GE 增材：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺
从CFM LEAP发动机燃油喷嘴重新设计，到2015年获得FAA认证，GE航空采纳增材制造技术已有十年之久。如今，GE9X 等其他发动机也正在大量使用增材技术制造的零部件。GE航空指出，采用增材制造进行批量生产，需要仔细规划、对潜在风险的认识以及对细节的极大关注。如果方法得当，增材制造可以带来巨大的益处，如缩短生产周期、节约成本、整合零部件数量、减少浪费，提高可持续性和加强供应链等等。
本期，3D打印技术参考分享GE航空在增材制造通往批量生产的道路上的历程和经验教训，文章归属于《GE Additive增材知识专题二》。
GE Aviation大约在十年前开始采用增材制造技术，然而它的使用历程并非一帆风顺，更可以用摸着石头过河来形容。经过十年发展，GE已经采用增材制造取得了产品的跨越式发展，在行业应用中更是起着引导示范作用。
1. Leap燃油喷嘴
对增材制造技术的使用，源于当时对CFM LEAP大涵道比涡轮风扇发动机燃油喷嘴的重新设计。传统上，飞机发动机燃油喷嘴是用一系列复杂零件通过钎焊制成最终形状，这往往造成工艺产量低、耐久性差，并且工程师很难进行优化设计以满足要求。
以前，这种复杂的金属部件由20个组件构成。如今，通过3D打印，燃油嘴已经变成一个单一零件。2015年，GE Aviation生产了第一个经美国联邦航空管理局认证的增材制造燃油喷嘴。自此以后，新燃油喷嘴的生产数量已经超过60000个，将零件的库存减少了95%，并将组件的成本降低了30%。
燃油喷嘴减重25%，从而降低了飞机寿命期间的燃油消耗；
燃油喷嘴寿命延长了5倍；
由于制造过程中材料利用率提高，原材料消耗大幅降低。
在零件开发过程中，GE Additive和GE Aviation的设计师、制造工程师和质量团队在同一地点办公，这增加了整个团队的协作，促进了决策制定，使得他们能够快速解决任何技术问题。
leap燃油喷嘴
2. GEnx-2B电动开门系统 (PDOS)支架
2018年11月，GE Aviation获得了美国联邦航空局的批准，用一种增材制造的支架来取代GEnx-2B发动机上的一个传统支架。新的支架用于电动开门系统(PDOS)，使得GEnx的风扇罩能够轻松打开和关闭，以便快速维检。
通过使用现有的粉末和材料规范以及数据集，GE Additive和GE Aviation的工程师们密切合作，加快了这个本来可能需要航空工业数年时间的开发进程。借助GE的所有最佳实践，该零件在不到10个月的时间内就从设计阶段进入了生产阶段。
GEnx-2B电动开门系统 (PDOS)支架
确保每种材料的性能数据都能够代表不同制造工艺和不同形状的打印零件的性能，这一点至关重要。GE Aviation并没有根本上改变PDOS支架的设计，或针对增材制造来对进行设计优化。他们选择使用已经获得美国联邦航空局批准的钴铬合金，以及一个已经通过燃油嘴认证的数据集，来打印这一零件。采用GE Additive的Concept Laser M2打印机每次可打印四个支架（每架飞机所需），实现了降低零件成本的计划目标之一。
采用增材制造技术来生产PDOS支架的成果非常出色。新支架的重量减少了10%，降低了90%的材料浪费，零件通过内部制造显著降低了供应链成本。
3. GE9X钛铝低压涡轮叶片
在其位于意大利卡梅里的工厂，GE Aviation的子公司Avio Aero正在为波音下一代777X喷气式飞机制造用于GE9X发动机的涡轮叶片。这些叶片在发动机内以每分钟2500次的速度旋转，并承受高温和巨大的作用力。
Avio Aero的现代化工厂拥有超过35台Arcam EBM A2X和Spectra H设备。每台A2X打印机可以在大约三天内用3千瓦的大功率电子束同时打印六个涡轮叶片。新的Arcam Spectra H打印机通过电子束逐层加热并熔化钛铝 (TiAl)粉末，可以在大约相同的时间内生产多达10个叶片，每个叶片的高度约40厘米。
2020-2023生产高峰预测：每年将生产6万个叶片
增材制造的TiAl合金叶片的重量是航空用传统镍基合金涡轮叶片的一半。对于GE9X发动机，这意味着与它的前身GE90相比，油耗降低了10%（同时也减少排放）。
部门协作再次成为Avio Aero成功转向连续生产的关键。一个由GE Additive技术人员组成的专门团队驻扎在卡梅里工厂，直接与Avio Aero团队合作，为EBM机器提供支持和维修。在Arcam位于瑞典哥德堡的总部，一个由10人组成的特殊团队专门为Avio Aero提供支持，并与意大利的现场同事密切合作。
这三个关于连续增材生产的真实案例研究也让整个GE的各个团队经历了重要的学习过程，这些团队在这一过程中汲取了变革管理方面的宝贵经验。
制定一个计划和商业案例，详细说明为什么增材制造在具体情况下是有意义的，应该是形成增材技术战略的第一步。
GE Additive验证过的应用
许多金属增材技术的使用者最初都表现出高昂的热情，并且兴奋地投入其中。然而，一系列的生产问题，如打印停止、打印失败、不同设备间的偏差以及打印批次的偏差，会引起慌乱并导致团队热情下降。在这些问题得到解决和克服之前，可能会出现一个称为“幻灭低谷”的阶段。
重要的是要把连续增材生产之路视为一场马拉松，而非短跑冲刺。一旦这些障碍得到解决，连续生产开始成为现实，领导层就会意识到并接纳增材制造技术对其企业的影响。
采用增材制造进行连续生产，通常会遇到三个主要的生产问题：
1. 打印的可重复性
这可能包括不同现场或不同机器之间的偏差，或者不同粉末批次的变化；当在单台机器上使用单一粉末批次，在一个打印过程中制造单个零件时，这些偏差通常不会出现。
在查找导致变化的关键因素的过程中，识别“关键因素”是至关重要的。其中包括与机器相关的因素，如参数中的“工艺设定”（功率、速度、间距）、腔室环境（即气流和氧气）或机械校准；其他关键因素可能与粉末组分、粉末处理和后处理工艺有关；对于功率和气流等问题，控制在一定范围也很重要，在整个加工基板的范围内，可以接受怎样的偏差等等。
当机器未被“锁定”在某个生产配置，或者操作和维护机器的指导不完整时，也会出现问题。另外，也要考虑指定预防性的维护计划。例如，需要多久验证一次机器标定？需要多久重新标定一次氧浓度传感器，或者检查机器内的气体流速？需要多久更换一次过滤器？记录、维护和控制所有这些因素很重要。
2. 零件质量
为了实现一贯的零件质量，重要的是建立一个可靠的质量计划，而这涉及多个部门，其中包括工艺设计、制造和品控。品控架构需要清楚了解设计意图是什么，以及制造团队如何制造这个零件来满足这个意图。
首先，制定一个总体控制计划，并建立检查策略。3D打印使非常复杂的几何形状制造成为可能，但这可能给那些负责检查这些零件的人带来新的问题。为此，要确保达到设计意图，怎样的检测技术是最好的——白光、CMM、X光、FPI，还是CT？
零件质量始于粉末——如何考察供应商供货规格，以及如何处理粉末。重要的是创建并坚持适当的金属粉末处理和储存流程，同时进行连续过程验证，以确保拥有一套稳定工艺。
从事传统制造业的人可能不熟悉其中所涉及的方方面面。粉末可以重复使用和回收，但需要仔细存档，并且必须遵守适当的环境、健康和安全程序。
3. 生产效率
为了最大限度地提高生产率，需要透彻了解对加工时间构成影响的主要因素。例如，从单激光器转到双激光器系统，并不意味着两倍的速度或产出，还需要考虑工艺设定和铺粉时间，同时还要确保没有激光器之间的相互干扰。为了确定总的生产效率，还需要考虑设备之外的因素。
管理者需要对增材制造生产车间进行精益化管理。考虑如何减少在打印批次之间切换所需的时间，如何最好地管理后处理工序，以及如何开发各项参数。当试图大幅提高生产率时，就需要对整个过程有一个整体视角。
当然，从一开始就必须为商业生产进行支撑的优化和设计，考虑是否可以使用传统的设备或自动化设备来移除支撑物。
1. 准备设计方案时，要时刻考虑生产和工艺，增材制造过程中有成百上千个变数——从供应商如何制造粉末，到质量检测技术，不一而足。
2. 确定垂直整合战略及其可能对生产率构成的影响。交付周期和硬件最终成本会受到整体业务战略的很大影响，应该研究关键的后处理步骤（HIP、VSR、支撑去除、最终机加），确定内部采购与外部采购的最佳结合。
3. 确定“关键因素”及其相关公差范围。从原型到生产的最大障碍是识别和记录哪些关键因素对零件、材料和成本需求最为重要。
满足相关监管机构或最终客户的质量要求保证和维护认证或资格仍然是客户的责任
4. 运用统计质量控制措施。必须确定如何最好地监控这些因素，以确
保可靠的一致性。使用统计质量控制措施将有助于实现零件可重复性制造，从而达到高标准行业的监管要求。
5. 开发跨不同工程学科的知识转移流程，进行交叉培训。根据GE的经验，组织内参以及项目开发过程中所有部门之间的协作和沟通至关重要。在零件开发过程中，如果没有设计、材料、制造和质量工程师们共同协作，LEAP燃油喷嘴可能还需要几年才能完成。
正如前述所言，增材制造就像一场马拉松。在这种情况下，打印机的选择就像选择跑鞋。如果穿错鞋，虽然仍可以完成比赛，但这可能会非常痛苦。
首先要了解产品设计的各项要求，为连续生产选择合适的打印机，并将其与商业计划相结合。
GE Additive生态系统
这其中的一大陷阱就是依据整版基板的零件成本评估单件零件成本。GE发现，在基板上摆放尽可能多的零件并不一定是最有效的策略。
了解不同打印模式之间的利弊，会有助于确定哪种模式更适合自己的需求。
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