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。”

在這個項目中，檢驗了各種發(fā)動機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)動機上的855個零件，被合并成僅10個增材制造零件，達到了另一個高度。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器的生產(chǎn)力。GE增材制造公司的概念激光M2系列5機型就是個好例子：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，這樣項目團隊才能取得更快進展?！?/p>

這些決定令項目團隊得以在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制造的GE90渦輪噴氣發(fā)動機衍生的陸艦渦輪，但是此次航空公司出于產(chǎn)品壽命的緣故改用替換零件。該集團也在考慮將數(shù)十個用于舊發(fā)動機和產(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。”

“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航空團隊已經(jīng)確定了180個他們認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)動機的零件都在此生產(chǎn)。這次疫情讓這里的團隊有機會聚焦其他項目。他們意外地擁有制造零件的機器以及后處理時間。這個項目就好像為了使用這些機器而設(shè)立似的。

奧本工廠的高級項目經(jīng)理和項目負責(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會。”

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氣渦輪發(fā)動機、支線噴氣式客機用的渦輪風(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機器能夠加工的零件。然后，團隊進一步縮小了范圍，根據(jù)基于零件的工程資源及節(jié)省成本的重要性進行了優(yōu)先排序。最后團隊確定了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補充說，團隊通過模擬和分析，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補充道：“從商業(yè)角度來看，奧本團隊展現(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。這個團隊的所作所為很了不起，真正展示了他們的能力?！?/p>