国际航空引擎做为工业锻造成就的开创者，是一个北欧国家锻造业水平的关键象征。随着北欧国家“十三五”战略的稳步推进，我国的国际航空引擎锻造产业虽然取得了飞速发展的发展，但对高效率、短周期性、质量轻、强度大等锻造工艺技术的追求也越发迫切。3D列印掌控技术做为第三次产业革命的关键象征，它为金属材料和结构提供了一类捷伊锻造方式，为国际航空引擎关键掌控技术突破和测试方法提升带来更多的可能性。
1 掌控技术概要3D列印掌控技术(3D printing)是加速成形掌控技术(Rapid Prototyping，RP)的一类，它是一类以calculated文件为依据，运用粉末状金属或塑料等可黏合金属材料，透过逐级列印的方式来构造物体的掌控技术，极大地缩短了商品的研制周期性和加工周期性[2]，其同时实现的主要方式包括：1.1 多层虚拟锻造多层虚拟锻造掌控技术（Laminated Object Manufacturing，LOM）其组织工作基本原理如图1所示，具体来说X201i机构将正方形涂有尼龙的箔材逐级地送至组织滚珠轴承的上方，然后采用CO2电子束依照科枫结构设计的截面线条对组织滚珠轴承上的箔材展开逐级研磨，并除去线条区内的金属材料，从而完成所需商品的锻造。
图1 多层虚拟锻造掌控技术组织工作基本原理
1.2 SBR二维成形SBR二维成形掌控技术（Stereo Lithography Apparatus，SLA）其组织工作基本原理如图2所示，具体来说在液槽中充满固体对光聚丙烯，其次透过计算机命令掌控电子束的扫描器方向，在紫外光电子束反射作用下，固体对光聚丙烯同时实现会加速重构成形，之后利用气垫的高度调整同时实现逐级列印，最后同时实现一层层共振构成二维虚拟。
图2 SBR二维成形掌控技术组织工作基本原理
1.3 熔积成形熔积成形（Fused Deposition Modeling，FDM），其组织工作基本原理如图3所示，透过高温对各种金属材料展开冷却溶化，依照科枫结构设计的截面逐级堆积，最后得到成形配件的掌控技术。
图3 熔积成形掌控技术组织工作基本原理
1.4 特异性雷射热处理特异性雷射热处理(Selective Laser Sintering，SLS)，其组织工作基本原理如图4所示，该掌控技术主要是透过掌控电子束依照事先预设方向对粉末状金属材料展开一层层热处理而成形的掌控技术，是一类由对数点一层层堆成二维虚拟的工艺技术方式。
图4 特异性雷射热处理掌控技术组织工作基本原理
在国际航空引擎锻造领域，高效能金属梁柱特异性雷射热处理掌控技术是前沿的3D列印掌控技术。该掌控技术从配件N53SI241SV一步同时实现高效能大型繁杂梁柱的成形,成形梁柱形状之繁杂、节约金属材料程度之高，是传统铸成和金属加工方式难以撼动的。2 发展现状3D列印掌控技术自问世以来，凭借在大尺寸配件一体化锻造、异型繁杂结梁柱锻造、变批量定制结梁柱锻造方面的巨大优势，在国际航空引擎锻造领域大放异彩，目前3D列印掌控技术已成为是欧美发达北欧国家首选的国际航空引擎零部件锻造掌控技术。2.1 国外发展现状2013年美国霍尼韦尔公司列印了热交换器和金属支架。2014年德国西门子公司列印出了燃气轮机的金属零部件，成为全球工业锻造业第一个将采用3D列印锻造的金属零部件应用于实际生产中公司。GE公司透过长达10多年的探索将其喷油嘴的结构设计透过不断的优化，将喷油嘴的配件数量从20多个减少到一个，透过3D列印同时实现结构一体化，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍,整体提高了LEAP引擎的性能。近日，通用电气公司采用3D列印掌控技术锻造了一台微型喷气式引擎，该引擎转速高达33000r/min，将被应用于无人机。2.2 国内发展现状进入21世纪以来，以中航工业为代表的工业部门开始研究和应用3D列印掌控技术，尤其在国际航空引擎的繁杂部件加工中已开展了大范围3D列印掌控技术研究和商品加工。中国航发商发已完成增材锻造微型涡喷引擎。中国航发航材院牵头的北欧国家重点基础金属材料掌控技术提升与产业化项目“超细3D列印有色/难熔金属球形粉末状制备掌控技术”已经启动。截至目前，中国航发和其他国内科研机构先后针对涡轮气冷叶片、燃油组件、壳体、封严块、喷嘴、整体叶盘、整体导向器、轴承座、叶栅等配件开展了探索研究，均取得了积极进展。3 前景分析3D列印掌控技术能够自动、加速、直接、精准地将计算机中的二维结构设计转化为实物模型，从研制阶段列印模型到外场服务甚至战时列印备件，其掌控技术优势能够广泛应用于国际航空引擎的全寿命过程中。3.1 结构设计研制阶段国际航空引擎本身就是“试出来的”商品，在结构设计阶段，商品掌控技术状态尚未重构，存在大量掌控技术状态更改，各种零部件样件需频繁生产，传统上每一轮改进都需要对模具展开修改，不仅增加锻造成本，且生产周期性较长，严重拖延了结构设计进程，加之我国国际航空引擎结构设计和生产分离，信息传递存在滞后甚至存在结构设计和生产脱节等问题。3D列印掌控技术将结构设计、锻造甚至维护过程融为一体，即同时实现了“结构设计即生产”的美好愿景，极大地缩小了装备从“研制”到“定型“的时间差，且由于3D列印是从点到线，从线到面，从面到体的加法过程，没有空间和时间的边界限制，结构设计变量更多，组合更繁杂，然而这些参数及其后果都是可重复可追溯的，因此可有效利用大数据和云端积累并深度学习，再透过云端管理对全球所有增材锻造设备在线监控，决策，掌控，最后使国际航空引擎的研制更加科学，加快了装备的更新周期性。
3.2 生产锻造阶段一是提升强度、减轻重量，提高引擎整体性能。推重比是国际航空引擎的关键参数指标，减重一直是国际航空引擎锻造的关键目标。目前国际航空引擎整机透过螺栓或其他接口将零部件或单元体连接，如若采用3D列印一体成形既减少了金属材料增加了强度，又减少零部件数量从而减轻了引擎的重量，以PW1500G 引擎为例，其采用3D列印掌控技术生产的试验部件比传统工艺技术锻造的该部件重量减轻50%。引擎整体重量的减轻，能够产生更高的加速度，有效增加续航里程，扩大作战半径且降低了飞行成本。二是降高效率、缩短周期性，提升引擎生产效率。国际航空引擎中使用的钛合金、镍基高温合金等金属金属材料价格昂贵，某些金属材料甚至是稀缺的战略金属材料。采用传统的加工锻造方式，金属材料使用率较低，一般不大于10%。以某型引擎整体叶片为例，传统锻造工艺技术类似于“雕刻”，金属材料利用率仅为7%，即意味着93%的原金属材料被浪费，锻造成本高，且加工时间长。而采用3D列印掌控技术直接列印的整体叶盘，金属材料利用率提高到80%以上，同时锻造时间也仅有传统锻造的1/20，能够大幅的缩短引擎的生产周期性，提高引擎的交付效率。详见表1所示：
表1 国际航空盘形配件采用3D列印掌控技术与传统锻造方式的对比
三是减少环节、降低要求，提升引擎商品质量国际航空引擎每台零部件上以千计，组装过程需要上百道工序，且生产和安装对工人生产技能要求较高，如若装配不合理极易引起零部件存在应力产生断裂、间隙过大引起引擎漏气致使性能不合格或由于连接不稳固导致引擎产生振动故障。在某型号引擎故障统计中，由于装配原因导致的故障约占10%，装配工人水平的高低能够直接影响到引擎的整机质量的好坏。采用3D列印的零部件一体成形，降低了工人的技能要求，减少了部分装配环节，避免了人工差错所带来的影响，且结构之间的稳固性和连接强度要高于焊接等传统方式，对引擎商品质量有较大提升。3.3 维修服务阶段军用国际航空引擎由于战训任务重、使用条件极端等原因，在使用组织工作中损伤模式繁杂，零备件需求量大，在外场使用过程中虽有专业的跟飞保障团队展开维护，但每年仍有部分引擎需返厂展开维修，严重影响了我军的战斗力。3D列印为再锻造提供了个性化、高效率的同时实现手段，是欧美发达北欧国家首选的国际航空引擎零部件再锻造掌控技术。一是按需列印，提升部队引擎完好率在引擎使用维护过程中，到寿件、易损件、必换件等零部件需求量大，各型号零部件掌控技术状态也会不同，外场部队又不可能存放大量存放，便会出现引擎停飞待件的情况。3D列印掌控技术的存在便可很好的解决这一难题，无需库房存储，只需要电脑中存在电子模型数据包，便可按需列印零部件。特别是战时状态，战场上如果需要更换损毁部件，采用3D列印设备直接在战场把所需要的部件锻造出来，装配后重新投入战场，避免装备某个零部件出现故障却无法维修的窘境，从而使遭到毁伤的武器装备得到再生。二是及时贯改，不断提升引擎性能我国的国际航空引擎目前还处于逐渐走向成熟的阶段，使用过程中故障偶有发生。由于外场单位分散，距离承制单位较远，致使返厂周期性较长，同时为了保持部队战斗力，一些排故措施和掌控技术改进不得不结合引擎到寿返厂后一并贯彻，影响了引擎的可靠性。如若外场采用3D列印掌控技术，只需要更新数据包便可以第一时间列印出新结构、新金属材料的零部件展开更换，大大减少了商品长途运输时间，避免了贯改滞后，加快了装备的更新周期性，提升了引擎的可靠性。
4 总结3D列印掌控技术目前虽然在精度还是机械性能上与传统锻造工艺技术还有差距，但其所带来的全新结构设计理念正是中国发展国际航空引擎的重大机遇。在这一机遇面前，我们应加速推进3D列印结构设计和锻造的理念、方式、手段、工具和相应的规范准则，共同努力，打造出更轻、更高效、更安全、更环保、更可靠国际航空引擎，助力我军早日同时实现强军梦。
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