國際航空引擎做為工業鍛造成就的開創者，是一個北歐國家鍛造業水平的關鍵象征。隨著北歐國家“十三五”戰略的穩步推進，我國的國際航空引擎鍛造產業雖然取得了飛速發展的發展，但對高效率、短周期性、質量輕、強度大等鍛造工藝技術的追求也越發迫切。3D列印掌控技術做為第三次產業革命的關鍵象征，它為金屬材料和結構提供了一類捷伊鍛造方式，為國際航空引擎關鍵掌控技術突破和測試方法提升帶來更多的可能性。
1 掌控技術概要3D列印掌控技術(3D printing)是加速成形掌控技術(Rapid Prototyping，RP)的一類，它是一類以calculated文件為依據，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合金屬材料，透過逐級列印的方式來構造物體的掌控技術，極大地縮短了商品的研制周期性和加工周期性[2]，其同時實現的主要方式包括：1.1 多層虛擬鍛造多層虛擬鍛造掌控技術（Laminated Object Manufacturing，LOM）其組織工作基本原理如圖1所示，具體來說X201i機構將正方形涂有尼龍的箔材逐級地送至組織滾珠軸承的上方，然后采用CO2電子束依照科楓結構設計的截面線條對組織滾珠軸承上的箔材展開逐級研磨，并除去線條區內的金屬材料，從而完成所需商品的鍛造。
圖1 多層虛擬鍛造掌控技術組織工作基本原理
1.2 SBR二維成形SBR二維成形掌控技術（Stereo Lithography Apparatus，SLA）其組織工作基本原理如圖2所示，具體來說在液槽中充滿固體對光聚丙烯，其次透過計算機命令掌控電子束的掃描器方向，在紫外光電子束反射作用下，固體對光聚丙烯同時實現會加速重構成形，之后利用氣墊的高度調整同時實現逐級列印，最后同時實現一層層共振構成二維虛擬。
圖2 SBR二維成形掌控技術組織工作基本原理
1.3 熔積成形熔積成形（Fused Deposition Modeling，FDM），其組織工作基本原理如圖3所示，透過高溫對各種金屬材料展開冷卻溶化，依照科楓結構設計的截面逐級堆積，最后得到成形配件的掌控技術。
圖3 熔積成形掌控技術組織工作基本原理
1.4 特異性雷射熱處理特異性雷射熱處理(Selective Laser Sintering，SLS)，其組織工作基本原理如圖4所示，該掌控技術主要是透過掌控電子束依照事先預設方向對粉末狀金屬材料展開一層層熱處理而成形的掌控技術，是一類由對數點一層層堆成二維虛擬的工藝技術方式。
圖4 特異性雷射熱處理掌控技術組織工作基本原理
在國際航空引擎鍛造領域，高效能金屬梁柱特異性雷射熱處理掌控技術是前沿的3D列印掌控技術。該掌控技術從配件N53SI241SV一步同時實現高效能大型繁雜梁柱的成形,成形梁柱形狀之繁雜、節約金屬材料程度之高，是傳統鑄成和金屬加工方式難以撼動的。2 發展現狀3D列印掌控技術自問世以來，憑借在大尺寸配件一體化鍛造、異型繁雜結梁柱鍛造、變批量定制結梁柱鍛造方面的巨大優勢，在國際航空引擎鍛造領域大放異彩，目前3D列印掌控技術已成為是歐美發達北歐國家首選的國際航空引擎零部件鍛造掌控技術。2.1 國外發展現狀2013年美國霍尼韋爾公司列印了熱交換器和金屬支架。2014年德國西門子公司列印出了燃氣輪機的金屬零部件，成為全球工業鍛造業第一個將采用3D列印鍛造的金屬零部件應用于實際生產中公司。GE公司透過長達10多年的探索將其噴油嘴的結構設計透過不斷的優化，將噴油嘴的配件數量從20多個減少到一個，透過3D列印同時實現結構一體化，不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍,整體提高了LEAP引擎的性能。近日，通用電氣公司采用3D列印掌控技術鍛造了一臺微型噴氣式引擎，該引擎轉速高達33000r/min，將被應用于無人機。2.2 國內發展現狀進入21世紀以來，以中航工業為代表的工業部門開始研究和應用3D列印掌控技術，尤其在國際航空引擎的繁雜部件加工中已開展了大范圍3D列印掌控技術研究和商品加工。中國航發商發已完成增材鍛造微型渦噴引擎。中國航發航材院牽頭的北歐國家重點基礎金屬材料掌控技術提升與產業化項目“超細3D列印有色/難熔金屬球形粉末狀制備掌控技術”已經啟動。截至目前，中國航發和其他國內科研機構先后針對渦輪氣冷葉片、燃油組件、殼體、封嚴塊、噴嘴、整體葉盤、整體導向器、軸承座、葉柵等配件開展了探索研究，均取得了積極進展。3 前景分析3D列印掌控技術能夠自動、加速、直接、精準地將計算機中的二維結構設計轉化為實物模型，從研制階段列印模型到外場服務甚至戰時列印備件，其掌控技術優勢能夠廣泛應用于國際航空引擎的全壽命過程中。3.1 結構設計研制階段國際航空引擎本身就是“試出來的”商品，在結構設計階段，商品掌控技術狀態尚未重構，存在大量掌控技術狀態更改，各種零部件樣件需頻繁生產，傳統上每一輪改進都需要對模具展開修改，不僅增加鍛造成本，且生產周期性較長，嚴重拖延了結構設計進程，加之我國國際航空引擎結構設計和生產分離，信息傳遞存在滯后甚至存在結構設計和生產脫節等問題。3D列印掌控技術將結構設計、鍛造甚至維護過程融為一體，即同時實現了“結構設計即生產”的美好愿景，極大地縮小了裝備從“研制”到“定型“的時間差，且由于3D列印是從點到線，從線到面，從面到體的加法過程，沒有空間和時間的邊界限制，結構設計變量更多，組合更繁雜，然而這些參數及其后果都是可重復可追溯的，因此可有效利用大數據和云端積累并深度學習，再透過云端管理對全球所有增材鍛造設備在線監控，決策，掌控，最后使國際航空引擎的研制更加科學，加快了裝備的更新周期性。
3.2 生產鍛造階段一是提升強度、減輕重量，提高引擎整體性能。推重比是國際航空引擎的關鍵參數指標，減重一直是國際航空引擎鍛造的關鍵目標。目前國際航空引擎整機透過螺栓或其他接口將零部件或單元體連接，如若采用3D列印一體成形既減少了金屬材料增加了強度，又減少零部件數量從而減輕了引擎的重量，以PW1500G 引擎為例，其采用3D列印掌控技術生產的試驗部件比傳統工藝技術鍛造的該部件重量減輕50%。引擎整體重量的減輕，能夠產生更高的加速度，有效增加續航里程，擴大作戰半徑且降低了飛行成本。二是降高效率、縮短周期性，提升引擎生產效率。國際航空引擎中使用的鈦合金、鎳基高溫合金等金屬金屬材料價格昂貴，某些金屬材料甚至是稀缺的戰略金屬材料。采用傳統的加工鍛造方式，金屬材料使用率較低，一般不大于10%。以某型引擎整體葉片為例，傳統鍛造工藝技術類似于“雕刻”，金屬材料利用率僅為7%，即意味著93%的原金屬材料被浪費，鍛造成本高，且加工時間長。而采用3D列印掌控技術直接列印的整體葉盤，金屬材料利用率提高到80%以上，同時鍛造時間也僅有傳統鍛造的1/20，能夠大幅的縮短引擎的生產周期性，提高引擎的交付效率。詳見表1所示：
表1 國際航空盤形配件采用3D列印掌控技術與傳統鍛造方式的對比
三是減少環節、降低要求，提升引擎商品質量國際航空引擎每臺零部件上以千計，組裝過程需要上百道工序，且生產和安裝對工人生產技能要求較高，如若裝配不合理極易引起零部件存在應力產生斷裂、間隙過大引起引擎漏氣致使性能不合格或由于連接不穩固導致引擎產生振動故障。在某型號引擎故障統計中，由于裝配原因導致的故障約占10%，裝配工人水平的高低能夠直接影響到引擎的整機質量的好壞。采用3D列印的零部件一體成形，降低了工人的技能要求，減少了部分裝配環節，避免了人工差錯所帶來的影響，且結構之間的穩固性和連接強度要高于焊接等傳統方式，對引擎商品質量有較大提升。3.3 維修服務階段軍用國際航空引擎由于戰訓任務重、使用條件極端等原因，在使用組織工作中損傷模式繁雜，零備件需求量大，在外場使用過程中雖有專業的跟飛保障團隊展開維護，但每年仍有部分引擎需返廠展開維修，嚴重影響了我軍的戰斗力。3D列印為再鍛造提供了個性化、高效率的同時實現手段，是歐美發達北歐國家首選的國際航空引擎零部件再鍛造掌控技術。一是按需列印，提升部隊引擎完好率在引擎使用維護過程中，到壽件、易損件、必換件等零部件需求量大，各型號零部件掌控技術狀態也會不同，外場部隊又不可能存放大量存放，便會出現引擎停飛待件的情況。3D列印掌控技術的存在便可很好的解決這一難題，無需庫房存儲，只需要電腦中存在電子模型數據包，便可按需列印零部件。特別是戰時狀態，戰場上如果需要更換損毀部件，采用3D列印設備直接在戰場把所需要的部件鍛造出來，裝配后重新投入戰場，避免裝備某個零部件出現故障卻無法維修的窘境，從而使遭到毀傷的武器裝備得到再生。二是及時貫改，不斷提升引擎性能我國的國際航空引擎目前還處于逐漸走向成熟的階段，使用過程中故障偶有發生。由于外場單位分散，距離承制單位較遠，致使返廠周期性較長，同時為了保持部隊戰斗力，一些排故措施和掌控技術改進不得不結合引擎到壽返廠后一并貫徹，影響了引擎的可靠性。如若外場采用3D列印掌控技術，只需要更新數據包便可以第一時間列印出新結構、新金屬材料的零部件展開更換，大大減少了商品長途運輸時間，避免了貫改滯后，加快了裝備的更新周期性，提升了引擎的可靠性。
4 總結3D列印掌控技術目前雖然在精度還是機械性能上與傳統鍛造工藝技術還有差距，但其所帶來的全新結構設計理念正是中國發展國際航空引擎的重大機遇。在這一機遇面前，我們應加速推進3D列印結構設計和鍛造的理念、方式、手段、工具和相應的規范準則，共同努力，打造出更輕、更高效、更安全、更環保、更可靠國際航空引擎，助力我軍早日同時實現強軍夢。
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