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采用金屬3D打印代替鑄造,發現成本更加經濟
2021-05-08 09:40:33

       既創新的發動機燃油噴嘴,以及GE9X和Catalyst渦槳發動機大規模使用3D打印零件之后,GE公司似乎已經很久沒有大的3D打印新聞發布。然而對于這家世界領先的新技術領袖來說,創新總是在路上。近日,GE公司旗下航空部門展示了金屬3D打印如何低成本代替鑄造工藝、生產傳統無創新設計部件的案例。即便已為鑄模付出了巨大成本,但選擇金屬3D打印依舊經濟可行。

第一次發現金屬3D打印比鑄造要便宜

      大多數制造商都難以在支付了鑄模費用的情況下,放棄使用鑄造而選擇金屬3D打印,主觀上的成本考量都不會將兩者相提并論。然而,GE Aviation(GE航空)和GE Additive(GE增材)的合作證明,金屬增材制造可以與傳統鑄件的價格持平。其成功制造的四個3D打印部件將削減多達35%的成本,這足以讓管理部門淘汰舊的鑄模。

      同樣重要的是,GE Additive的工程師從識別目標零件到3D打印最終原型,總用時僅10個月,而使用鑄造工藝生產這些零件則需要12到18個月甚至更長時間。GE Aviation的增材制造部門負責人表示,這是他們第一次發現金屬3D打印比鑄造還要便宜,即便在有外部供應商報價的情況下,金屬3D打印仍然具有成本優勢。

      與以往利用零件合并來減少組裝從而降低大量成本不同,此次3D打印的零件完全基于鑄造模型,沒有任何的設計更改。這一發現讓GE Aviation著手尋找其他發動機上更多的零件,并采用金屬3D打印來降低成本。

零件審查,減少外部依賴,探索金屬增材制造與鑄造的成本差距

 GE Aviation對鑄件的年度審核始于2020年初,力求降低現有產品的生產成本,包括外部委托生產的數百種鑄件。對于GE Aviation來說,只有少數供應商可以為航空業進行鑄造,因此必須確保公司不會過分依賴于特定供應商。如果能夠以更少的成本自行制造部件,這無論對于快速生產備件還是降低生產成本,都至關重要。

零件審查的過程需要考慮多種因素,包括零件的尺寸、形狀、功能,以及打印材料、工藝是否成熟可靠,還需要考慮后處理步驟的便捷性,例如能否通過機械加工消除表面缺陷以及能否通過釬焊為零件增加配件等等。在零件甄別的過程中,工程師須不斷自問,有沒有哪些事情一年前做不到而現在在技術上是可行的。

3D打印不僅適合制作復雜零件,對于具有簡單形狀的零件也易于從現有模型進行打印,從而節省時間并減少鑄造所需的模具支出。因此,零件審核同時檢查了各種批量生產的零件。到2020年2月,GE Aviation已經確定了180種鑄件通過3D打印可以節省成本。為了確保結論的準確性,由GE Aviation和GE Additive工程師組成的團隊分別使用各自的生產和財務模型,將其分為幾個小組,核算了每個零件的3D打印投資回報率。

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最終有幾十個零件通過了初步篩選,補充分析選定了其中九個,包括船用燃氣輪機、渦扇發動機和一些軍事項目的零件。這些零件的材料均是CoCr合金或者Ti-64。在考慮能夠使用工廠內部的Concept Laser M2打印的前提下,可選擇的零件范圍進一步縮小,在優先考慮了基于零件工程資源以及節省成本對發動機計劃重要性的因素下,項目團隊確定了引氣系統適配器蓋成為計劃的重點。

四個零件的尺寸一致,直徑約89mm,高約152mm,均由CoCr合金制成,其作用是處理來自渦輪壓縮機部分的熱壓縮空氣。從制造的角度來看,這些零件具有近似的幾何形狀和相似的功能。項目團隊認為M2一次可以打印三個部分,但工程師們很快重新設計了版面,將其增加到四個,這立即提高了生產率,因為打印四個部分和打印三個部分所需的時間大致相同。

該項目的3D打印工程師通過仿真和分析,證明了這些零件的性能與替換的鑄件相同。在每一版的打印任務中還增加了測試樣條,其中一些位于零件的開口腔中,技術人員因此可以測量每次生產運行的完整性。

END

該項目的意義在于, GE Aviation首次嚴格按照成本將生產從精密鑄造轉變為增材制造。這些零件均是一對一的替換,沒有進行任何重新設計或零件合并。而采用鑄件的設計進行3D打印,不僅在質量上有保證,在生產速度上更是超越鑄造。該項目因此可以作為未來工作的參考案例。GE Additive的高級技術負責人也表示,GE Aviation及其增材制造工廠從業務的角度展示了他們所不具備的實力。

而值得玩味的是,該項目能夠推進到采用3D打印進行驗證的地步卻是要歸因于疫情。由于去年美國在病毒控制方面持續不力,GE Aviation的奧本增材制造工廠的工作也變得不飽和,增材團隊因此有更多精力專注于其他項目。該項目的推進,很大程度上就是為了利用那些閑置的打印機。

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