罗罗通过3D打印设计和制造有史以来最大航空发动机的关键结构

国际金属加工网 2021年11月03日

10月19日,英国航空发动机制造商罗罗公司宣布,其正在通过3D打印技术设计和制造新型UltraFan发动机演示样机的关键结构,该发动机是罗罗未来民用航空发动机的标志性技术,将有助于重新定义未来数十年的可持续航空出行。

此次3D打印制造的结构为尾部轴承座 (TBH),它是发动机内的关键结构部件,也是将发动机连接到飞机并承载所有相关载荷的两个部件之一。

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3D打印制造的尾部轴承座 (TBH)

UltraFan发动机演示样机是未来发动机系列的基础,具有增强的核心能力和新的齿轮结构,其效率将比第一代遄达发动机高25%。罗罗子公司ITP Aero使用增材技术为第一台UltraFan演示发动机设计并制造了尾部轴承座,采用自己的设计和制造标准使其能够更好地利用能源和原材料,与当前一代的生产流程相比,其制造成本节省了 25%。

TBH是一种关键结构部件,旨在承受所有操作条件下的负载。它包含支撑风扇轴的部分轴承,而风扇是发动机的主要推进元件。UltraFan TBH的可拆卸消音板也通过3D打印制造,可将涡轮机的声噪降低50%,降噪将成为未来技术的关键驱动力,罗罗计划在2050年实现约65%的降噪目标。

除了尾部轴承座采用3D打印技术之外,UltraFan发动机的中间压缩机壳也采用3D打印制造而成,GKN旗下航空航天公司负责设计和制造了该结构。

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3D打印的UltraFan发动机中间压缩机壳

然而,罗罗并未公布3D打印零件的具体尺寸、材料以及打印机信息,但从结构上看,无论是尾部周承座还是中间压缩机壳,都属于多部件集成而来的一体化、大尺寸零件。3D打印在该领域能够发挥重大作用,能够将几十上百个零件合而为一。以GE Catalyst发动机为例,它是世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机,新型的结构设计因为3D打印降低了制造复杂性,将此前通过传统工艺制造的855个零件经过结构优化减少为12个部件。零件数量的减少极大提高了生产效率,并将发动机的重量减少了5%,燃油效率提高了1%,显示出3D打印集成制造优势。

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GE 3D打印的中框结构

传统上,此类部件过去多由多个零件通过焊接、螺栓连接等方式组装而成。如今,工程师通过结构优化,能够将该原来的零件集成在一起,形成一个复杂的单一零件结构,它无法通过传统铸造或机械加工制造,只有3D打印能够实现一体成型。由此产生的结果在于该部件不再需要装配,不仅减轻了重量,更排除了磨损的可能性。

一体化结构实现带来的制造效率和供应链结构优化效应同样非常明显。以GE Catalyst中框组件为例,在传统制造过程中,中框组件的300个零件需要50家供应商提供,然后由至少60名工程师先将其组装成7个组件,再装配成一个部件,维修点达到5处;而通过优化后采用3D打印制造,仅需要1台设备就可实现整个部件的直接制造,最多8名工程师便可实现最终部件的处理,维修点也变成了零件本身。

由此导致的制造效率提升是显而易见的,对于正在研发过程的罗罗UltraFan发动机尤其如此,3D打印将加快其研发速度。关于3D打印的使用以及在UltraFan计划中的作用,ITP Aero技术与工程执行总监表示,“通过对增材制造技术使用完善了我们专注于数字化制造的进程,并使ITP Aero成为更灵活、更有弹性和可持续发展的领导者,我们很自豪能够将这项技术应用于UltraFan等项目。”

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铂力特大尺寸演示样件(820×820×400mm)

大尺寸零件的高精度3D打印不仅需要集成化的设计,同样离不开如今新一代的大型3D打印机。目前国际范围内可知的商用机型包括:

GE:Concept Laser X Line 2000R,打印尺寸为800 x 400 x 500mm;
SLM Solutions:
NXG XII 600,打印尺寸为600 x 600 x 600mm;
易加三维:EP-M650,打印尺寸为655 x 655 x 800mm;
铂力特:BLT-S800,打印尺寸为800 x 800 x 600mm;
华曙高科:FS721M,打印尺寸为720 x 420 x 420mm。

融合增材制造高柔性设计优势与增材工艺适应性原则,通过整体化设计,集成典型轻量化特征、空间多尺度结构、异性曲面及流道等复杂特征,3D打印能够实现大尺寸部件与局部灵活可动性特征的整体制备。未来,将在航空航天和汽车制造领域发挥重要作用。

(文章来源:3D打印技术参考)

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