在航天领域，SpaceX从2011年开始探索3D打印技术

GE选择用增材过程来制造喷嘴，不仅能降低生产成本，而且还让部件变轻，为航空公司节省大量的燃料

2016年4月，GE再一次斥巨资在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡建立了增材制造（Additive Manufacturing）旗舰中心——增材技术进步中心（CATA），旨在研发相关的硬件与软件，探索增材制造在各个领域的实际应用。顾名思义，这种名为增材制造技术（3D 打印的工业版本）是将超薄材料层一层层累积起来完成制造过程，其已被用于制造一些市场定位明确的产品，比如医疗植入设备，还被工程师和设计师用来制造塑料原型。

然而，把这项技术应用于大规模生产，其实是始于喷气式飞机发动机。这项应用无疑是一个意义重大的里程碑。通用电气公司（GE）正利用这一技术对自己传统的制造方式进行彻底地改造，特别是GE 航空（GE Aviation）作为世界上最大的喷气式飞机发动机供应商，正在通过激光打印部件（而不是铸造和焊接金属）的方法，为一个新的飞机发动机制造燃料喷嘴。

2012年秋天，GE 收购了两家拥有自动化精确生产金属技术的公司，并将其技术整合到GE 的飞机制造部门——GE航空的运营中。GE 和法国斯奈克玛公司（Snecma）成立的合资公司CFM 国际（CFM International）准备将3D打印出的燃料喷嘴用于LEAP喷气式发动机。每台LEAP发动机配备19个喷嘴。该发动机将装入单通道的窄体飞机，例如波音737MAX和空客A320neo等。

目前，该发动机的订单已超过10，000份，总价值在千亿美元左右。带有这种喷嘴的LEAP喷气式发动机已进入了测试阶段。

GE选择用增材过程来制造喷嘴，是因为这种方法比传统技术使用更少的材料。这不仅能降低GE 的生产成本，而且还让部件变轻，为航空公司节省大量的燃料。传统的技术需要把许多个小部件焊接在一起，这一过程将耗费大量人力，而且很大一部分材料会被切割掉。

新的方法则是在钴-铬合金粉末床上制造。由计算机控制激光器把激光束精确地打到床上，让所需区域的金属合金熔化，一层一层地产生20 微米厚的材料层。这一过程在制造复杂的形状时更加快速，因为机器可以日夜不停地运行。且总体来讲，增材制造技术会节省材料，因为打印机可以控制形状，避免不规则的突出，从而在制造的时候就不会造成常见的浪费。增材制造特别适合小批量生产形状复杂的部件。

燃料喷嘴

这种增材制造的燃料喷嘴，其重量比传统方法生产的喷嘴减轻了25%，所需的零件数从18个减少到1个，并增加了许多过去无法实现的新设计，例如更精巧的冷却路径等，其耐久性也提高了5倍，还能承受3000华氏度的高温。这些好处将极大地提升喷嘴的性能。预计GE每年将生产超过3万个这种喷嘴。

实际上，这种燃料喷嘴并不是GE航空在飞机上使用的第一个3D打印部件。2015年2月，美国联邦航空管理局（FAA）批准GE在90-94B型发动机上，使用3D打印的T25传感器外壳。这种传感器安装在空气压缩机的前方，作用是为发动机的控制系统测量温度和压力。

GE的工程师发现，用传统方法制作的传感器外壳结冰后，累积的冰层容易进入压缩机，影响压缩机的寿命。因此，他们决定重新设计外壳的形状。但缓解结冰的几何形状无法用传统的制造工艺实现，唯一的方法就是采用3D打印。

于是，他们用钴铬合金3D打印了这款新的传感器外壳，来保护其中精密的电子设备。负责该项目的经理乔纳森•克拉克（Jonathan Clarke）估计，3D打印为该项改进节省了至少一年的开发时间。

如今，许多现役的波音777等飞机都已成功换上了这种新型传感器外壳。除此之外，还有一些涡轮螺旋桨发动机的零件也用增材制造生产而成。

GE 的其他部门与GE 的竞争对手都对此密切关注。

制造大型燃气涡轮和风机的GE 发电设备与水处理部门（GE Power & Water）已经找到了可以用增材制造技术生产的部件，例如某些燃烧组件。

GE 健康部门（GE Healthcare）也已经开发出一种打印换能器的方法。换能器是超声波机器中使用的一种昂贵的陶瓷部件，过去通常采用微加工的方式生产，需要消耗大量的时间。而用3D打印来生产换能器，能一次性打印出模式精巧的探头面，节省了时间。

GE电器部门则采用增材制造来进行原型的快速设计和制造，每年可设计出15000个部件。

GE石油和天然气部门则用3D打印来生产涡轮机原型和开发新型泵部件。GE还正与美国能源部合作，共同开发采用3D打印部件的高效海水淡化设备。“这真的从根本上改变了我们对公司的看法。”GE的首席技术官马克•利特尔（Mark Little）如是说。

增材制造让GE的产品设计师，对铸造、机械加工等传统工艺渐行渐远，也让他们的选择更加灵活。增材制造机器可以直接按照计算机模型来工作，这样人们就能发明全新的形状而不用考虑现有的制造限制。“我们现在可以制造之前造不出的结构了。”利特尔说。

GE航空增材制造商务拓展经理格雷格•莫里斯（Greg Morris）说：“你能迅速地迭代，找出哪些设计行得通，哪些行不通，快速改进设计，并且能把这个过程重复很多次，比过去传统技术所允许的次数多得多。”他还表示，在设计那个具有划时代意义的燃料喷嘴时，一共迭代了50次，才得到了最终的方案。

为了加速增材制造的产业化，GE投入了大量的资源。除了上面提及的今年在宾州建造的增材制造旗舰中心，GE在2015年花费2亿美元在印度建立了工厂，专门生产飞机发动机和风力涡轮机等设备的部件。前文提到的燃料喷嘴就在这里诞生。这里还用增材制造技术生产替换零件。在过去，替换零件通常需要大批量生产和存放，耗费了大量的资源。而现在，增材制造技术提高了替换零件的生产速度，周期从3～5个月降低到一周左右，并且不需要提前大批量生产，节省了可观的成本。

GE的竞争对手、美国飞行器发动机制造商普惠公司也在探索增材制造在航空领域的潜力。2015年初，普惠向加拿大航空巨头庞巴迪公司交付了第一批专为C系列客机生产的发动机，其中包含了首个用增材制造工艺生产的压缩机定子和同步环支架，这也成为世界上第一批交付使用的增材制造喷射发动机部件。

普惠公司表示，增材制造节省了多达15个月的前置时间，每个部件的重量平均减轻了50%。普惠公司也有一个增材制造创新中心，与康涅狄格大学共同建立于2013年。除了产业界，高校和研究所的科学家也在不断进行新的尝试。

迷你飞机发动机

2015年2月，澳大利亚莫纳什大学的研究者在实验室中拆解了一款商用飞机的燃气涡轮发动机，扫描部件后，复制出一个完全3D打印的发动机，验证了发动机可以完全由增材制造来生产的可能性，并计划2017年制造出可以运转的版本。同年5月，GE的工程师也制造出一个完全3D打印的迷你飞机发动机，长约30厘米，高20厘米。经测试发现，这个等比例的简化版本甚至能达到每分钟33000万的转速。

空客的飞机上也早已使用了许多3D打印的塑料部件，光是最新的空客A350 XWB型飞机上就有1000多个3D打印的塑料部件，预计今年将开始用增材制造工艺大批量生产金属部件（例如钛合金），2017年底将开始加入不锈钢和铝材料。空客的目标是，未来几十年时间内，一半飞机零件实现增材制造生产。

在航天领域，SpaceX从2011年开始探索3D打印技术，早期成功的案例包括超级天龙座飞船的发动机燃烧室。2014年2月发射的猎鹰九号火箭首次将3D打印部件带上苍穹。该火箭的9个梅林1D发动机中，有一个包含3D打印的氧化剂阀门阀体。该阀体能在高压、低温和高振动的情况下保持良好的性能，具有比传统阀体更高的强度、耐久性和抗断裂性。更令人称奇的是，该阀体的打印只花了2天，而传统的铸造周期可能需要几个月的时间。

NASA（美国航天局）也在测试3D打印的部件。他们发现，3D打印的涡轮泵所需的零件数比传统工艺减少了45%，燃料喷射装置则减少了200多个零件，并拥有前所未有的性能。2015年，NASA的工程师还3D打印了一个全尺寸的铜制火箭燃烧室衬套，增材制造让复杂的冷却气体通道成为可能，能有效避免燃烧室外壁被融化。

2016年3月升空的阿特拉斯V火箭不仅自身带有3D打印的部件（包括管道、整流罩支架、喷嘴等），其搭载的飞船中还为国际空间站送去了第一台商用3D打印机。

增材制造的迅速发展在一份行业报告中可见一斑。该领域的权威分析师特里•沃勒斯（Terry Wohlers）在年度报告中称，2015年，各家公司共购买808台可分层打印金属材料的机器。这一数字在2014年和2013年分别是550台和353台。数字看起来或许并不大，但这些机器每台均需花费几十万甚至上百万美元。

目前，GE 的工程师正开始研究如何用更多的金属合金（包括一些专为3D 打印设计的材料）来进行增材制造。比如，GE 航空正在检验钛、铝和镍-铬合金的可行性。单个部件可以由多种合金制成，这让设计师可以定制部件的材料特征，这是铸造过程做不到的。举个例子，发动机或涡轮机的一片叶片可以由不同的材料制成，这样叶片的一端可以为强度而优化，而另一端则为耐热性而优化。

所有的这一切正在从产品工程师的计算机模型中慢慢走向现实。在接下来的五年时间内，GE计划在增材制造方面投入35亿美元，一部分用于研究如何降低成本，另一部分用来建造工厂，生产用途更加广泛的发动机部件。就目前而言，GE 的发动机喷嘴这个小到可以放在手掌中的部件，将是增材制造技术掀起复杂的高性能产品制造革命的第一次重大检验。转载自微信号：DeepTech深科技 编辑/冯艳彬

总之 随着技术的不断完善进步，增材制造在某些原料昂贵、加工精度要求特别高的制造领域呈现出了越来越大的优势。