增材制造技术赋能航空发动机关键复杂构件快速研发 2024涡轮技术博览会--增材制造专题论坛话题抢先

增材制造技术赋能航空发动机关键复杂构件快速研发

2024涡轮技术博览会--增材制造专题论坛话题抢先看

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增材制造（additive manufacturing，AM）技术，亦称3D（three-dimensional）打印，是一种兼顾精确成形和高性能成形的一体化制造技术，因具有高柔性、快速成形、不受零件形状复杂程度约束等优势而深受航空航天领域工程研究人员的青睐。增材制造技术的基本原理为：首先在计算机中生成零件的三维CAD（computer aided design，计算机辅助设计）模型，然后分层切片，将零件的三维形状信息转化为一系列二维形状信息，并在计算机控制下沿特定路径逐层沉积材料，最终形成零件的三维近净形实体。目前，在航空航天领域内应用最成熟的增材制造技术是金属材料的选区激光熔化（selective laser melting，SLM）技术。

增材制造技术可以引导创新设计，提高部件与产品性能。2017年12月，美国通用电气公司（General Electric Company，简称GE）研发的重型燃气轮机的联合循环发电效率突破64%，创造了新的世界纪录，这归功于燃烧室及喷嘴采用了创新设计与增材制造技术。美国SpaceX公司通过对火箭发动机中的镍铬高温合金复杂结构进行拓扑优化设计，利用德国EOS公司的金属3D打印设备实现了材料“高强度、延展性、抗断裂性和低可变性”等优良属性。但是，先进航空发动机材料加工难、部件形状与结构复杂、加工精度要求高的特点，仍然制约着发动机中薄壁、深腔、内流道等复杂零部件效能最大化的制造能力。

增材制造技术还可以大大减少零件数量，降低研制成本。GE公司最新研发的ATP（advanced turbine propeller，先进涡轮螺旋桨）发动机是一类由深度3D打印制造的发动机，其超过三分之一的零部件采用增材制造，发动机零件数量减少了30%以上。其中，典型燃油喷嘴的零部件数量由20个减至1个，产品可靠性提升4倍，质量减轻了25%。但目前航空发动机典型复杂构件的增材制造技术仍存在难以兼顾效率和成本的问题，部分构件已突破增材制造“控形”问题，但“控性”难度大，面临着诸如高沉积速率下尺寸精度低及性能控制难等问题。

增材制造技术也可使设计迭代变快，大大缩短研制周期。NASA（National Aeronautics and Space Administration，美国国家航空航天局）采用concurrent（同时迭代）来描述基于增材制造技术的产品的快速迭代过程，在2个月内就解决了按传统方法制造的火箭发动机轴与轮毂不合格的问题。但航空发动机中诸如控制系统等系统级构架，由于其控制对象的复杂性和控制参数的多样性，在研发过程中仍面临着设计约束多、加工难度大、迭代周期长等问题。

为加速增材制造领域技术交流与合作，航空发动机&燃气轮机领域亚洲规模最大展-2024涡轮技术博览会将特设增材制造同期会议与增材制造展示区。来自国家增材制造创新中心、沈阳飞机设计研究所、西北工业大学、中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国商飞增材制造中心、中国航发商发设计研发中心、航天一院211厂、中国航天科工集团三院、航天三院31所等领导专家将出席大会现场。

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