要說3D打印在渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用突破莫過于GE要在2018年試飛的ATP飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)了。這為通過增材制造可以實(shí)現(xiàn)的可能性打開了新的空間。 GE公司先進(jìn)的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP）發(fā)動(dòng)機(jī)中，三分之一以上的部件是由3D打印來完成的，其額定功率為1300馬力，該發(fā)動(dòng)機(jī)為Textron Aviation推出的10人座商用飛機(jī)Cessna Denali提供動(dòng)力。本期，與網(wǎng)友一起近距離來了解這款發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。
與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同的是，渦輪螺旋槳飛機(jī)通常為小型商業(yè)飛行器和個(gè)人飛機(jī)提供動(dòng)力，但這仍然代表著數(shù)十億美元的市場(chǎng)。基于3D打印技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)師將855個(gè)獨(dú)立部件減少到12個(gè)。不僅如此，3D打印通過降低ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的重量來降低成本。發(fā)動(dòng)機(jī)輕5％，這意味著它將使飛機(jī)減少燃油消耗，此外設(shè)計(jì)變更將使ATP的發(fā)動(dòng)機(jī)提高燃油燃燒效率，從而能夠減少20％的燃油消耗，并且比傳統(tǒng)加工方式制造的發(fā)動(dòng)機(jī)多10％的功率。
GE ATP計(jì)劃負(fù)責(zé)人Gordie Follin說：“這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是革命性的。因?yàn)镚E將大型商業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)中驗(yàn)證的最先進(jìn)的技術(shù)移植到渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造中來。”
ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的革新之處包括3D空氣動(dòng)力學(xué)、可變定子葉片和完全集成的數(shù)字引擎和螺旋槳控制系統(tǒng)。 Follin說：“我們正在使得Textron可以擁有更高的動(dòng)力以承載更大、更豪華的客艙，并且發(fā)動(dòng)機(jī)提供滿足客戶期望的巡航速度，并且飛行員將坐在更簡(jiǎn)潔明快的噴氣式駕駛艙中。”
經(jīng)過十多年的研究和開發(fā)，GE通過幾個(gè)流程的銜接來生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)零件，包括直接金屬激光熔化3D打印技術(shù)。由于3D打印非常適合加工高度復(fù)雜的零件，這使得ATP發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)減少了約30％的零件，同時(shí)減少了發(fā)動(dòng)機(jī)制造中涉及的組裝步驟和檢查次數(shù)。通過完全消除接頭的需要，該設(shè)計(jì)還消除了接頭損失和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。
GE的子公司Avio Aero的工程主管Giorgio Abrate說：“這不是簡(jiǎn)單地用另一種方法替代一種生產(chǎn)方法，而是重新設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的方式。”除了大量的采用增材制造技術(shù)之外，ATP還是世界上第一個(gè)“數(shù)字原生”航空發(fā)動(dòng)機(jī)。 ATP的設(shè)計(jì)師不是依靠2D原理圖，而是使用先進(jìn)的3D建模。引擎中的傳感器將收集數(shù)據(jù)，并允許用戶構(gòu)建所謂的ATP數(shù)字雙胞胎。此外，引擎的虛擬模型將會(huì)根據(jù)實(shí)際情況來考慮磨損，幫助操作人員預(yù)測(cè)正確的維護(hù)時(shí)間，從而使得飛機(jī)將更多的時(shí)間用于飛行。該發(fā)動(dòng)機(jī)還將配備通過單個(gè)控制桿控制發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的技術(shù)，使得飛行員能夠像駕駛噴氣式飛機(jī)一樣來駕駛Denali飛機(jī)。
圖片：ATP立體燃油加熱器采用微小復(fù)雜的通道進(jìn)行蜂窩式傳播，GE通過3D打印制造出來。圖片來源：TomasKellner
在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，燃燒室和許多結(jié)構(gòu)元件通過3D打印技術(shù)來完成，這帶來更簡(jiǎn)潔、更輕和更緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)，具有最佳的16:1的工業(yè)級(jí)總壓力比（OPR ）。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，這使其能夠節(jié)約15％的燃料（僅僅通過設(shè)計(jì)提高的燃料燃燒效率帶來的節(jié)約）和提高10％的巡航功率。
總的來說，3D打印技術(shù)完成了目前Denali發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的部件，包括ATP的動(dòng)力齒輪箱。不僅如此，3D打印技術(shù)還使得設(shè)計(jì)工程師能夠采用以前無法使用的材料組合，包括新的合金。
3D打印技術(shù)也用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)ATP燃燒器，其圍繞式逆流配置，從而最大限度地縮短發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度，同時(shí)改善整體發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和安裝。并且3D打印還以更低的成本使得工程師對(duì)大量的設(shè)計(jì)概念進(jìn)行原型制造和功能測(cè)試，這一過程如果通過傳統(tǒng)的常規(guī)制造過程將耗費(fèi)過高的時(shí)間和成本。
此外，ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)來自世界各地，包括GE位于意大利、波蘭、德國(guó)和捷克共和國(guó)。ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的正式生產(chǎn)將于明年開始，搭載ATP發(fā)動(dòng)機(jī)的Cessna Denali預(yù)計(jì)在2019年底將從跑道起飛。
