中国科协第22届年会《3D打印助力动力装备发展报告》
“改革开放 创新引领——科技赋能 合作发展”为主题的中国科学技术协会第二十二届中国科协年会于2020年8月10-15日在山东省召开。中国科协年会是我国科技领域高层次、高水平、大规模的科技盛会，已经成为集聚全国顶级智囊、汇集众多科学界精英、聚焦经济社会前沿课题的思想盛会、智慧盛会、创新盛会。
在中国科协的积极倡导和指导下，由中国机械工程学会、中国仪器仪表学会、中国汽车工程学会、中国电工技术学会、中国电子学会、中国自动化学会、中国农业机械学会、中国人工智能学会、中国微米纳米技术学会、中国光学工程学会、中国纺织工程学会、中国宇航学会和中国造船工程学会等13家与智能制造有关的中国科协所属全国学会广泛联合相关企业、科研机构、高等院校，组建成立了“中国科协智能制造学会联合体”。
在中国科协年会上，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围绕“智能制造技术促进装备产业集群高质量发展”主题，针对装备制造业转型升级开展深入交流，推动学术研究与产业发展深度融合，为产业发展提供决策建议。3D科学谷特别分享中国科协年会高端装备产业发展论坛上ACAM亚琛增材制造中心的演讲内容。继ACAM德国总裁&ACAM中国董事Kristian Arntz博士关于《成就明天制造的3D打印-增材制造技术》的演讲之后，本期为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》的精彩洞见。
*点击文中红色字体打开相关延伸阅读链接*
来源：ACAM
....l 王晓燕 女士
ACAM中国董事，负责ACAM中国发展战略、企业文化、运营发展。曾与中国汽车工程学会合作出版发行了《3D打印与汽车行业技术发展报告》，与工业和信息部工业文化发展中心合作出版了《3D打印与工业制造》，王晓燕还与联合创始人Korinna Penndorf、朱琳一起创立了3D科学谷。ACAM亚琛增材制造中心是基于Fraunhofer IPT生产技术研究所、Fraunhofer ILT激光技术研究所、亚琛工业大学等工业研究领域成员的合作。ACAM致力于为制造企业提供一站式的增材制造专业技术，成立以来积累了不同先进科研领域的专业知识，并通过提供增材领域的认证与咨询、联合研发、专业技术培训和教育服务、软件和系统工程以及定制服务，帮助企业应对增材制造技术在应用中的挑战。
▲ 识别二维码，观看在线直播
Note: Identify the QR code and watch the live broadcast
▲ 亚琛园区的欧洲最大的5G研究型工业园区
配合中国科协年会主题，王晓燕的演讲主要涵盖了3D打印在动力装备方面的应用分类、技术优势、应用现状与发展趋势。
3D打印在动力装备方面的优势
王晓燕首先提纲挈领的从动力装备的特点谈起，动力装备的设计与制造要求是什么？她认为想清楚了这一点，就不难理解动力装备与增材制造当前和未来的发展关系。
用通俗的方式来理解，王晓燕把动力装备的发展要求概括为亮点：爆发力强、安全性高。而3D打印释放了设计与制造的自由度，通过优化燃料与空气的混合比，提升动力装备的动能；另一方面，通过3D打印冷却通道或者是铜金属，提升了动力装备的快速散热性能，获得更高的安全性。
为什么3D打印在动力装备方面颇具优势？我们目前聚焦的金属3D打印主要是关注其在制造复杂的几何形状，轻量化，缩短交货时间，功能性一体化结构实现等方面的优势。金属增材制造过程获得的微观组织结构将直接影响成型件的性能，获得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶体组织是金属增材制造的重要目标。成就以功能实现为导向、结构一体化、高性能合金的复杂零件，是3D打印在动力装备方面的优势所在。
为了理解3D打印正在改变动力装备的设计与制造逻辑，王晓燕特别举出了叶片的例子。在涡轮发动机叶片的运转过程中，裂纹是叶片的致命缺陷，叶片的发展趋势是采用更耐高温的镍基合金，而且冷却设计越来越复杂，冷却效果的要求越来越高，同时采用高效的隔热涂层。而3D打印通过实现更均匀可控的晶体组织、更复杂的叶片冷却通道、与金属基体结合更紧密的隔热涂层，从而提升了叶片的性能，更有效的避免裂纹发生。王晓燕提到了在通过3D打印创建新型金属材料方面，国内的科研院校进行了积极的探索，包括北京航空航天大学、上海交通大学、南京航空航天大学、西安交通大学、西北工业大学、华中科技大学等等都获得了显著的研究成果。
▲ 来源：《3D打印助力动力装备发展报告》
3D打印在动力装备方面的应用
而谈到增材制造在航天领域的应用，王晓燕谈到增材制造火箭推力室零件数量由数百个减少到几个，缩短了生产时间，降低了成本，显著提高火箭发动机的性能。王晓燕谈到我们需要意识到3D打印正在助力未来的发射系统实现成本的大幅下降，且技术上火箭必须是可重复使用的。
▲屡创新高的3D打印航天零件专利
来源：ACAM中国
▲屡创新高的3D打印航天零件专利
来源：ACAM中国
国际上的主要玩家都在通过3D打印铜合金推力室衬里，王晓燕谈到这些玩家所实现的技术具有一定的共同点，包括衬里具有集成的冷却通道,这种设计通过传统制造方式难以实现，其外层为冷气喷涂的高强度外套。大多数情况，3D打印推力室的歧管和整体式喷油也是增材制造的。
▲增材制造在动力传动领域的应用
来源：ACAM中国
王晓燕特别谈到国内民营航天领域的3D打印发展势头汹涌，国内零壹空间、深蓝航天、星际荣耀等新一代航天企业在应用3D打印方面获得了不断的突破。其中深蓝航天在发动机推力性能方面，深蓝航天对主要功能部件进行优化设计，实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越，铂力特承担了试车发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件的金属3D打印工作。
▲增材制造在航天推力室方面的应用
来源：ACAM中国
航天动力元件方面，呈现出百花齐放的发展态势。典型的案例包括：
▲增材制造在航天动力元件方面的应用
来源：ACAM中国
- Blue Origin采用3D打印技术来打印BE-4火箭发动机的壳体、涡轮、喷嘴、转子。Blue Origin的增压泵（OBP）设计利用增材制造技术制造出许多关键部件。
- 新型“军刀”引擎的一大亮点是3D打印的喷油器，3D打印正在助力航天飞机可以像普通飞机一样起飞、飞行和着陆。
- 美国航空航天局通过3D打印最复杂的火箭零部件，涡轮泵自身转速高达每分钟9万转，采用选区激光熔化的3D打印技术生产的涡轮泵与传统的焊接和装配技术相比，原材料消耗可以减少45%。
- 德国Fraunhofer 研究所（Fraunhofer IWS）揭示了一种增材制造-3D打印塞式喷管发动机，该发动机用于微型卫星发射器，其有效载荷可达350公斤。与传统设计相比，这款发动机在轻量化和燃料节省方面具有明显优势。
中国航天科技集团五院529厂的增材制造技术已在载人航天、深空探测、遥感、通信等多个领域的正样、初样产品研制中得到广泛应用。
增材制造的作用在航空领域不仅精确，而且考虑到所制造零件的复杂性，它的生产速度还足够快。就拿燃烧室旋流器来说，它的工作原理就像汽车的化油器，让发动机在喷嘴中获得准确的燃油空气比。3D打印在航空的动力装备领域应用非常多。王晓燕列举了几个具备典型性的案例，希望窥一斑而见豹，领略3D打印催生下一代航空飞机的强大潜力。
▲增材制造在航空动力方面的应用举例
来源：ACAM中国
l 最出名的GE9X将300多个发动机部件组合成7个3D打印的部件，其中包括能精确地让燃料和空气的混合物进入燃烧室的燃油喷嘴、低压涡轮叶片和热交换器。另一个是导流器，它能让发动机排出吸入的灰尘、沙子和其他碎片，延长发动机的使用寿命。最重要的这一切并非是纸上谈兵，2020年年初，搭载了两台GE9X发动机的波音777X飞机顺利完成其首飞！3D打印创造下一代动力装备！一切都发生在我们身边！
l GE Catalyst是全世界第一款集成螺旋桨操作全权数字控制的涡桨发动机，该发动机超过三分之一的部件是通过3D打印技术生产制造的。在发动机中有855个单独的部件通过增材制造技术组合成12个部件，因此大幅提升了发动机研制速度，还帮助发动机成功“瘦身”100多磅。
l T901 发动机使用了大量的3D打印零件，这里面GE结合了其在先进涡轮螺旋桨（ATP）发动机和喷气式发动机中使用过的先进制造技术和高温材料。
l GE的发动机最为人知的是燃油喷嘴，燃油喷嘴头内，迷宫一般复杂的流道将燃油与空气高效混合，可以帮助发动机实现优越的性能，GE的LEAP发动机的成败，很大程度上取决于燃油喷嘴的好坏。通过3D打印的燃油喷嘴顶部结构只有核桃般大小，里面却有14条精密的流体通道。3D打印的喷油嘴是一个精密的整体，原来20个部件成为一个零件被制造出来。新喷嘴重量比上一代轻25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。
王晓燕特别强调燃油喷嘴的意义还在于开创了增材制造产业化先河，GE奥本工厂凭借40多台3D打印机在2017年总共交付了8000个燃油喷嘴。截至2018年底，工厂完成的3D打印燃油喷嘴头总数已超过3.3万个。
▲GE获得专利的喷油嘴技术
来源：ACAM中国
而国内，商发公司牵头国家重点研发计划“增材制造支撑动力装备复杂系统构件创新设计、制造和维修全流程优化的应用示范”项目，包括中国航发606所、624所、608所、614所、航天31所等多家单位参与该项目。3D打印正在助力打造C919的“国产心”
国内民营航空方面，成立航空2015年开始用增材制造技术进行航空发动机燃烧室零部件研发制造。成立航空在增材制造应用方面开展了燃烧室喷嘴、燃烧室旋流器、燃烧室火焰筒、电机壳体等部件的研发工作。在金属3D打印进入到量产的产业化前景方面，成立航空正在推进发动机电机壳体的量产。
l 最先进的整体叶盘由镍基超级合金（例如IN 718）制成，该材料很难加工，因此通过铣削加工制造叶片既费时又费钱，亚琛工业大学数字增材制造DAP和Fraunhofer IPT专家研究了整体叶盘制造的工艺链，并将选区激光粉末床熔化（LPBF）3D打印作为一种替代性制造方法。使用LPBF技术制造叶片，则由于近净形而使得必须去除的材料显著减少，其中的晶格结构还避免后续铣削过程中的振动。
l 国内安世亚太联合深圳意动航空科技有限公司成功开发了两款全3D打印微型涡喷发动机，10kg级推力的NK-10和50kg级推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超温试验，各项指标满足设计要求，试验中最高转速高于14万rpm。
▲意动航空全部由3D打印的微型涡喷发动机专利
来源：ACAM中国
汽车方面，3D打印打开了生产更加复杂的零件和难加工材料的可行性，高端车方面，3D打印的汽车动力和制动零件走向量产成为”小荷才露尖尖角“的发展态势。
l 之前想采用钛合金材料来制造汽车的制动钳难度是非常大的，由于钛材料的强度非常高，通过铸造或锻造的常规方法获得这样的零件技术难度很大，布加迪通过使用新的钛合金部件确保更高的强度，并且使制动卡钳的重量减轻约40％，3D打印钛制动钳将应用于批量生产的车辆。
l 活塞是发动机的关键零件，保时捷发布了通过粉末床选区激光熔化3D打印技术为911 GT2 RS双涡轮增压发动机生产的活塞。在这一应用中，通过面向增材制造的设计实现轻量化不是唯一的目的，保时捷还通过优化活塞的设计使发动机获得更强动力与更高效率。
l 集成式的油路设计带来了很多需要耐高温的零件创新，YAMAICHI这家公司设计了一款集成热交换结构的制动钳，热交换结构的作用是在制动周期内对制动钳进行冷却，空气流能够穿过冷却通风口并加快冷却过程。采用这一设计的制动钳比传统设计减轻了40％的重量。这款制动钳的另外一个设计创新是压力油路。通常，压力油路中只有一个向制动钳活塞供油的方向，但设计优化后，有五个方向向卡钳活塞供油，这一设计有助于在卡钳活塞表面上产生更好的压力分布。
▲增材制造在汽车动力方面的应用举例
来源：ACAM中国
而3D打印砂型与铸造的结合在汽车的动力装备方面得到了很好的应用。国际上，为了满足轻量化以及热管理性能的需求，宝马采用了3D打印技术来制造S58发动机缸盖的铸造砂芯。S58发动机的涡轮压气机和冷却管路都经过重新设计，升级的压缩机和由低温回路提供的间接中冷器，进一步增强了S58发动机的功率输出。
▲增材制造在汽车动力方面的应用举例
来源：ACAM中国
通过创新的3D打印模具技术在3-5天内实现从模型到产品，也可以通过创新的工艺、夹具、刀具以及整线自动化设计，实现新能源车关键零部件的柔性、高效生产。
▲增材制造在汽车动力方面的应用举例
来源：ACAM中国
电动汽车方面，3D打印的应用也已经进入到汽车的”心脏“。国际上，GKN与汽车制造商保时捷通过金属3D打印开发新型电子驱动动力总成的新应用。GKN根据粉末床金属熔化3D打印技术的特点，针对更高的设计自由度、更高效、更集成的动力系统开发了特定的钢材料，这种钢材料能够承受高磨损和负载，并结合3D打印所实现的功能集成进一步减轻重量。另一方面，保时捷工程部门正在研究如何在其电子驱动动力系统中实施新材料。采用结构优化技术结合GKN的材料，保时捷实现了差速器的独特设计（包括齿圈），通过这种齿轮减重和刚性形状的组合，实现了更高效的传动。
而使用铸铜转子的电动机可以帮助普通感应式电动机有效降低电动机的转子损耗，从而帮助提高电动机的效率，在电动机损耗降低的同时，由于转化为热能的能量减少，从而使得转子以及定子线圈温度降低。
3D打印铜金属工艺，将有望解决电动汽车铸铜零件铸造和钎焊的挑战，替代铸造与钎焊，实现更经济更复杂更高效的铜零件生产，从而有望应用于例如转子、散热器、感应器等零件的制造中。
通过基于粉末床的SLM选区金属3D打印工艺制造电动汽车电动机定子绕组，使得凹槽中的铜含量更大。从物理上讲，这意味着匝的最大横截面和较小的电阻。而通过3D打印所实现的可变的形状还有利于散热，因为每条电线都与线圈的所谓叠片铁芯热接触，因此没有热点。
▲增材制造在汽车动力方面的应用举例
来源：ACAM中国
能源领域，3D打印充分发挥了其制造高温难加工金属材料、实现更复杂的设计的优势，王晓燕特别介绍了两种零件：燃烧器、叶片。
燃烧器：举例来说西门子DLE燃烧预混合器非常复杂，使用传统的铸造和CNC机加工制造方法涉及20多个零件。通过使用西门子合格的镍基超级合金作为增材制造材料，3D打印燃烧器部件仅需要两个部件组成，并且交付周期减少了约70％。3D打印使西门子能够简化生产过程中的复杂性，减少供应链中的外部依赖性，并改善组件的几何形状，从而实现更好的燃料– 空气混合。
叶片：还拿西门子举例，西门子曾经感叹如果可以3D打印叶片这么复杂的产品，那么你几乎可以通过3D打印来制造任何零件。西门子针对3D打印技术对叶片进行了重新设计，叶片设计具有完全改进的内部冷却几何制造。利用多晶镍超合金粉末制造，并改进了冷却性能。在满负荷核心机测试中，叶片被高于1250摄氏度的高温气体包围，每分钟13000转。值得庆祝的是，西门子叶片的批量生产正在通过位于美国的工厂来完成，王晓燕认为这是3D打印实现产业化的又一个经典案例。
另外一家公司GE也在3D打印动力装备方面获得了远足的发展，在GT 13E2 MXL2升级版推出之前，GE 哈丽特（Harriet）重型燃气轮机GE 9HA 已从增材制造技术中获益。GE HArriet凭借3D打印制造技术，在测试中以64%的联合循环效率击败了自身之前的设计。3D打印使得 HArriet燃气轮机的燃料和空气的预混合得到改进，从而实现了燃气轮机发电效率的最大化。
▲增材制造在能源动力方面的应用举例
来源：ACAM中国
▲增材制造在液压、热交换器方面的应用举例
来源：ACAM中国
液压阀体是用于引导液压系统连接阀、泵和传动机构内的液体流动。它使得设计工程师可以将对液压回路的控制集成在一个紧凑的单元内。通过传统的加工技术制造液压歧管，首先要切割和加工铝合金或不锈钢坯料，使其达到规定的尺寸，之后进行钻孔以形成液体流动通道。由于要完成复杂钻孔，因此通常会用到特殊工具。通道内还需要一些堵塞头，以正确引导液体在系统内的流动路线。传统制造工艺固有的局限性会导致相邻流动通道之间形成突兀的拐角，造成液体流动不畅和/或停滞，这是效率损失的一个重要原因。从流体力学的角度来看，传统方式加工的液压歧管在设计上存在许多有待改进的空间，这正是3D打印技术可以发挥作用之处。
王晓燕谈到3D打印热交换器对动力装备的重要性，动力装备离不开热交换器的作用，最新的发展趋势是通过3D打印将热交换器与动力装备的一些零件整体制造出来形成结构一体化功能组件。3D打印热交换器的优势包括：使流体通道尺寸较小，具有较薄的壁的形成而形成的流体通路；允许整体制造非常薄的翅片,适合加工翅片极薄、带有狭小内部通道的热交换器；可以通过表面光洁度和通道尺寸以改善通过通道的流体流动，改善通道内的热传递等；避免钎焊，减少故障发生；更轻，效率更高；通过传统制造工艺无法制造出来，更加错综复杂。
国内在液压阀门、热交换器等复杂零件的设计与制造方面展开了积极的探索，包括先临三维、铂力特、安世亚太增材制造、汉邦科技等企业都在这些领域逐渐积累经验。
▲仿真对释放增材制造潜力的重要性举例
来源：ACAM中国
除了产品设计层面仿真已经与创成式设计、拓扑优化设计深度结合，释放增材制造独特的潜力。在工艺预测与控制方面，仿真已经逐渐成为让增材制造从基于人类的经验走向科学的必由之路，在这里，王晓燕引用了安世亚太的洞见：
在仿真技术加持下，增材制造将会突破瓶颈，充分发挥优势，实现人们所期许的巨大创新空间。但随着增材制造技术的发展，增材工艺仿真技术也将不断进步，根据安世亚太，其未来的发展趋势主要在以下几个方向：
- 宏观尺度的增材工艺仿真模拟将越发普及和工程化应用，增材设计、工艺和制造等全周期将逐步引入增材工艺仿真，以保证设计产品的可打印性；
- 材料—设备—被打印件—支撑设计和工艺设计—工艺参数包—宏观特性—微观特性—后处理—性能预测，整个过程将被流程化和平台化；
- 介观分析和微观分析将逐步从研究和科研阶段迈入工程化应用；
- 基于物理过程模拟驱动的支撑设计及优化软件将逐步面世；
- 利用测试数据和仿真数据，AI算法和多尺度算法将实现增材工艺的线下预测。
最后，王晓燕总结道：更好的燃料与空气混合、更高效的散热通道、性能更佳的合金、与金属基体结合更紧密的涂层、更轻、更紧凑、更快速、更便宜，3D打印正以第四次工业革命之势，提升人类对资源的利用程度，为我们生活的世界创造更好的动力装备，创造更好的明天！
了解ACAM更多信息，请点击观看ACAM视频，或点击ACAM链接了解ACAM专辑。
视频：ACAM为复杂的增材制造导航
视频中ACAM的双总裁Schleifenbaum教授来自Fraunhofer ILT和亚琛工业大学DAP学院主席，Arntz博士来自Fraunhofer IPT; Schleifenbaum教授、Arntz博士同时是ACAM中国董事。
视频：第二十二届中国科协年会高端装备产业发展论坛新闻报道
*点击文中出现的红色字体打开阅读链接
点击下方
观看微课
主题：
经典案例看先进制造企业怎样塑造增材制造的未来
—德国 EOS 工业级塑料、金属3D打印解决方案
延伸阅读:
中国科协第22届年会《成就明天制造的3D打印-增材制造技术》
ACAM为复杂的增材制造导航
知之既深 行之则远
三维世界｜全球视角
白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请直接在本文下方留言
▲
-更多关注请登陆www.3dsciencevalley.com