)和云端積累并深度學(xué)習(xí)，再透過云端管理對(duì)全球所有增材鍛造設(shè)備在線監(jiān)控，決策，控制，最終使國(guó)際航空引擎的研發(fā)更加科學(xué)，加快了裝備的更新周期性。
3.2 生產(chǎn)鍛造階段一是提高氣壓、減輕重量，提高引擎整體性能。推重比是國(guó)際航空引擎的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，減重一直是國(guó)際航空引擎鍛造的關(guān)鍵目標(biāo)。目前國(guó)際航空引擎整機(jī)透過螺栓或其他接口將零部件或單元體連接，如若選用3D列印一體成形既減少了合金材料增加了氣壓，又減少零部件數(shù)量從而減輕了引擎的重量，以PW1500G 引擎為例，其選用3D列印控制技術(shù)生產(chǎn)的試驗(yàn)部件比傳統(tǒng)工藝技術(shù)鍛造的該部件重量減輕50%。引擎整體重量的減輕，能夠產(chǎn)生更高的加速度，有效增加續(xù)航里程，擴(kuò)大作戰(zhàn)半徑且降低了飛行成本。二是降高效率、延長(zhǎng)周期性，提高引擎生產(chǎn)效率。國(guó)際航空引擎中使用的鈦合金、鎳基高溫合金等合金合金材料價(jià)格昂貴，某些合金材料甚至是稀缺的產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略合金材料。選用傳統(tǒng)的研磨鍛造形式，合金材料使用率較低，一般不大于10%。以某型引擎整體葉片為例，傳統(tǒng)鍛造工藝技術(shù)類似于“雕刻”，合金材料利用率僅為7%，即意味著93%的原合金材料被浪費(fèi)，鍛造成本高，且研磨時(shí)間長(zhǎng)。而選用3D列印控制技術(shù)直接列印的整體葉盤，合金材料利用率提高到80%以上，同時(shí)鍛造時(shí)間也僅有傳統(tǒng)鍛造的1/20，能夠大幅的延長(zhǎng)引擎的生產(chǎn)周期性，提高引擎的交付效率。詳見表1所示：表1 國(guó)際航空盤形零件選用3D列印控制技術(shù)與傳統(tǒng)鍛造形式的對(duì)比
三是減少環(huán)節(jié)、降低要求，提高引擎商品商品質(zhì)量國(guó)際航空引擎每臺(tái)零部件上以千計(jì)，組裝過程需要上百道工序，且生產(chǎn)和安裝對(duì)工人生產(chǎn)技能要求較高，如若裝配不合理極易引起零部件存在應(yīng)力產(chǎn)生斷裂、間隙過大引起引擎漏氣致使性能不合格或由于連接不穩(wěn)固導(dǎo)致引擎產(chǎn)生振動(dòng)故障。在某型號(hào)引擎故障統(tǒng)計(jì)中，由于裝配原因?qū)е碌墓收霞s占10%，裝配工人水準(zhǔn)的高低能夠直接影響到引擎的整機(jī)商品質(zhì)量的好壞。選用3D列印的零部件一體成形，降低了工人的技能要求，減少了部分裝配環(huán)節(jié)，避免了人工差錯(cuò)所增添的影響，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接氣壓要高于焊接等傳統(tǒng)形式，對(duì)引擎商品商品質(zhì)量有較大提高。3.3 維修服務(wù)階段軍用國(guó)際航空引擎由于戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)重、使用條件極端等原因，在使用組織工作中損傷模式復(fù)雜，零備件需求量大，在外場(chǎng)使用過程中雖有專業(yè)的跟飛保障團(tuán)隊(duì)進(jìn)行維護(hù)，但每年仍有部分引擎需返廠進(jìn)行維修，嚴(yán)重影響了我軍的戰(zhàn)斗力。3D列印為再鍛造提供更多了個(gè)性化、高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)手段，是歐美發(fā)達(dá)北歐國(guó)家首選的國(guó)際航空引擎零部件再鍛造控制技術(shù)。一是按需列印，提高部隊(duì)引擎完好率在引擎使用維護(hù)過程中，到壽件、易損件、必?fù)Q件等零部件需求量大，各型號(hào)零部件控制技術(shù)狀態(tài)也會(huì)不同，外場(chǎng)部隊(duì)又不可能存放大量存放，便會(huì)出現(xiàn)引擎停飛待件的情況。3D列印控制技術(shù)的存在便可很好的解決這一難題，無需庫(kù)房存儲(chǔ)，只需要電腦中存在電子模型數(shù)據(jù)包，便可按需列印零部件。特別是戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)，戰(zhàn)場(chǎng)上如果需要更換損毀部件，選用3D列印設(shè)備直接在戰(zhàn)場(chǎng)把所需要的部件鍛造出來，裝配后重新投入戰(zhàn)場(chǎng)，避免裝備某個(gè)零部件出現(xiàn)故障卻無法維修的窘境，從而使遭到毀傷的武器裝備得到再生。二是及時(shí)貫改，不斷提高引擎性能我省的國(guó)際航空引擎目前還處于逐漸走向成熟的階段，使用過程中故障偶有發(fā)生。由于外場(chǎng)單位分散，距離承制單位較遠(yuǎn)，致使返廠周期性較長(zhǎng)，同時(shí)為了保持部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，一些排故措施和控制技術(shù)改進(jìn)不得不結(jié)合引擎到壽返廠后一并貫徹，影響了引擎的可靠性。如若外場(chǎng)選用3D列印控制技術(shù)，只需要更新數(shù)據(jù)包便可以第一時(shí)間列印出新內(nèi)部結(jié)構(gòu)、新合金材料的零部件進(jìn)行更換，大大減少了商品長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)間，避免了貫改滯后，加快了裝備的更新周期性，提高了引擎的可靠性。
4 總結(jié)3D列印控制技術(shù)目前盡管在精度還是機(jī)械性能上與傳統(tǒng)鍛造工藝技術(shù)還有差距，但其所增添的全新設(shè)計(jì)理念正是中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)際航空引擎的重大機(jī)遇。在這一機(jī)遇面前，我們應(yīng)加速大力推進(jìn)3D列印設(shè)計(jì)和鍛造的理念、形式、手段、工具和相應(yīng)的規(guī)范準(zhǔn)則，共同努力，打造出更輕、更高效、更安全、更環(huán)保、更可靠國(guó)際航空引擎，助力我軍早日同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)軍夢(mèng)。(責(zé)任編輯：admin)
