3D科学谷研究 l 揭秘GKN的增材制造布局
GKN（吉凯恩集团）是全球性的工程服务公司，包括航空航天、汽车传动系统、粉末冶金和地面特种车辆四大业务板块。通过多次收购，GKN航空航天业务板块逐渐建立起世界级的服务能力。
围绕着强大的航空航天业务版图，GKN打造了三个增材制造卓越中心：GKN美国辛辛那提增材制造卓越中心，GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心，GKN英国Filton增材制造卓越中心。
图：GKN的航空卓越中心及研究伙伴
通过增材制造中心将集团内部的航空航天零部件制造、增材制造及材料研发的能力进行整合，推进增材制造技术在航空制造业务中的应用。本期，3D科学谷将与谷友们一起走进GKN，了解GKN航空航天部门在增材制造领域的布局。
来源：GKN
收购激发的
加速成长
GKN的收购“大事件”
图片：GKN SLM 3D打印零部件
首先让我们了解一下GKN在航空航天业务领域的收购里程碑：
-2001年，GKN收购了波音公司在美国圣路易斯的结构业务工厂，加强了与波音公司在金属与复合技术领域的合作关系。
-2009年，收购空客在英国Filton的生产和组装工厂，增强了在金属航空结构件装配方面的实力。
-2012年，GKN收购了瑞典沃尔沃航空，打造了在航空发动机零部件的市场领导地位，扩展了GKN航空航天业务。
-2015年，GKN收购荷兰的福克技术，此举将有助于拓展GKN的国际业务，并且可以增加在航空业务和飞机电线系统市场中的地位。
通过这些收购，GKN进一步完善了其航空航天制造业务的版图。航空航天制造业务对产品的交期、性能要求最为严格，同时对昂贵制造材料的成本节约也有迫切需求，这些需求也正是GKN 打造增材制造能力的主要动力。
图片：增材制造（左）和传统技术（右）对材料的利用率对比
在交期方面，GKN有些复杂零部件通过传统制造开模技术迭代的周期长达2年，采用了增材制造技术之后可将迭代周期缩短至1年之内。在成本方面的优势主要体现在更高的材料利用率和能源效率上，增材制造技术对钛合金这种昂贵的航空材料的利用率接近100%。
增材制造技术交期和成本上的优势是与传统制造技术相对而言的，而增材制造技术所带来的产品性能方面的优势指的是该技术可以为航空航天制造业务提供传统制造技术无法实现的特殊零部件，例如，增材制造技术可以制造拓扑优化的具有特殊几何结构的轻量化零部件。
在设计增材制造零部件时引入仿生设计概念也是GKN关注的重点，增材制造技术有能力制造出定制化的“原位”复合材料的微结构。通过控制工艺参数，增材制造技术拥有了制造出所需的微结构的潜力，这正是提高零部件性能所需要的能力。
从丝材到粉末
从金属到塑料
增材制造技术包括多种不同的工艺，那么GKN 掌握了哪些增材制造技术？其三大增材制造卓越中心又分别擅侧重于哪项增材制造技术呢？
精密沉积（Fine-scale deposition）
该技术既包括电子束融化焊接技术，将金属丝作为打印材料，并使用一种功率强大的电子束在真空环境中通过高达1000℃的高温来融化打印金属零部件；也包括送粉技术，由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末直接送入高温熔区，熔化后逐层沉积。
GKN美国辛辛那提增材制造卓越中心负责以激光束为能量源，对金属丝材进行熔融沉积成型的技术。3D科学谷了解到在这里，GKN 航空航天部门主要将该技术用于制造大于50cm 的零部件，包括航空结构件以及一些随着买飞比的显著提升而降低成本的零部件。
GKN美国增材制造卓越中心与美国橡树岭国家实验室合作，针对大型零部件的增材制造能力，包括法兰的局部制造或整个部件的制造。
除了GKN美国增材制造卓越中心，GKN 位于瑞典的Trollhätten增材制造卓越中心是大型零件制造的主要基地。在这里，GKN 应用这类增材制造技术制造钛合金和镍基合金。GKN对增材制造技术的应用包括三大方面：高价值零部件的维修、中型航空发动机的制造、航空航天结构件的制造。通过增材制造技术的应用可以减少部件数量，减少零部件在精加工过程中的材料去除率，提高买飞比。
图片：GKN增材制造的Vulcain 2 喷嘴
其中，GKN Trollhätten增材制造卓越中心所拥有的电子束金属丝融化焊接技术主要用于制造大型GKN航空发动机零部件以及航天零部件。据3D科学谷市场研究，其中的一个经典的应用是Ariane 5火箭中的Vulcain 2 喷嘴，该零部件重达50kg。这个大型增材制造零部件增强了结构，节约了制造成本。
而GKN Trollhätten中心的送粉激光粉末沉积技术主要应用于钛合金和镍基合金零部件的修复。
粉末床技术
GKN应用的粉末床技术包括选择性激光熔融（SLM）和电子束熔融技术(EBM)。其中，EBM 技术主要用于制造Ti-6Al-4V钛合金小到中型零部件。SLM技术制造的重点领域是钛合金和镍基高温合金零部件，以及复杂零部件和高附加值零部件。
图片：GKN Filton中心制造的零部件
负责推进这些应用的GKN Filton增材制造卓越中心拥有12台增材制造设备，这里的设备被划分为三个单元，其中两个单元为EBM设备，第三个单元为SLM 设备。第一个单元的EBM设备主要用作研究用途，用来研究工艺参数与随之产生的微结构和性能控制。这些信息的分析结果将用于设置第二个单元中设备的工艺参数，继而进行钛合金零部件的小批量生产。除了增材制造设备，Filton增材制造卓越中心还设有材料实验室，对粉末材料的特征、质量进行测试和控制。
图片: GKN EBM设备制造的支架，部分已经过机加工
以上这些设备和材料主要服务于钛合金和镍基合金零部件的制造。通过增材制造技术，GEN Filton中心为复杂零部件的制造有效节约了成本，同时还通过制造集成式的零部件和结构优化的零部件提高了产品性能，产品性能的提升体现为对飞机性能的提升以及降低能源消耗的成本。
塑料的增材制造
GKN的塑料类产品的增材制造技术包括选择性激光烧结（SLS）和FDM（熔融沉积）两种技术。SLS技术的打印材料主要为尼龙粉末，FDM的打印材料则包括多种热塑性塑料丝材。两种工艺均用于模具制造和快速原型。高分子塑料的增材制造也是由GKN Filton增材制造卓越中心负责推进的。
更大的
版图
用增材制造技术进行航空零部件批量生产的工作已在GKN航空航天部门强势展开，GKN航空增材制造部的主管Sharman博士预计，GKN将迎来增材制造技术应用的加速发展，接下来在GKN将与Rolls-Royce合作制造XWB-84大型航空发动机，该发动机也将引入增材制造技术制造轻量化以及高性能的压气机壳体。
来源：GKN
正如罗马不是一日建成的，GKN对于增材制造的前景保持信心的同时，也将增材制造在制造领域的应用分为不同的发展时期来看，增材制造将从现今的近净形零件修复与制造，发展到用于完全优化的零件与系统的制造以及定制化的微结构，功能级别的材料制造。与此同时，增材制造在航空航天领域将占有越来越重要的地位，也将出现更多的100%通过增材制造技术制造出来的航空零件。
来源：GKN
零部件的可靠性、质量、可重复的工艺，以及合格的材料，是用户能否接受增材制造的零部件重要因素。GKN对这一系列的质量控制工作高度重视，并通过对样品的测试来进行严格的质量控制。未来，GKN的增材制造技术将为GKN集团内部的更多部门和外部的合作伙伴提供服务。
参考资料：
GKN Technology Leading the way toward more efficient aircraft
GKN Aerospace - Technology and Innovation for the Future of Composites Manufacturing
GKN Aerospace - Additive Manufacturing
Engineering the Future - making ideas fly
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