在航天領域，SpaceX從2011年開始探索3D打印技術

GE選擇用增材過程來制造噴嘴，不僅能降低生產(chǎn)成本，而且還讓部件變輕，為航空公司節(jié)省大量的燃料

2016年4月，GE再一次斥巨資在美國賓夕法尼亞州的匹茲堡創(chuàng)建了增材制造（Additive Manufacturing）旗艦中心——增材技術進步中心（CATA），旨在研發(fā)相關的硬件與軟件，探索增材制造在各個領域的實際應用。顧名思義，這種名為增材制造技術（3D 打印的工業(yè)版本）是將超薄材料層一層層累積起來完成制造過程，其已被用于制造一些市場定位明確的產(chǎn)品，比如醫(yī)療植入設備，還被工程師和設計師用來制造塑料原型。

然而，把這項技術應用于大規(guī)模生產(chǎn)，其實是始于噴氣式飛機發(fā)動機。這項應用無疑是一個意義重大的里程碑。通用電氣公司（GE）正利用這一技術對自己傳統(tǒng)的制造方式進行徹底地改造，特別是GE 航空（GE Aviation）作為世界上最大的噴氣式飛機發(fā)動機供應商，正在通過激光打印部件（而不是鑄造和焊接金屬）的方法，為一個新的飛機發(fā)動機制造燃料噴嘴。

2012年秋天，GE 收購了兩家擁有自動化精確生產(chǎn)金屬技術的公司，并將其技術集成到GE 的飛機制造部門——GE航空的運營中。GE 和法國斯奈克瑪公司（Snecma）成立的合資公司CFM 國際（CFM International）準備將3D打印出的燃料噴嘴用于LEAP噴氣式發(fā)動機。每臺LEAP發(fā)動機配備19個噴嘴。該發(fā)動機將裝入單通道的窄體飛機，例如波音737MAX和空客A320neo等。

目前，該發(fā)動機的訂單已超過10，000份，總價值在千億美元左右。帶有這種噴嘴的LEAP噴氣式發(fā)動機已進入了測試階段。

GE選擇用增材過程來制造噴嘴，是因為這種方法比傳統(tǒng)技術使用更少的材料。這不僅能降低GE 的生產(chǎn)成本，而且還讓部件變輕，為航空公司節(jié)省大量的燃料。傳統(tǒng)的技術需要把許多個小部件焊接在一起，這一過程將耗費大量人力，而且很大一部分材料會被切割掉。

新的方法則是在鈷-鉻合金粉末床上制造。由計算機控制激光器把激光束精確地打到床上，讓所需區(qū)域的金屬合金熔化，一層一層地產(chǎn)生20 微米厚的材料層。這一過程在制造復雜的形狀時更加快速，因為機器可以日夜不停地運行。且總體來講，增材制造技術會節(jié)省材料，因為打印機可以控制形狀，避免不規(guī)則的突出，從而在制造的時候就不會造成常見的浪費。增材制造特別適合小批量生產(chǎn)形狀復雜的部件。

燃料噴嘴

這種增材制造的燃料噴嘴，其重量比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的噴嘴減輕了25%，所需的零件數(shù)從18個減少到1個，并增加了許多過去無法實現(xiàn)的新設計，例如更精巧的冷卻路徑等，其耐久性也提高了5倍，還能承受3000華氏度的高溫。這些好處將極大地提升噴嘴的性能。預計GE每年將生產(chǎn)超過3萬個這種噴嘴。

實際上，這種燃料噴嘴并不是GE航空在飛機上使用的第一個3D打印部件。2015年2月，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）批準GE在90-94B型發(fā)動機上，使用3D打印的T25傳感器外殼。這種傳感器安裝在空氣壓縮機的前方，作用是為發(fā)動機的控制系統(tǒng)測量溫度和壓力。

GE的工程師發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)方法制作的傳感器外殼結冰后，累積的冰層容易進入壓縮機，影響壓縮機的壽命。因此，他們決定重新設計外殼的形狀。但緩解結冰的幾何形狀無法用傳統(tǒng)的制造工藝實現(xiàn)，唯一的方法就是采用3D打印。

于是，他們用鈷鉻合金3D打印了這款新的傳感器外殼，來保護其中精密的電子設備。負責該項目的經(jīng)理喬納森?克拉布布布布布布布布布布克（Jonathan Clarke）估計，3D打印為該項改進節(jié)省了至少一年的開發(fā)時間。

如今，許多現(xiàn)役的波音777等飛機都已成功換上了這種新型傳感器外殼。除此之外，還有一些渦輪螺旋槳發(fā)動機的零件也用增材制造生產(chǎn)而成。

GE 的其他部門與GE 的競爭對手都對此密切關注。

制造大型燃氣渦輪和風機的GE 發(fā)電設備與水處理部門（GE Power & Water）已經(jīng)找到了可以用增材制造技術生產(chǎn)的部件，例如某些燃燒組件。

GE 健康部門（GE Healthcare）也已經(jīng)開發(fā)出一種打印換能器的方法。換能器是超聲波機器中使用的一種昂貴的陶瓷部件，過去通常采用微加工的方式生產(chǎn)，需要消耗大量的時間。而用3D打印來生產(chǎn)換能器，能一次性打印出模式精巧的探頭面，節(jié)省了時間。

GE電器部門則采用增材制造來進行原型的快速設計和制造，每年可設計出15000個部件。

GE石油和天然氣部門則用3D打印來生產(chǎn)渦輪機原型和開發(fā)新型泵部件。GE還正與美國能源部合作，共同開發(fā)采用3D打印部件的高效海水淡化設備。“這真的從根本上改變了我們對公司的看法?！盙E的首席技術官馬克?利特爾（Mark Little）如是說。

增材制造讓GE的產(chǎn)品設計師，對鑄造、機械加工等傳統(tǒng)工藝漸行漸遠，也讓他們的選擇更加靈活。增材制造機器可以直接按照計算機模型來工作，這樣人們就能發(fā)明全新的形狀而不用考慮現(xiàn)有的制造限制?！拔覀儸F(xiàn)在可以制造之前造不出的結構了?！崩貭栒f。

GE航空增材制造商務拓展經(jīng)理格雷格?莫里斯（Greg Morris）說：“你能迅速地迭代，找出哪些設計行得通，哪些行不通，快速改進設計，并且能把這個過程重復很多次，比過去傳統(tǒng)技術所允許的次數(shù)多得多?！彼€表示，在設計那個具有劃時代意義的燃料噴嘴時，一共迭代了50次，才得到了最終的方案。

為了加速增材制造的產(chǎn)業(yè)化，GE投入了大量的資源。除了上面提及的今年在賓州建造的增材制造旗艦中心，GE在2015年花費2億美元在印度創(chuàng)建了工廠，專門生產(chǎn)飛機發(fā)動機和風力渦輪機等設備的部件。前文提到的燃料噴嘴就在這里誕生。這里還用增材制造技術生產(chǎn)替換零件。在過去，替換零件通常需要大批量生產(chǎn)和存放，耗費了大量的資源。而現(xiàn)在，增材制造技術提高了替換零件的生產(chǎn)速度，周期從3～5個月降低到一周左右，并且不需要提前大批量生產(chǎn)，節(jié)省了可觀的成本。

GE的競爭對手、美國飛行器發(fā)動機制造商普惠公司也在探索增材制造在航空領域的潛力。2015年初，普惠向加拿大航空巨頭龐巴迪公司交付了第一批專為C系列客機生產(chǎn)的發(fā)動機，其中包含了首個用增材制造工藝生產(chǎn)的壓縮機定子和同步環(huán)支架，這也成為世界上第一批交付使用的增材制造噴射發(fā)動機部件。

普惠公司表示，增材制造節(jié)省了多達15個月的前置時間，每個部件的重量平均減輕了50%。普惠公司也有一個增材制造創(chuàng)新中心，與康涅狄格大學共同創(chuàng)建于2013年。除了產(chǎn)業(yè)界，高校和研究所的科學家也在不斷進行新的嘗試。

迷你飛機發(fā)動機

2015年2月，澳大利亞莫納什大學的研究者在實驗室中拆解了一款商用飛機的燃氣渦輪發(fā)動機，掃描部件后，復制出一個完全3D打印的發(fā)動機，驗證了發(fā)動機可以完全由增材制造來生產(chǎn)的可能性，并計劃2017年制造出可以運轉的版本。同年5月，GE的工程師也制造出一個完全3D打印的迷你飛機發(fā)動機，長約30厘米，高20厘米。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，這個等比例的簡化版本甚至能達到每分鐘33000萬的轉速。

空客的飛機上也早已使用了許多3D打印的塑料部件，光是最新的空客A350 XWB型飛機上就有1000多個3D打印的塑料部件，預計今年將開始用增材制造工藝大批量生產(chǎn)金屬部件（例如鈦合金），2017年底將開始加入不銹鋼和鋁材料?？湛偷哪繕耸?，未來幾十年時間內，一半飛機零件實現(xiàn)增材制造生產(chǎn)。

在航天領域，SpaceX從2011年開始探索3D打印技術，早期成功的案例包括超級天龍座飛船的發(fā)動機燃燒室。2014年2月發(fā)射的獵鷹九號火箭首次將3D打印部件帶上蒼穹。該火箭的9個梅林1D發(fā)動機中，有一個包含3D打印的氧化劑閥門閥體。該閥體能在高壓、低溫和高振動的情況下保持良好的性能，具有比傳統(tǒng)閥體更高的強度、耐久性和抗斷裂性。更令人稱奇的是，該閥體的打印只花了2天，而傳統(tǒng)的鑄造周期可能需要幾個月的時間。

NASA（美國航天局）也在測試3D打印的部件。他們發(fā)現(xiàn)，3D打印的渦輪泵所需的零件數(shù)比傳統(tǒng)工藝減少了45%，燃料噴射裝置則減少了200多個零件，并擁有前所未有的性能。2015年，NASA的工程師還3D打印了一個全尺寸的銅制火箭燃燒室襯套，增材制造讓復雜的冷卻氣體通道成為可能，能有效避免燃燒室外壁被融化。

2016年3月升空的阿特拉斯V火箭不僅自身帶有3D打印的部件（包括管道、整流罩支架、噴嘴等），其搭載的飛船中還為國際空間站送去了第一臺商用3D打印機。

增材制造的迅速發(fā)展在一份行業(yè)報告中可見一斑。該領域的權威分析師特里?沃勒斯（Terry Wohlers）在年度報告中稱，2015年，各家公司共購買808臺可分層打印金屬材料的機器。這一數(shù)字在2014年和2013年分別是550臺和353臺。數(shù)字看起來或許并不大，但這些機器每臺均需花費幾十萬甚至上百萬美元。

目前，GE 的工程師正開始研究如何用更多的金屬合金（包括一些專為3D 打印設計的材料）來進行增材制造。比如，GE 航空正在檢驗鈦、鋁和鎳-鉻合金的可行性。單個部件可以由多種合金制成，這讓設計師可以定制部件的材料特征，這是鑄造過程做不到的。舉個例子，發(fā)動機或渦輪機的一片葉片可以由不同的材料制成，這樣葉片的一端可以為強度而優(yōu)化，而另一端則為耐熱性而優(yōu)化。

總之 隨著技術的不斷完善進步，增材制造在某些原料昂貴、加工精度要求特別高的制造領域呈現(xiàn)出了越來越大的優(yōu)勢。