根据3D科学谷的市场观察，航天与航空这两大密切相关却又各自不同的领域，由旋转爆震发动机产生了另外一个层面上的密不可分的联系。

GE位于纽约州北部的全球研究中心的科学家们成功测试了双模冲压发动机（DMRJ）发动机小型验证机，该验证机使用了一种称为旋转爆震燃烧（RDC）的新技术。
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 旋转爆震燃烧（RDC）

近日，美国发动机制造商GE 通用电气航空航天公司表示，其在开发能够为超高速高超音速飞行提供动力的可重复使用发动机方面取得了重大突破。GE航空航天公司于12月14日透露，位于纽约州北部的全球研究中心的科学家们成功测试了双模冲压发动机（DMRJ）发动机小型验证机，该验证机使用了一种称为旋转爆震燃烧（RDC）的新技术。

GE表示，对于一次性和可重复使用的飞行器，该设计可以实现高速、远程飞行，其效率比当前超燃冲压发动机更高。随着航空航天领域着眼于高超音速技术的未来，GE航空航天公司凭借适当的能力、经验和规模，处于有利地位，能够成为推动客户新发展的领导者。

l 3D打印与旋转爆震燃烧技术

根据3D科学谷，航天领域的RDRE旋转爆震火箭发动机开发的一大技术挑战是需要在⾼压爆轰通过喷射器孔口时减少燃烧产物的回流可能性。另一大技术挑战是需要设计和制造耦合的燃烧室腔室和喷射器配置，以理想地产生推力并将损失降至最低。而3D打印使得化解这些挑战成为可能。

3D打印超燃冲压发动机技术逻辑
© 3D科学谷白皮书

喷射器方面，根据3D科学谷的市场研究，目前的市场上各种喷射器设计充分利用了3D打印实现复杂内部形状的特点，不管是多管气体分配回路，还是延伸到燃烧气体流场中的冷却系统，亦或是带中空壁热屏蔽结构的燃料喷射器，3D打印都在助力燃料喷射器实现更为稳定高效的性能。3D打印不仅避免了多个零部件的组装需要，还可以成就更为复杂的形状，使得传统加工工艺难以实现。

更好的燃烧
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l  冲击波和反应区紧密结合

目前，GE已成功点燃双模超燃冲压发动机小型验证机，GE表示该发动机有朝一日可为载人高超音速飞行提供动力。据悉，GE相信其 DMRJ 原型机是第一个利用旋转爆震燃烧（RDC）的高超音速发动机的例子。

美国空军将旋转爆震燃烧（RDC）技术描述为“更高效的燃烧类型，其特点是冲击波和反应区紧密结合，推进剂在其中快速压缩、加热和燃烧”。小规模旋转爆震燃烧（RDC）测试于 2023 年最后一个季度的某个时间进行。

l  “丝滑”过渡

至关重要的是，GE 航空航天公司相信旋转爆震燃烧（RDC）用于高超音速飞行器将解决高超音速飞行的一个关键障碍：传统喷气发动机和超高速 DMRJ 之间的过渡。

在现实生活中，推进系统之间的转换是一个问题。在实践中，模式转换将允许飞机在燃气涡轮发动机的动力下发射，过渡到超燃冲压发动机动力以达到高超音速并执行任务，然后减速并过渡回涡轮动力飞行以着陆。

传统 DMRJ 发动机的物理特性要求 M3.5 左右的空速才能实现对产生点火和产生推力有意义的压缩。目前的超燃冲压发动机在 M4 或更快的速度下运行效率最高。

有史以来飞行速度最快的载人飞机——洛克希德·马丁公司标志性的 SR-71 黑鸟——达到了 M3。

推进工程师必须解决大约 M3 和 M3.5 之间的速度差距，然后才能利用黑鸟这样的可重复使用飞行器进行载人高超音速飞行。

一种选择是使用火箭助推器而不是喷气涡轮机来达到高亚高超音速。

火箭动力方法的例子包括无人驾驶TalonA飞行器和高超音速武器系统，如洛克希德公司的高超音速吸气式武器概念和雷神-诺斯罗普·格鲁曼公司的高超音速攻击巡航导弹。

一流的高超音速系统目前正在实现从传统推进到超燃冲压发动机动力的过渡，动力介于 M3.2 和 M3.7 之间。

 弯曲曲线

市场可能期望一家以喷气发动机而闻名的公司能够通过制造更好的喷气发动机来实现超燃冲压发动机的过渡。但 GE 航空航天公司却采取了相反的做法——旋转爆震燃烧（RDC）技术是关键。

GE开发和扩展该技术战略的一部分是今年早些时候收购了总部位于纽约的推进开发公司 Innoveering。Innoveering 的 DMRJ 设计构成了GE航空基于旋转爆震燃烧（RDC）技术的发动机原型基础。

3D打印超音速飞机发动机
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全球研究中心的科学家表示，采用旋转爆震燃烧（RDC）技术的 DMRJ 发动机将能够以比传统超燃冲压发动机更慢的速度点火并产生推力，这种方法有可能对现有系统进行“重大改进”。

GE 航空航天公司计划在 2025 年初或更早之前测试带有旋转爆震燃烧（RDC）技术的全尺寸 DMRJ 发动机。

如果GE证明了该设计的可行性，那么载人高超音速飞行的前景将成为“一个工程问题”，而不是一个发明问题。解决这个工程问题将主要落在洛克希德、诺斯罗普或波音等飞机制造商身上。他们将面临的挑战是设计出将两个完全不同的推进系统与独特的进气要求集成在一起的方法。

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据悉，美国能源部拨款资助用于制造大型砂铸模具的voxeljet-维捷砂粘剂喷射3D打印机的开发和商业化，新的制造技术将为风能和水能领域生产大型发电机铸造组件，从而减少生产时间和成本。

GE风能发电
© GE

 化复杂为轻松

早在2021年，通用电气可再生能源（GE Renewable Energy）、弗劳恩霍夫IGCV研究所（Fraunhofer IGCV ）和voxeljet-维捷公司就宣布建立研究伙伴关系，开发大型铸造砂模3D打印机。该设备用来优化 GE Haliade-X 海上风力发电机关键零部件的生产。基于voxeljet-维捷公司核心的粘结剂喷射3D打印工艺，能打印直径为9.5米、重达60吨多的铸造用砂模。

根据GE，3D打印砂型模具带来许多好处，提高铸件质量，包括改善铸件表面光洁度、提高零件精度和一致性。此外，由于3D打印可以实现优化的设计从而减少加工时间，并节约其他材料成本。这种生产技术可以改变生产效率，允许在高成本国家进行本地化铸造生产，这对于希望最大限度地发挥海上风电进而带来地方经济发展效益的客户来说是一个关键的好处。

voxeljet-维捷负责开发和建造尺寸突破性的砂型3D打印机，用于增材制造10吨至60吨以上铸件的砂型，GE选择voxeljet-维捷作为其合作伙伴，该项目名称为先进铸造单元（ACC），获得了美国能源部 (DoE) 的 1,490 万美元联邦资助，用于大型砂型粘结剂喷射3D打印机的开发和商业化 ，美国能源部对该项目的支持旨在加速美国向清洁能源的过渡。

voxeljet-维捷的3D打印设备在制造非常大、非常复杂的产品设计的时候为用户创造的附加值。那些原来通过传统制造工艺制造时耗时长，组装复杂，制造成本昂贵的产品，在通过3D打印技术来制造时变得轻松、高效。

根据 Data Bridge Market Research 的数据，预计 2021 年全球风力涡轮机机舱市场价值将达到 66 亿美元，预计到 2029 年将超过 150 亿美元。

先进铸造单元（ACC）项目目标是3D打印大型砂模，用于铸造 GE Haliade-X 海上涡轮机机舱部件，目标是将生产这种大型部件的砂型模具所需的时间从大约十周减少到两周。

通过3D打印砂型制造技术有可能将水电总成本降低 20%，并将总的交货时间缩短四个月。 该项目还将对16 吨转子轮毂的生产进行优化，并开发转轮的机器人焊接工艺。 为了帮助确保 ACC 项目的成功实施，voxeljet-维捷正在提供培训，让当地了解这种 3D 打印制造技术的细节。

根据voxeljet-维捷首席执行官 Ingo Ederer 博士，清洁发电技术的开发和经济高效的制造需求量很大，因为它是应对和克服全球气候挑战的关键。增材制造，特别是voxeljet-维捷的大规模粘结剂喷射技术，是制造下一代风力涡轮机复杂零件的正确选择。

项目合作伙伴弗劳恩霍夫铸造、复合材料和加工技术研究所Fraunhofer IGCV负责铸造和材料技术问题，以及工艺过程数字化监控。目标是优化模具打印，以避免成本极高的误打印甚至误浇铸，节省粘结剂，并改善铸造过程中的机械和热行为。通过开发一种尽可能节约资源的工艺，从而帮助改善风力发电机制造中的环境平衡和成本平衡。

根据3D科学谷，voxeljet-维捷一直在驱动3D打印在量产领域的应用，其中在量产中的典型案例是维捷所实现的世界首条汽车关键零件生产领域的集成增材制造解决方案。通过与德国领先的汽车厂商合作，自动化3D打印复杂的砂模和砂芯，生产线不需要任何干预，所有的前后处理步骤都是自动化的。维捷的下一代打印引擎显着缩短了每层加工的时间，提高了生产灵活性，并允许高速制造具有更为复杂几何形状的砂型模具，从而提高最终产品的性能，并通过产品性能的提高来提高产品生命周期效益。

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壳牌在阿姆斯特丹能源转型园区（ETCA）拥有领先的3D打印设施，拥有自己的3D打印能力，这使得壳牌的研发部门能够自由和快速地创造市场上没有的新零件，并解决新的技术挑战以支持能源转型。

3D打印带内部复杂通道的氧氢微混合器
© 壳牌

 大而复杂的零件

壳牌的增材技术专家希望通过增材制造技术重新构想大型复杂零件，例如制造那些带有复杂内部通道的零件，通常这些复杂的内部通道通过传统方式难以制造。

更好的油气混合
© 3D科学谷白皮书

研究氧氢微混合器与壳牌的能源转型中发挥着积极作用，GE位于慕尼黑的AddWorks团队的任务是研究、设计和迭代3D打印氧氢微混合器。这是一个大而复杂的零件，并包含氢气和压缩氧气的通道，增材技术提供的设计自由度可以让设计师重新思考零件的结构和形状。

CAD建模
© GE

初步研究表明，现有的微型混合器，也称为氢氧燃烧器，在传统制造时通常是圆柱形的，以适应罐、管道和喷嘴的复杂布局。为了增加复杂性，GE选择了大锥形设计，并且还从平面结构转变为带有ISO网格的弯曲结构，以增加整体强度。

从自然界的几何形状和对称性中寻找灵感，特别是来自花瓣中的斐波那契数列灵感。超过 330 个单独的喷嘴组成一个圆形图案，这是从花粉粒在花头中形成的方式中获得灵感。此外，弯曲的墙壁和圆锥形也反映了花瓣的形状。

通过在设计阶段添加的粉末去除孔，这使得后期的清粉工作变得更容易。最终结果不仅在视觉上令人惊叹，而且在尺寸和复杂性方面也相当可观，并且具有强大的性能。

 油气领域3D打印渐入佳境

根据3D科学谷的市场观察，油气运营商越来越愿意考虑将金属增材制造作为应对此类挑战的潜在答案，以实现更高效、更具成本效益的解决方案，以解决持续的库存和地理障碍。

在石油和天然气环境中的高压、严苛服务条件的压力下，关键过程控制组件不可避免地会发生故障。从历史上看，由于平均制造提前期与运营需求不兼容，油气运营商不得不实施昂贵的库存计划，以避免延长停工期的风险。

当前石油天然气开采制造领域对3D打印的采用还存在着很多的挑战，大多数现有的金属增材制造技术需要广泛的3D打印参数开发知识，这有时可能是一个劳动密集型的过程，并导致在高效快速地适应不断变化的几何形状和特征方面面临挑战。这些系统还需要对部件进行大量的重新设计，以使其可打印，而不是允许按照最初设计的方式打印部件。此外，整个打印过程的数据对于评估最终部件的质量至关重要。

标准化是在石油和天然气等要求苛刻的行业运营的组织经常遇到的最突出的挑战之一。无论是在欧洲还是在美国，相关组织都在不断联合起来，为在石油和天然气领域使用增材制造制定指导方针和商业模式。这些指南有助于确保零件满足最低材料要求，并降低组件鉴定的成本，这是证明零件达到或超过某些制造标准的关键过程。

国际上，2022年，美国石油协会 (API) 为 3D 打印组件制定了两项新标准，石油和天然气零部件供应商可使用新的3D打印标准API 20S 和20T，确保3D打印组件能够承受与作为碳氢化合物混合物持续接触，以及在不同的pH值、温度和压力下运行。

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日前，GE增材制造正式推出用于规模生产的粘结剂喷射Series 3D打印机，预计制造交付将在 2023 年下半年开始，该系统的发布是经过4年的与合作伙伴的协作和测试，以确保该系统已准备好，适合大批量、连续制造环境。

 长达4年的加速优化

粘结剂喷射3D打印技术是通过材料喷射和烧结工艺的相互结合来生产完全密度的金属零部件。成本较低的设备也意味着零件成本大大降低，大批量成本较低的零部件是走向生产的关键要素。粘结剂喷射金属3D打印技术有可能取代小批量，高成本的金属注射成型，还可以用于生产其他领域复杂而轻便的金属零件（例如齿轮或涡轮机叶轮），大幅降低3D打印成本，并缩短交货时间。

与有了新的设备就推出市场的做法不同，GE在研发出粘结剂喷射的设备后进行了长达4年的进一步优化。在过去的 4 年中，GE的合作伙伴为 GE粘结剂喷射3D打印技术做出了贡献。

GE Series 3
© GE

正如GE所提到的，你无法跳过技术不同的发展阶段，但你可以加速发展本身。面向自动化量产，GE通过合作伙伴关系的目标是将8年多的增材制造产业化进程压缩到三年内。根据3D科学谷的了解，合作进程历经了三个阶段：

阶段1的目标是零件开发，通过配备1-2台粘结剂喷射金属3D打印设备，GE派驻设计和工程团队与合作伙伴一起推动零件开发。通过制造原型，进入初期的低速打印以进行测试、验证，同时监视OEE数据以为建立所需的平台进行改进，最后针对生产需求所需要调整来设备、软件、粘结剂、过程和材料的进一步开发。

阶段2的目标是试生产线，通过配备4-8台粘结剂喷射金属3D打印设备，打造具有可复制可扩展性的样板生产线项目，并通过监控设备之间的差别，可扩展性，以优化良率和生产效率，从而实现平台成熟度。在这个实现产线的成熟度过程中，同时实现开发更多的零件，并完成自动化概念测试。

阶段3的目标是工厂级解决方案，通过配备12台以上的粘结剂喷射金属3D打印设备，GE与每个行业的合作伙伴一起开发自动化解决方案，通过软件支撑产业化发展，GE的客户可以选择在自己内部建厂或将规模化生产外包给GE Additive的早期合作伙伴。

GE Series 3制造的毛坯件
© GE

所以当GE正式推出用于规模生产的粘结剂喷射Series 3 3D打印机的时候，这意味着GE的粘结剂喷射技术已经在质量控制、成本优化、规模制造的稳定性和一致性、制造的安全性方面获得了合作伙伴的验证。

 解决制造痛点

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术由于烧结过程中发生的零件收缩，需要通过补偿以解决失真。根据3D科学谷的了解，GE在质量控制方面可以实现不同尺寸的复杂零件的可重复且可靠的3D打印，在不破坏精细特征的情况下去除残留粉末。GE Additive 的 Amp 软件具有失真预测和补偿功能，这使得可以以比传统策略更快的速度制造高质量的组件。在所需公差范围内实现零件的烧结，通过使用烧结变形模拟软件更快地开发高质量零件，实现具有低粗糙度表面零件的增材制造。

GE在成本控制方面，通过回收未使用粉末减少原材料指出，实现低成本、大批量的零件生产，为新应用和创新开辟空间，引入难以或不可能实现的新应用。

根据3D科学谷的市场研究，驱动粘结剂喷射3D打印技术发展的主要因素是低制造价格实现，然而这项技术并非没有痛点，最大的痛点一个是烧结控制，在这方面GE通过软件来实现。另外一个痛点是3D打印的毛坯件通常非常脆弱，目前是手工移动这些毛坯件，如何通过自动化方式移动这些毛坯件而不破坏，这存在着非常多的挑战。GE通过自动化技术实现生产力的显著提高，将粘结剂喷射3D打印设备集成到工厂单元以实现平稳操作，且最大限度减少操作员和粉末的接触。

© GE

另一方面，GE的Series3 3D打印机获得了UL和CE认证，保证操作的安全性。

目前，由GE 的专有粘结剂技术实现，GE的series 3可实现的通孔直径和壁厚低于 500 微米，还允许更轻松的对复杂的组件进行脱粉。而当涉及到车间规模生产的时候，GE机载安全系统、持续监控机器环境以及用于集成到制造设施的MES系统为制造保驾护航。

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© GE

 提高生产力，加工大尺寸零件

缝合可以追溯到熔池的联锁，这现在是一种过时的策略。当查看两个熔池如何在两个激光相遇的点相遇时，看起来这些部分就像缝合线一样缝合在一起。

缝合零件有两个原因。第一个是为了提高生产力，第二个是为了实现大尺寸，在单个激光器的构建区域之外构建大型增材部件。

在生产力方面，如果想快速构建零件，可以使用多个激光器来减少零件的构建时间。当使用多个激光器时，会在激光器相遇的区域进行缝合，以提高零件的机械性能。还可以通过良好的气流进一步提高生产率——实现更有效的局部暴露区域——并了解烟灰在机器中的表现。

增材制造朝向更高的生产效率发展
© 3D科学谷白皮书

对于生产大型零件，如果构建板大于光场尺寸，则需要缝合。例如，GE增材制造的M系列的构建面积为 500 x 500 mm，但光学系统的视场大小为 400 x 400 mm。因此，在构建大型部件时，需要不止一个光学系统。因此，这会自动要求缝合零件。

 影响缝合的因素

缝合并不难，只需让两台或多台激光器在同一个地方工作，但要做好缝合却很困难。这是因为，从参数开发的角度来看，需要同时处理多个曝光元素。

一方面，基于大块的加工区域，有一个重叠区域，所以缝合起来很简单。同样，激光器也不需要完美对齐。另一方面，当开始缝合轮廓（零件的外表面）时会变得很困难，因为需要在获得高水平的表面光洁度与很少（或没有亚表面孔隙率）之间取得平衡，以避免昂贵的后处理步骤。

轮廓区域中的缝合需要达到可接受的表面光洁度和亚表面性能水平。如果熔池未对准超过 50 微米，那么将遇到表面下孔隙率和局部表面光洁度不佳的问题。

如果没有任何额外的控制机制，很难在构建过程中将光学系统保持在 50 微米以内。如果系统漂移超过此阈值，就会开始出现可能导致问题的表面不连续性，尤其是在零件的疲劳性能方面。

间接影响缝合质量的因素之一是气流。如果过多的烟灰沉积在激光窗口上，并且没有有效地将其输送出处理室，则会导致热透镜效应。这会导致激光窗口升温，从而导致焦平面偏移、激光失真和光学系统未对准。

另一个因素可能是刀片调平。因此，构建的设置方式会影响光学对准。需要设置刀片，使其与光学平面对齐。此外，机器的温度和热行为也会对光学对准产生很大影响。

 解决挑战

在GE的案例中，使用冷却系统来控制对错位的低热影响。控制这一点很重要；否则，会有热漂移例如，在重涂机、重涂机导轨、光学、工艺室中。

最后一个主要因素是初始光学系统校准。如果在使用前投入大量精力正确校准光学系统，那么在打印之前，机器中的校准基线将会稳定，即低于 50 微米的阈值。

重涂机与光学校准平面的对准很重要，因为光学器件被设置到一定高度，在该高度上对准是完美的。重新涂覆的刀片需要平行设置并与光学平面高度相同，以免出现错位。例如，如果重涂机设置在高于光学平面的位置，则会导致光学系统之间的对齐间隙。此外，如果重涂机刀片相对于光学平面存在倾斜，则可能导致零件的一侧具有完美的缝合，而另一侧则充满缺陷。

如果用户能够在机器初始设置期间正确设置重涂机刀片，并遵循提供的开发流程，则可以对缝合质量产生积极影响，并确保高构建之间的拼接一致性级别。

 校准

良好缝合的最重要因素之一是初始校准。首先，需要校准各个光学元件及其光场，以便它们从单个激光角度指向正确的方向。

第二个校准步骤着眼于相关光学系统组合的校准，并确保每个系统与所有其他系统完美对齐。必须将这些相互作用置于一定的对齐阈值内，即前面提到的 50 微米阈值，这是获得良好拼接结果的坚实基线。

随着光学器件随着时间的推移而漂移，需要每六个月重新校准一次。这是当前的指导方针，但由于目前正在调查中，因此可能会发生变化。在GE的案例中，还就可用的软件对策以及软件如何成为获得良好拼接的关键向客户提供建议。通过这些对策，可以达到 100 微米的阈值，并且仍然可以实现良好的拼接效果。

l 好的缝合

如果缝合良好，则几乎看不到表面上的任何东西，包括任何表面不连续性或与熔化过程中材料的热行为不同的颜色。

总的来说，如果零件的微观结构是一致的，无论使用单个还是多个激光器，最终都会展示出一个好的针迹。从数据表的角度来看，如果零件的行为方式与单激光零件相同（在拉伸和疲劳特性方面），那么就有了一个缝合良好的零件。

l 缝合不好

任何与单激光曝光不同的地方都可以解释为拼接不良。例如，如果有可见的轮廓末端从表面伸出，任何表面不连续性、次表面孔隙率，甚至是整体孔隙率——在极端情况下，不能归因于单激光参数——那么缝合就很糟糕。在与光滑表面存在偏差的区域中，表面不连续性也会导致形成裂纹，具体取决于施加在其上的载荷，这对疲劳相关部件至关重要。

图片：拼接不良（中心左侧两列）
© GE

 缝合方面的验证

在 GE Additive 增材制造进行两种类型的验证：机器验证和工艺验证。

© 3D科学谷白皮书

为许多可能的场景设置了实验设计 (DOE)，这些场景涉及不同构建板位置的缝合和非缝合零件。这样，就有了所有可能影响 DOE 中缝合部分的可能输入。这是在几个构建和几种材料上完成的，并使用试样、棒和实际零件的子部分来测试材料特性。

GE还使用某些未对准来创建零件，以查看不同的未对准如何影响ct 零件质量。DOE 设置还允许在不使用对策的情况下查看每个零件的阈值，以便获得与单个激光器在统计上相同的机械性能。然后，这使能够了解机器错位能力是什么，以便可以确保客户获得安全缝合的零件。

第二种类型的验证是针对大型零件，在这些情况下，大型零件在 M Line 上以不同的配置和设置打印多次，然后进行热处理和非热处理分析。这使验证人员能够看到缝合区域在孔隙率和表面光洁度方面是否以令人满意的方式在大部分水平上出现。

总体来说，虽然缝合可能是一个很难做好的过程，但通过正确的护理、协议和校准工作，并不像许多人想象的那么可怕。增材制造用户确实需要确保LPBF基于粉末床的选区金属熔融3D打印机器以最佳状态运行，并每 3-6 个月进行一次校准，并且通过采用软件对策，在光学系统对准时可以有更大的误差范围。

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现代涡轮发动机叶片翼型通常包括一个或多个内部冷却回路，用于引导冷却空气通过翼型以冷却翼型的不同部分，并且可以包括用于冷却翼型的不同部分的专用冷却回路。近日，GE的3D打印叶片翼型尖端“燕尾式”冷却专利获通过,可以使用相同或更少的供应气流能够在翼型件内实现更高的冷却空气对流。

本期谷.专栏将结合GE最新获批的专利-带复杂“三维神经丛”设计的叶片冷却，对GE的叶片技术进行分享。

 冷却-随心所欲

根据3D科学谷，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、更耐高温的复合材料、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。

涡轮发动机，特别是燃气或燃气涡轮发动机，是从通过发动机到多个旋转涡轮叶片上的燃烧气体流中提取能量的旋转发动机。燃气涡轮系统包括具有多级涡轮，其叶片从支撑转子盘向外延伸，每个叶片包括暴露于热燃烧气体流中，叶片必须获得冷却以承受燃烧气体产生的高温。冷却不充分可能会导致叶片上产生不必要的应力和氧化，并可能导致疲劳和/或损坏。

带有复杂空心结构的叶片通常具有一个或多个内部冷却流回路，内部冷却流回路带有多个冷却孔等。冷却空气通过冷却孔排出，以向叶片的外表面提供冷却。其他类型的热气路径部件和其他类型的涡轮部件可以以类似的方式冷却。

用于飞机的燃气涡轮发动机设计为在高温下运行以最大限度地提高发动机效率，通常，冷却是通过将来自高压或低压压缩机的较冷空气输送到需要冷却的发动机部件来完成的。

GE的3D打印叶片翼型尖端“燕尾式”冷却专利涉及到翼型的复杂冷却通道设计，包括界定内部并限定压力侧和吸力侧的外壁，外壁在前缘和后缘之间轴向延伸以限定弦向方向，并且还在根部和尖端之间径向延伸为了限定翼展方向。

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 可离散、可集中

在翼型件的内部设计有复杂的冷却导管，在翼展方向上从尖端突出的尖端导轨，尖端导轨包括与内表面隔开的外表面，尖端带有尖端连接外表面和内表面的表面，以及在外表面和内表面之间的末端导轨内提供的流体互连冷却通道的三维丛，通过“三维神经丛”形状的设计，冷却流体实现更好的冷却。

冷却导管形成在翼型的内部，尖端轨道从翼型的尖端伸出翼展方向，末端导轨包括与内表面间隔开的外表面，末端表面连接外表面和内表面，以及流体互连的冷却通道的三维丛。

© US11352889B2

冷却空气从冷却导管流过，通过位于叶片翼型尖端轨道内的流体互连的“三维神经丛”冷却通道，再经由出口将冷却空气从“三维神经丛”中排出。

通过复杂的“三维神经丛”冷却通道设计，冷却空气可在翼型内部径向向外、径向向内、轴向等或其任何组合移动，同时通过“三维神经丛”朝向出口排出。

“三维神经丛”包括多个离散的冷却通道组，每个冷却通道由单独的冷却导管流体供应。多个离散组可以流体耦合，例如通过单个连接流体通道，或者它们可以在翼型内部分离。此外，多个离散组可以形成径向布置在翼型件内的多个冲击区域，使得从冷却导管供应的冷却空气可以冲击不同的区域，直到通过冷却孔出口排出。

细长的喷射孔可以改善孔冷却，而冲击区可以提供冲击冷却，同时将冷却空气引导到翼型件的各个部分，包括薄膜冷却性能传统上受限的那些部分。

3D科学谷了解到与传统的冷却设计相比，GE的这项专利使得使用相同或更少的供应气流能够在翼型件内实现更高的冷却空气对流。可以提供增加的冷却空气在翼型件内的工作或混合，从而提高冷却性能。

此外，细长的喷射孔设计可用于将冷却空气喷射或下沉到具有较低空气或下沉压力的区域。这种较低的水槽压力可以保持冷却空气流过和流出“三维神经丛”，同时减少回流，这进一步提高了冷却性能。

© GE

随着GE专利的快速布局，GE在发动机的冷却方面搭建了更高的竞争壁垒，值得肯定的是GE看到了3D打印-增材制造的颠覆潜力，增材制造对GE原有的内部业务也带来很大转型压力，有很多改变需要进行，供应链、库存、人才…很大的压力，但是GE有勇气去改变。

转型之路是每一家企业都阶段性的必须要走的路，GE在转型之路上做了哪些深层次的布局，3D科学谷将通过市场研究保持持续关注。

l 谷专栏 l

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涡轮发动机，特别是燃气或燃气涡轮发动机，通过发动机的多个旋转涡轮叶片上的燃烧气体流中提取能量，这些涡轮叶片分布在多个涡轮叶片组件中。出于空气动力学方面的考虑，叶片的叶身型面通常都设计成复杂的自由曲面，且对其制造精度要求极高，而3D打印在成型与控性方面为叶片的制造带来了新的革命。

本期谷.专栏将结合GE最新获得带冷却孔的发动机部件专利，对GE的叶片技术进行分享。

 减少裂纹发生

根据3D科学谷，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、更耐高温的复合材料、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。

航空发动机作为航天飞行器的核心部件，决定发动机关键性能的涡轮叶片成为研究的重中之重。一台航空发动机的推动力与涡轮机前沿进气口温度密切相关，涡轮叶片的承温能力则决定了整台发动机的推动力，而提高涡轮叶片承温能力的方法主要有两种，一种是探索性能更优化更稳定的高温合金；另一种是探索具备复杂空心结构的叶片冷却技术。

此前，3D科学谷曾在《深度剖析GE通过3D打印实现涡轮机叶片翼型多层外壁》一文中分享了GE如何通过增材制造实现更好的叶片冷却，其中涉及到通过增材制造制成的热气路径部件的多层壁。

空心和带冷却孔的结构改进了原始涡轮叶片的冷却方式，这种结构能够有效提高涡轮叶片的承温能力，从而有效提高发动机的工作温度，这种更为高效的气冷方式是目前的研究重点。通过复杂气冷内腔结构改善涡轮叶片散热能力已成为先进发动机制造的关键。

根据《中国工程科学》1，叶片在结构上主要由叶身、缘板和榫头这三部分组成。叶身型面是叶片的主体，其形状通常都设计成具有高气动性能的空间自由曲面；榫头部分用于实现叶片在转子轮盘上的固定，也称为叶根；缘板为叶身型面和叶根榫头之间的过渡部分。叶片通过其叶根榫头与转子轮盘上对应轮槽的配合，将工作介质作用于叶身型面上的力传递给转子主轴，进而驱动外界负载实现功率的输出。

 更好的冷却

GE的专利详细阐述了固定叶片和围绕发动机燃烧器的燃烧器衬套的喷嘴也可以利用冷却孔或蛇形回路来实现更好的冷却，从而避免裂纹。

 © US11359494B2

蛇形回路可以是延伸到沿着叶片的多个表面中的任何一个设置的冷却孔，包括在尖端、后缘和前缘处。前缘冷却气流的方向则会影响涡轮机翼型的耐用性。冷却流体流从内部沿第一方向流过冷却孔的弯曲通道，从冷却孔流出。沿第一方向会聚冷却流体流并同时沿垂直于第一方向的第二方向发散冷却流体流，第一和第二方向都位于垂直于流动方向的平面内，最后在靠近发动机部件的停滞线的位置处排出冷却流体。

 更好的叶片

更安全稳定的叶片让GE的发动机获得了更多的竞争优势，GE采用EBM 3D打印技术制造涡轮叶片，用电子束作为其能量源逐层融化金属粉末，粉末材料为先进的航空航天材料钛铝（TiAl）制造。这种材料比常用于低压涡轮叶片的镍基合金轻50％左右。与其前身GE90发动机相比，这意味着燃油消耗降低了10％（排放量也随之降低），GE9X的重量减轻约200公斤。

© GE

采用全新材料、冷却技术、气动力设计的GE9X发动机是波音777X系列飞机的唯一选型发动机，GE9X是通用创新研发的集大成之作，其60:1的增压比创下燃气涡轮航空发动机历史之最。

GE航空旗下的Avio Aero在意大利的Cameri工厂负责生产新型GE9X发动机的涡轮叶片，并不断添加新设备以提高3D打印叶片的生产能力。

随着GE专利的快速布局，GE在发动机的冷却方面搭建了更高的竞争壁垒，根据3D科学谷的市场观察，GE涵盖了方方面面的发动机冷却专利，例如：叉指式涡轮发动机空气轴承冷却结构和热管理方法专利，涡轮发动机的倾斜燃烧器专利，燃油喷嘴专利，3D打印燃料喷射器和冷却系统专利，3D打印带冷却通道的一体化涡轮机罩，多层外壁的涡轮机叶片翼型等等。

l 参考资料：
1.《中国工程科学》/复合式叶片型面测量系统的误差分析与补偿

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在 GE Additive 的 Beta 合作伙伴计划的所有合作伙伴中，肯纳金属- Kennametal无疑是独具特色的。

根据3D科学谷，Binder Jetting是一种粘结剂喷射打印技术，在这个过程中，陶瓷硬质材料的粉末颗粒，包括碳化钨颗粒通过含钴、镍或铁的粘结材料层层打印粘结起来。这种粘合材料不仅是粉末层之间的粘结剂，还使得产品具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。这些3D打印的硬质合金模具比传统方法生产的模具具有更大的几何槽形自由度，可以制成更复杂的几何形状。

粘结剂喷射3D打印

© 3D科学谷白皮书

 大批量、低成本3D打印

早在2017 年，GE 增材制造就宣布GE一直在开发一种金属粘结剂喷射3D打印技术，该技术将能够实现大批量、低成本的增材生产。

根据3D科学谷的了解，面向量产，GE于2020年还发起了合作伙伴计划，通过共同开发并共享知识，以充分实现增材制造所带来的变革性收益。目前的合作伙伴已经包括康明斯、西屋制动和山特维克。这些合作伙伴通过GE的粘结剂喷射金属3D打印针对特定的垂直领域：康明斯用于发电和汽车，西屋制动用于铁路，山特维克用于采矿等方面。

作为该计划的最新成员，工业技术公司肯纳金属也不例外，肯纳金属以其在材料科学、刀具和耐磨解决方案方面的专业知识而闻名。

GE粘结剂喷射金属3D打印
© GE

肯纳金属-Kennametal 的碳化钨和 Stellite™（钴铬合金）合金以其卓越的耐磨性、耐热性和耐腐蚀性能而著称。作为该合作伙伴计划的一部分，肯纳金属将专注于将这些高性能、耐磨和耐腐蚀的材料系列优化到增材制造平台，以提供具有复杂设计、更短交货时间和更高性能的完整组件，这是传统方法无法实现的。

 突破传统工艺的限制

根据3D科学谷的了解，传统加工工艺， 通常通过将碳化钨粉末均匀地压在柔性袋中来制造具有高纵横比的大尺寸硬质合金工件或碳化物工件（例如立铣刀和钻头刀柄）。虽然均压法的生产周期比成型方法长，但是该工具的制造成本较低，因此该方法更适合于小批量生产。

硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型来形成。挤出工艺更适合于轴对称成形工件的大规模生产，而注塑工艺通常用于复杂形状工件的大规模生产。在两种模塑方法中，碳化钨粉末的等级悬浮在有机粘合剂中，这赋予碳化钨混合物如牙膏的均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模塑成模腔。碳化钨粉末等级的特征决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例，并且对混合物通过挤出孔口或进入模腔的流动具有重要影响。

通过模塑，均压，挤压或注塑成型工件之后，需要在最终烧结阶段之前从工件上除去有机粘合剂。烧结去除工件中的孔隙，使其完全（或基本上）致密。在烧结时，压制成形工件中的金属结合变成液体，但是在毛细力和颗粒接触的共同作用下工件仍然可以保持其形状。

烧结后，工件的几何形状保持不变，但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸，在设计工具时需要考虑收缩率。在设计用于制造每个工具的碳化钨粉末等级时，必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。

影响刀具寿命的因素
© 3D科学谷白皮书

熟悉Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的业界人士不难发现，传统注塑成型工艺制造的硬质合金工件流程中的脱脂，烧结过程与粘结剂喷射金属3D打印技术所需要的后处理过程是一致的，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。

根据3D科学谷的市场观察，目前在刀具制造中应用的3D打印技术主要有两种。一种是LPBF选区激光熔化3D打印技术，用于制造金属刀具特殊的槽形或者刀具内部复杂的冷却通道；一种是3D科学谷在之前的文章中提到的3DP粘结剂喷射技术。

刀具3D打印与刀具制备
© 3D科学谷白皮书

与PBF基于粉末床的选区激光熔融金属3D打印工艺相比，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术具有几个关键优势：更具经济性的粉末材料（类同于MIM工艺所用的金属粉末材料）；不需要支撑结构；高效的打印速度适合大批量生产应用，从汽车、飞机零件到医疗应用。

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术与几乎所有其他金属3D打印工艺相比都是独一无二的，因为在3D打印过程中不会产生大量的热量。这使得高速打印成为可能，并避免了金属3D打印过程中的残余应力问题。

粘结剂喷射3D打印技术是通过材料喷射和烧结工艺的相互结合来生产完全密度的金属零部件。成本较低的设备也意味着零件成本大大降低，大批量成本较低的零部件是走向生产的关键要素。粘结剂喷射金属3D打印技术有可能取代小批量，高成本的金属注射成型，还可以用于生产其他领域复杂而轻便的金属零件（例如齿轮或涡轮机叶轮），大幅降低3D打印成本，并缩短交货时间。

 3D打印释放竞争优势

有趣的是，肯纳金属并非是第一次尝试金属3D打印，除了粘结剂金属3D打印技术之外，此前，肯纳金属就开发了一种轻量化镗孔刀具，这款镗刀是通过增材制造-3D打印技术制造的，用于加工新能源汽车电机定子。

肯纳的这款3D打印刀具经过不断的设计迭代，与第一代刀具相比，重量进一步减轻了 20%，带有碳纤维主体的 3D 打印定子钻孔刀具重 7.3 公斤。

3D打印-增材制造为刀具实现了复杂内部和外部特征。根据3D科学谷的了解，翼型臂确保无忧的排屑，该臂通过冷却液确保精确和强大的冷却液供应到切削刃和导向垫。用传统制造方式经济地生产这将是困难或不可能的，但3D打印使肯纳能够实现甚至如此复杂的内部特征。此外，肯纳金属 RIQ 铰孔系统具有易于直径调整和无故障安装新刀片的特点。

无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是LPBF技术用于金属刀头和刀柄的制造，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。

知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关刀具增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的《3D打印与金属切削刀具白皮书》。

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GE9X项目总经理Karl Sheldon透露，经过1600 次飞行循环测试和内窥镜检查，所有组件都按预期运行。

GE9X 发动机

GE9X航空发动机的制造过程中采用了GE公司多项新技术，包括：

• 高效的下一代27:1压比高压压气机；
• 第三代低排放TAPS III燃烧器；
• GE9X配备了304个3D打印零件，总共涵盖了七大类型，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。
• 燃烧器和涡轮中的轻质耐用陶瓷基复合材料 (CMC)。

©3D科学谷《3D打印与航空发动机白皮书2.0》

GE9X是目前全球最强大的飞机发动机，也是有史以来最安静的GE公司发动机（每分贝推力磅数）。波音777X该机配装GE9X后可降低20%的油耗，NOx排放量比当前的监管要求低55%。

2020年9 月，GE9X发动机获得了美国联邦航空管理局的FAR Part 33发动机认证，认证测试时间接近5000小时和8000次循环。这包括在GE公司的747-400飞行试验台上进行的72次试飞和400多个小时的飞行时长。

GE航空公司预计将在2022年上半年完成GE9X的增程双发运营(ETOPS) 测试，以获得FAR Part 33和Part 25 认证。

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在本文中，3D科学谷将结合GE的案例来进一步揭示电子束熔化 (EBM) 和新兴的不断发展的材料如何迅速成为医疗植入物和设备领域所青睐的技术。

© 3D科学谷《3D打印与骨科植入物白皮书》

更微观、更一体化

 EBM 3D打印材料和医疗应用

根据GE，已经有几种可以 3D 打印的材料——基于现有的植入材料，如不锈钢、Ti-6Al-4V (Ti64) 和钴铬合金——这些材料可以通过多种不同的方式进行定制，以适应每个患者的需要。

由于 3D 打印提供了一种创建定制植入物的方法，与定制现有材料相比，获得新材料认证的时间和费用是不太理想的选择。未来的变化将是使用相同的批准材料，但可调整材料微观结构。

Ti64 钛仍然是医疗客户的常见材料选择之一，因为钛为增材制造的用户提供了灵活性。未来的一种潜力是创造不同的微观结构，使合金在某些植入物和应用中变得坚固，同时在其他植入物和应用中变得更柔软和可扩展，例如脊柱融合器。

钴铬合金是另一种仍然需要用于植入物的“主力”合金，特别是用于股骨膝关节部件和双活动髋关节杯，目前临床上仍然没有其他材料可以反映其特性。不过虽然钴铬合金和 Ti64 都非常适合通过EBM来加工，但并非所有患者都适合钴铬合金植入物。

另一种正在使用的植入材料是用于骨板（以及手术工具）的不锈钢。然而，虽然可以使用 EBM 创建这些植入物，但需要执行额外的表面处理步骤以获得合适的产品。因此，目前不锈钢通常通过选区金属激光熔化金属3D打印技术来加工。

 医疗植入物市场的可定制解决方案

尽管在体内临床环境中可以使用哪些材料存在限制，但与现成的植入物相比，定制适合患者的现有材料可以带来增强的功能。

可以采用抛光或粗糙表面的形式，以及定制植入物结构特性的不同微结构。使用现有（和临床批准的）材料制造可满足每位患者确切需求的植入物的能力还有助于减少与寻找适合所有手术场景的新临床合适材料相关的时间和成本。

今天，外科医生和医疗设备设计师正在寻求采用他们过去使用过的先前植入产品，从头开始重新设计它们，使其更具功能性，并根据患者的需求定制特定的特性。就定制而言，根据具体情况创建定制部件的能力是可以实现的最高级的定制级别之一。

在使用 EBM 定制植入物时，通常可以采用两种方法：

方法一：改变材料的化学性质

通过改变材料的化学性质来优化植入物的特性，使其仍然符合所需的规格，但具有增强的性能。预计未来这将通过调整零件的微观结构或在打印过程中更改工艺参数来实现，从而实现不同的化学成分。一个例子是实现更硬、耐疲劳的特性，以及具有多功能性的植入物。

方法二：植入物结构一体化实现

采用传统制造的产品并为其增加独特性，预计这在未来会更加普遍。这可能会导致将几个不同的植入物组件整合到一个单一的植入物中，而无需在手术过程中将它们组合起来。这种方法已经在航空航天工业中成功部署，数百个零件被提炼成少数零件。这种方法很可能在未来几年渗透到医疗器械领域。

定制植入物以满足每位患者的特定需求的能力不仅可以减少以后进行的修复手术，而且还可以减少患者在手术时的不适感，从而缩短住院时间。在宏观层面上，为每位患者定制植入物不仅有助于为患者提供更好的手术体验，还可以节省资金。

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 端到端的解决方案

从最初诊断到外科医生能够将植入物插入患者体内所花费的时间至关重要。除了使设计师能够定制植入物外，EBM 电子束金属3D打印技术还提供了一种方法来减少外科医生接收植入物所需时间的优势。

由于许多后处理步骤可能需要很长时间（尤其是在将运输时间也考虑在内的情况下），因此需要根据应用程序来确定是否需要进行后处理或花费更长的时间进行打印。这通常也取决于其他可用的设备。

在这里，外科医生、设计师和增材制造机器制造商之间建立更密切的关系可以帮助那些想要使用金属 3D 打印植入物但不一定知道从哪里开始或将精力集中在哪里的人。由于定制植入物需要高度定制，因此这种协作比其他应用程序更为重要。目前，一些用户可能会在试图了解如何使用金属3D打印的过程中迷失方向。

在传统的批量生产制造环境中，有经过验证的测试有助于对不同植入物的特性进行分类。然而，个体植入物的定制性质——以及将植入物植入患者体内所需的较短交货时间——意味着必须验证生产过程以适应定制植入物的每一种变化，而不是依赖于部分测试结构。

拥有经过验证的工艺窗口，可以自信地打印应用程序的这些不同变体，而无需测试实际零件。当前的3D打印-增材制造专家现在致力于统计过程控制，这将能够帮助外科医生为不同场景创建零件——无论是为了快速生产还是优化过程。

根据GE，当前整个医疗领域有 100 多台 EBM 电子束金属3D打印设备在使用，该技术在定制植入物领域具有未开发的潜力。关于EBM电子束金属3D打印技术的应用发展，3D科学谷将保持持续关注。

更多信息，欢迎参考3D科学谷发布的《3D打印与骨科植入物白皮书》。

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