人工智能与材料技术成就超合金，揭示Fraunhofer的futureAM项目如何助力下一代飞机发动机
在亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT的领导下，“futureAM – 新一代增材制造”是于2017年11月推出的，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍。重点呈现从订单到完成金属3D打印组件的数字和物理增值的整体视图，目标是向增材制造的新一代技术迈进。在亚琛Fraunhofer ILT的领导下，另外五个Fraunhofer研究所（IWS，IWU，IAPT，IGD和IFAM）正在参与该项目。
之前，3D科学谷充分介绍了亚琛Fraunhofer ILT在超高速激光材料沉积，以及带5个振镜、可扩展的下一代选区激光粉末床金属3D打印技术领域的进展，本期，3D科学谷与谷友一起来领略Fraunhofer IWS研究所在通过增材制造下一代材料方面的进展。
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Fraunhofer IWS增材制造技术助力更高效的飞机发动机，来源：Fraunhofer IWS
....提升技术极限
实现更强大的材料
Fraunhofer IWS工程师基于对材料技术以及激光加工的强大理解，建立了增材制造领域加工技术与材料的相关性。在Fraunhofer灯塔项目“ futureAM-下一代增材制造”的框架内，Fraunhofer IWS的科学家们正以很高的采样率记录大量传感器数据以提升对加工过程的理解，创造更多更神奇的材料。
▲图片：通过激光粉末堆积焊接，可以整体制造由不同材料制成的组件。因此，可以将特定材料准确地放置在需要其特性的位置。例如，这为燃气轮机提供了更轻、更好、成本更低的叶片制造前景。
来源：Fraunhofer
Fraunhofer IWS工程师基于对材料技术以及激光加工的强大理解，建立了增材制造领域加工技术与材料的相关性。在Fraunhofer灯塔项目“ futureAM-下一代增材制造”的框架内，Fraunhofer IWS的科学家们正以很高的采样率记录大量传感器数据以提升对加工过程的理解，创造更多更神奇的材料。
人工智能成就超合金
Fraunhofer IWS的专家通过“人工智能”（AI）和“机器学习”的先进方法来提升对加工过程的理解，由Fraunhofer IWS图像处理和数据管理工作组进行研究。通过人工智能，可以找到这些数据泛洪中的隐藏联系。
▲通过人工智能来预测增材制造加工工艺与材料性能的关系，从而创建更强大的材料
来源：Fraunhofer
例如，特殊的分析算法将测得的传感器值与研究所的粉末数据库联系起来，并评估进一步的工艺参数。根据3D科学谷的了解，机器逐渐学习如何做出自己的决定。例如，可以自主确定是否可以容忍激光熔覆增材制造过程中温度的轻微升高，还是必须在导致整个组件的加工出现质量缺陷之前立即采取对策。
飞机发动机最能够说明对更强大的材料需求这一前景的示例：如果大多数材料在1200度左右的温度下还没有失效，它们可以在更高的温度下更高效地工作。诚然，有些材料可以承受如此高的温度，但它们的成本非常高，并且难以使用传统方法进行处理。
▲EDX映射：化学材料的过渡， 颜色说明了从钴基合金Merl72到镍基高温合金IN 718的连续过渡（黄色：钴，蓝色：镍，橙色：铝）。
来源：Fraunhofer
增材制造旨在解决这一难题，通过3D打印技术可以帮助实现更具成本效益的高性能材料。使用激光熔覆技术，可以以精确可调的进给速度同时或连续的将不同粉末送入加工区域。
通常采用单一材料设计飞机发动机整个组件不是很有效，因为组件不会在所有点上都受到相同的热量。最好只在温度很高的地方使用昂贵的高电阻材料，在其他地区，使用较便宜的材料就足够了。这正是增材制造系统可以实现的，一旦人工智能学会了加工所需的超合金，下一步是将各种高性能材料整合到一个组件中。
在“ futureAM-下一代增材制造”联合项目中，Fraunhofer IWS和其他五个Fraunhofer研究所正在汇集这项技术和更多专业知识，以将增材制造推向新的高度。到2020年夏季，他们希望将其所有专业知识整合到增材制造工艺链中，并在实际组件中进行展示。
提高飞机发动机效率
现代飞机发动机的燃烧室在燃烧过程中产生的温度超过2,000开尔文。该值比所用材料的熔化温度高数百度，所以必须对热负荷较高的组件的某些区域进行冷却，并在内部和外部配备特殊的隔热涂层。考虑到飞机着陆后，发动机再次迅速冷却。加热和冷却的不断变化给发动机中的组件施加了巨大的压力。
Fraunhofer IWS研究所开发了激光加工的微结构，这些结构延长了热障涂层的寿命，并有助于显着减少燃油的消耗和污染物的排放。Fraunhofer IWS技术的核心通过增材制造的微结构用于在涡轮机部件上构建创新的热障涂层（TBC），并确保将金属、抗氧化的粘合促进剂层和陶瓷绝缘层高度贴合在一起。
▲创建更强大的材料
来源：Fraunhofer
Fraunhofer IWS研究人员解决了在组件快速膨胀和收缩期间发生的另一个问题。膨胀在绝缘层中产生机械应力，根据3D科学谷的了解，该机械应力是由材料的不同膨胀度引起的。这可能导致陶瓷层出现水平裂纹，随后可能剥落。Fraunhofer IWS研究人员开发的微结构特别地在陶瓷层中引发了垂直分割裂纹，这减小了材料中的拉应力，从而防止了可怕的水平裂纹的形成。
为了产生花丝微结构，研究人员需要进一步开发现有的生产技术。高精度单模光纤激光器可产生低至30微米数量级的微结构。根据3D科学谷的了解，除了实验之外，Fraunhofer IWS所使用的仿真和理论模型也对成功起到了重要作用。新技术可以进一步提高喷气发动机的效率，同时提高燃烧温度。更有效的燃烧可将燃料消耗降低百分之十，并减少温室气体排放。结合其他措施，每年可节省大量成本。
根据3D科学谷的了解，来自Fraunhofer IWS的研究人员和工程师的联合团队已成功地将研究工作转移到了符合航空业严格安全标准的可投入生产的制造中，获得了欧洲航空安全局（EASA）的航空批准。自2018年2月以来，使用该技术的发动机已在空中客车A350-1000的长途飞机中使用。Fraunhofer的专家预计，将来其他喷气发动机也将配备创新的IWS研究所开发的此项增材制造技术。
合作伙伴
ACAM为增材制造复杂挑战导航
亚琛Fraunhofer ILT是futureAM项目的主导单位，在2015年，以亚琛Fraunhofer ILT, 亚琛Fraunhofer IPT，亚琛工业大学为基础的亚琛增材制造中心ACAM成立，通过ACAM聚集亚琛的资源以及应用端的需求，从而进一步推动行业发展。目前有超过100多名科研人员从事增材制造的科研，解锁增材制造复杂奥秘，ACAM集中亚琛的优势资源推动增材制造认证、联合研发、培训教育、产业孵化等多方面的发展。
▲ACAM为增材制造复杂挑战导航，视频中ACAM的两位直接领导人Schleifenbaum教授来自亚琛Fraunhofer ILT和亚琛工业大学DAP学院主席，Arntz博士来自亚琛Fraunhofer IPT，他们同时是ACAM中国董事。
来源：ACAM
关于Fraunhofer引领增材制造产业化前沿技术发展的更多领先进展，3D科学谷将展开持续介绍，敬请保持关注！
近距离了解ACAM如何为增材制造复杂挑战导航，欢迎参加中国科协第22届年会期间中国科协智能制造学会联合体支持的高端装备产业发展论坛，ACAM德国总裁&ACAM中国董事Kristian Arntz博士于2020年8月13日科协年会高端装备产业发展论坛上关于《成就明天制造的3D打印-增材制造技术》，ACAM中国董事王晓燕女士关于《3D打印助力动力装备发展报告》的两场演讲。
更多3D打印在航空发动机领域的应用，请参考3D科学谷发布的《3D打印与航空发动机白皮书2.0》
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三维世界｜全球视角
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