根据3D科学谷的市场研究，3D打印是一种带有鲜明数字化特征的技术，这意味着增材制造能够改变产品的生产方式是本质性的，不仅可以实现个性化，还可以实现功能化导向的制造。

与减材制造尤其是CNC机床加工来比较，3D打印-增材制造可以用来制造具有空腔的零部件，这是CNC机床加工无法实现的，CNC机床加工只能加工产品的外型，而且还会受到刀具干涉的局限，无法加工一些形状过于复杂的外型。

在空腔的制造策略方面，近日，赛峰3D打印-增材制造具有空腔的零部件专利获通过。

赛峰专利
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 空腔内“柱子”的妙用

根据赛峰的专利，用于制造零件的增材制造方法（电子束熔化或选区激光熔融技术类型）通过在堆积方向（或制造方向）上逐步将粉末材料固化成层，不过增材制造制造带有空腔的零件在可接受的悬垂角度方面受到限制。

在这种情况下，大尺寸的空腔需要具有拱形的天花板，以符合这种悬垂角度的限制，从而增加空腔的内部和外部体积。然而，某些零件在体积和尺寸方面受到限制，这对设计带有拱形天花板的空腔带来一定的挑战。

为了制作带有天花板的空腔，即使不是平的，但要想实现几乎没有拱形是具有挑战的。当前的增材制造软件通常包含一个功能，可以在制造零件时创建柱形支撑，以支撑制造过程中空腔的天花板。然而，这些柱子占据了相当大的体积，对于半封闭的空腔，或者仅通过流体入口通道对外开放的空腔，不可能消除这些柱子。

赛峰的专利寻求一种通过增材制造制造具有空腔的零部件的方法，该方法用于最小化支撑天花板且将永久保持的支撑件所占据的体积。

 更小体积的柱子

为了实现该目的，赛峰的专利提供了一种通过增材制造制造具有空腔的部件的方法，该方法包括以下步骤：

在空腔的顶部上限定邻接部分，包括完全由边缘限定的中心部分，以及由边缘和天花板边界的一部分限定的外围部分；

对于中央部分，通过靠在限定中央部分的边缘向顶点会聚的小面限定顶头，并且还限定了从顶头延伸到腔体的底部同时以中心为中心的细长支撑。

对于每个外围部分，小平面靠在限定所述外围部分的边缘上，并且朝向末端边缘会聚，末端边缘在基本上垂直于空腔壁的平面中延伸，并且还在腔体中限定支撑件。

可以设计多个细长的支撑，细长的支撑件具有星形截面，具有在相应平面中延伸的分支，构建方向通常是垂直方向。

赛峰专利
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通过3D打印-增材制造制造带有空腔设计的零部件，通过将分支和肋条的宽度设置为最小值，以节省材料并将对空腔体积的影响降至最低，同时仍然能够在柱的顶部和底部制造柱头。

 离制造更近的赛峰

根据3D科学谷的市场研究，赛峰的专利倾向于系统化的解决面向增材制造的设计与制造的问题，在设计方面，赛峰尤其重视空腔、点阵这些对航空航天行业来说尤为重要的可以带来减重的设计。

赛峰之前获得通过的3D打印涡轮机脱气器及U形接头方面的专利，也是充分发挥了3D打印的优势，通过3D打印对U形接头的蜂窝型环形部分进行制造，3D打印在实现结构一体化和蜂窝状结构方面具备优势。赛峰开发了带蜂窝结构的3D打印离心脱气器，通过3D打印，可以方便实现在径向上和在轴向上改变蜂窝结构的纹理和孔隙率， 同时腔室和小齿轮形成单一件。

此外，面向制造，赛峰还非常注意后期的机加工的可行性。根据3D科学谷的市场研究，法国赛峰还开发了通过增材制造来制造不对称零部件的方法，赛峰开发的方法包括以下步骤：

- 提供待制造部件的数字模型;

- 使模型相对于构造方向定向;

- 通过增加牺牲平衡部分来修改模型，该牺牲平衡部分被配置成为了平衡在制造部件时出现的残余应力的用途;

- 在修改的模型基础上，使用增材制造技术逐层制造出零件;

- 通过减材的制造方法切除掉牺牲部分。

总体来说，赛峰围绕着减重所需要的设计与制造重点，进行了积极的专利布局。

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 既轻又强的大尺寸零件

该项目的目标是证明使用选区激光熔化技术进行主要组件增材制造-3D打印的可行性。组件经过重新设计后，更加适应于金属增材制造，不仅节省了整个制造过程约时间，同时还减轻了15%的重量。

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由于该零件的结构要求非常严格，既需要在枢轴上转动，保证起落架能够自由收放，同时还需要吸收机轮的机械应力。为此，Safran集团选择了钛合金用于最终打印，该材料不仅拥有出色的机械性能，同时，在不做任何表面处理的情况下仍能保证优异的抗腐蚀性，这无疑延长了零件的使用寿命及耐用性。

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Safran起落架系统增材制造项目负责人Thierry Berenger表示：“我们选择SLM Solutions作为合作伙伴，正是因为他们专业的增材制造知识以及性能强劲的SLM®800设备，无论是设备尺寸还是设备的可靠性等方面，都完全满足我们的使用要求。”

SLM®800扩展了垂直方向的成型尺寸，更加适合大型零部件的生产。该设备不仅运用了SLM Solutions久经市场验证的四激光技术，同时还配置有更多创新功能，诸如拥有专利的风场设计以及永久过滤系统，确保了设备最高的稳定性。

SLM®技术的优势之一是灵活性。设计思路可以快速地进行修改、打印以及测试，从而大幅缩减整个原型开发的周期。

SLM Solutions全球服务与解决方案执行副总裁Gerhard Bierleutgeb补充道：“通过增材制造技术实现快速成型，从而进一步缩短资质认证阶段的周期。我们仅需要几天，就可以在SLM®800上生产出主要组件，但如果使用锻造工艺，整个过程将耗费几个月的时间。”

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•尺寸: 455x295x805 mm

•材料: 钛合金

•设备: SLM®800

该专利设计为Safran集团所发明，在满足严苛的承载能力的同时实现了轻量化设计。

l 文章来源：SLM Solutions

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一体化结构实现

涡轮机是复杂的系统，具有多个必须配备有密封装置的旋转组件(涡轮、压缩机等)。这些密封装置通常由位于旋转组件附近的加压空气迷宫装置制成。为此，直接从涡轮机的空气流道中获取空气。然后，该空气经由为此目的而设置的各种迷宫装置穿过涡轮机，然后被排出到涡轮机的外部，以限制涡轮机的其他区域、特别是减速齿轮箱、附件齿轮箱等的压力增加。

 带蜂窝结构的3D打印离心脱气器

当空气穿过涡轮机的不同区域时，该空气带有用于对旋转组件的轴承和小齿轮进行冷却和润滑的油。为了避免带油空气的排放、减轻涡轮机的生态影响、降低油耗以及限制油储备的填充，重要的是提供脱气器，该脱气器允许在将空气排出到涡轮机的外部之前将油从空气中分离出来。

为了确保空气流道的连续性，必须在小齿轮盘中设置开口或槽，并且还必须在由小齿轮和脱气器形成的组件中增加防旋转系统，以便确保脱气器在小齿轮上的令人满意的分度。在现有技术中，脱气器与小齿轮之间的连接不允许对空气流道进行充分优化，并且仍存在不连续性，从而产生了压力损失。因此，脱气器在小齿轮上的集成不能实现空气流动部段上的最大工作自由度，并且不能使脱气器中的空气/油混合物的输送速度最小化。

铸造工艺能够生成复杂的形状，从而限制了压降，但是实现了复杂金属泡沫的集成或降低了增益。传统的机加工实现了金属泡沫的集成，但是限制了空气流道形状的自由度并且使增加了零部件数量。

根据3D科学谷的市场研究，赛峰开发了带蜂窝结构的3D打印离心脱气器，通过3D打印，可以方便实现在径向上和在轴向上改变蜂窝结构的纹理和孔隙率， 同时腔室和小齿轮形成单一件。

包括过滤器的脱气器腔室示意性径向截面图© 赛峰专利

通过3D打印增材制造进行生产，能够优化脱气器的性能水平，特别是在组件的质量和压降方面，还能够集成脱气器的零件实现一体化结构，例如集成内支承环。

 3D打印含内置过滤器的涡轮机U形接头

赛峰开发的3D打印含内置过滤器的涡轮机U形接头包括主体，主体包括附接到壳体的装置和用于安装铰链销的至少一个孔。

通过3D打印，U形接头以结构一体化的形式制造，蜂窝型环形部分形成振动过滤器。过滤器或U形接头的一部分可由耐高温(例如大于200℃)的材料制成。这可以通过具有柔性特性并且特别地具有压缩和挠曲应变能力的蜂窝型结构来实现，该蜂窝型结构足以过滤被悬挂的系统在运行时可能经受的振动频谱。

通过基于粉末床的金属增材制造（3D打印技术）生产U形接头，特别是对U形接头的蜂窝型环形部分进行制造，3D打印在实现结构一体化和蜂窝状结构方面具备优势。相对于模制的、注塑的或机加工的部件，3D打印还可以大量缩短制造所需时间、减少成本和固定成本。

增材制造U形接头示意图© 赛峰专利

l 文章来源：3D科学谷市场研究团队

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十多年来，赛峰集团一直在将3D打印技术应用于航空航天零部件开发与制造工作中。本期，3D科学谷整理了赛峰集团过去几年通过3D打印技术实现的复杂航空零部件制造的应用，从中可以感受到赛峰正处在前沿的直接制造技术领域，并通过增材制造技术搭建起新的制造技术壁垒。

 3D打印助力下一代发动机的制造

赛峰集团是航空发动机市场中涡扇发动机和战斗机发动机的主要制造商之一。

赛峰集团与GE平股合资公司的CFM国际公司是LEAP发动机的制造商。LEAP 发动机中对减少排放，降低燃油消耗起到关键作用的燃油喷嘴头是3D打印技术制造的，目前GE 航空已经实现这一3D打印燃油喷嘴的量产。根据GE航空，该部件中集成的14条精密的流体通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。

图：涡扇发动机市场，来源：《3D打印与航空发动机白皮书》。

图：战斗机发动机市场，来源：《3D打印与航空发动机白皮书》。

透博梅卡公司（Turbomeca）是斯奈克玛的子公司，隶属于赛峰集团，其产品还包括通用飞机和导弹用的涡轮喷气发动机以及地面、工业和海上用的发动机。

图：涡轴发动机市场，来源：《3D打印与航空发动机白皮书》。

透博梅卡在2015年就宣布在其法国Bordes制造工厂使用金属3D打印设备生产直升机部件。已实现生产的零部件包括3D打印燃料喷射器喷嘴和Ardiden 3发动机的燃烧室漩涡式喷嘴。Bordes工厂的增材制造设备是透博梅卡改善公司制造能力的长期计划的一部分，他们计划将多种增材制造技术整合进供应链中。

根据透博梅卡，Arrano 燃料喷射器喷嘴由单一材料一次成型，在使用中显示出了先进的喷射和冷却功能。

在直升机发动机制造领域，赛峰有一款3D打印的镍基合金X材料喷嘴已通过了欧洲航空安全局(EASA)认证，该喷嘴是Leonardo AW189型直升机的辅助动力装置(APU)的核心部件之一。

3D打印喷嘴安装在赛峰集团设计的eAPU60微型涡轮发动机上，以满足推重比高和结构紧凑的需求。 e-APU60能够提供60kWe功率，能够保证发动机的电力起动（在地面或者空中停车状态）和座舱加热。 e-APU60的典型特征包括：更优的功率重量比，出色的紧凑性，流线型结构和基于创新科技的高压力循环，高可靠性保证，低使用费用和出色的性能。

eAPU60涡轮喷嘴采用选区激光熔化3D打印工艺制造，采用镍基合金X代替传统上使用的铬镍铁合金铸件。传统的涡轮喷嘴由八个组件组成，通过3D打印允许将其切割成仅仅四个部件，使得喷嘴比原来轻了35％。采用3D打印技术制造涡轮喷嘴也缩短了开发时间，3D打印组件可以在几天内就完成制造。

赛峰集团广泛的材料测试活动也有助于推进3D打印涡轮喷嘴的认证。结果表明，喷嘴的新设计非常适合于通过选择性激光熔化工艺来加工，其冶金性能符合必须在极端条件下工作的高性能APU组件所承受的热和所需要达到的机械性能要求。赛峰集团着力于研究如何通过3D打印在零部件内部实现更为复杂的几何形状，从而减轻重量，同时提高强度和耐久性。

赛峰集团的在新型直升机发动机-Aneto涡轮轴发动机中也应用了3D打印组件。Aneto涡轮轴发动机是大功率发动机系列， Aneto-1K在航空航天公司Leonardo的AW189K直升机中使用。根据3D科学谷的市场观察，Aneto-1K的一大特点是，在其燃烧室中装有3D打印组件，以及3D打印导向叶片。

Aneto涡轮轴发动机专为超级中型和重型直升机市场而设计，赛峰集团的新型发动机采用了赛峰的“突破性技术”，Aneto系列发动机的功率范围为2500至3000（shp）。

Aneto发动机包含四级压缩机，由3D打印部件组成的新燃烧室，以及3D打印的进口导向叶片。3D打印带来更好的性能，并降低制造成本。根据赛峰集团，由于“特殊”的动力与体积比，新发动机的功率将比现有的相同发动机的功率提高25％。这将提供更多的动力，特别是对于海上任务，搜索和救援，消防或军事运输等任务，Aneto涡轮轴发动机是尤其适合的。

 增材制造设计与工艺的研究

开发这些增材制造航空发动机零部件，离不开对于增材制造设计的探索以及对于金属增材制造工艺的驾驭能力，赛峰集团这些方面也进行了努力。

例如，赛峰在通过增材制造来制造不对称零部件，赛峰开发的方法包括以下步骤：

- 提供待制造部件的数字模型;
- 使模型相对于构造方向定向;
- 通过增加牺牲平衡部分来修改模型，该牺牲平衡部分被配置成为了平衡在制造部件时出现的残余应力的用途;
- 在修改的模型基础上，使用增材制造技术逐层制造出零件;
- 通过减材的制造方法切除掉牺牲部分。

根据3D科学谷的市场研究，通过这种方法，可以在计算机辅助设计阶段检测在制造过程中累积的残余应力的潜在风险，特别是部件内的不对称性，然后纠正模型的设计，以使其具有更规则和更好的比例，以便在制造期间使部件内的残余应力得以平衡。因此，在逐层制造期间，残余应力以更均匀的方式在部件内分布：这避免了这些残余应力集中在部件的某些区域中，超过可能导致部件的临界变形的某个阈值。

根据3D科学谷的市场观察，这种方法还被赛峰应用到了具有前缘，后缘和翼型的叶片部件加工。

赛峰正处在前沿的直接制造技术领域，这与3D科学谷在《从产品附加值的范式转移看全球制造业的变迁规律》一文中关于制造业的高附加值在往高生产成本要素的地区积聚的判断是一致的。

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根据雷尼绍的《金属3D打印-增材制造设计指南残留应力设计建议》为了消除热应力，可以通过几种方法来尝试，包括：尽可能通过设计消除残留应力；避免大面积不间断熔化；注意横截面的变化；混合加工将较厚的底板整合到增材制造零件中；在应力可能较高的位置使用较厚的加工托盘；选择一种合适的扫描策略。

 不对称的对称解决方案

尽管制造策略仍在发展和改进，但它们目前还不能令人满意地获得不对称的部件。当通过增材制造制造这样的部件时，经常观察到存在不可逆的冶金缺陷，例如，裂缝的出现/或尺寸缺陷，部件的某些部分不符合规定的公差。特别是由于零件的不对称性从而导致的质量差异而使得零件的某些区域中累积残余应力，这种残余应力导致零件变形。遗憾的是，这些缺陷通常是不可接受的，并且导致所制造的零部件报废，从而导致相当大的损失并因此导致高的总制造成本。

根据3D科学谷的市场研究，法国赛峰正在开发通过增材制造来制造不对称零部件的方法，3D科学谷了解到，赛峰开发的方法包括以下步骤：

- 提供待制造部件的数字模型;

- 使模型相对于构造方向定向;

- 通过增加牺牲平衡部分来修改模型，该牺牲平衡部分被配置成为了平衡在制造部件时出现的残余应力的用途;

- 在修改的模型基础上，使用增材制造技术逐层制造出零件;

- 通过减材的制造方法切除掉牺牲部分。

根据3D科学谷的市场研究，通过这种方法，可以在计算机辅助设计阶段检测在制造过程中累积的残余应力的潜在风险，特别是部件内的不对称性，然后纠正模型的设计，以使其具有更规则和更好的比例，以便在制造期间使部件内的残余应力得以平衡。

因此，在逐层制造期间，残余应力以更均匀的方式在部件内分布：这避免了这些残余应力集中在部件的某些区域中，超过可能导致部件的临界变形的某个阈值。

根据3D科学谷的市场观察，这种方法还被赛峰应用到了具有前缘，后缘和翼型的叶片部件加工。

 3D科学谷Review

残留应力是快速加热和冷却的必然产物，这是激光粉末床熔化工艺的固有特性。每一个新的加工层都是通过如下方式构建的：在粉末床上移动聚焦激光，熔化粉末顶层并将其与下方的一个加工层熔合。热熔池中的热量会传递至下方的固体金属，这样熔融的金属就会冷却并凝固。这一过程非常迅速，大约只有几微秒。

新的金属层在下层金属的上表面凝固和冷却时会出现收缩现象，但由于受到下方固体结构的限制，其收缩会导致层与层之间形成剪切力。

残留应力具有破坏性。当我们在一个加工层顶部增加另一个加工层时，应力随之形成并累积，这可能导致零件变形，其边缘卷起，之后可能会脱离支撑：

在比较极端的情况下，应力可能会超出零件的强度，造成组件破坏性开裂或加工托盘变形：

这些效应在具有较大横截面的零件中最为明显，因为此类零件往往具有较长的焊道，而且剪切力作用的距离更长。

除了赛峰所采用的增加牺牲结构的方法，在雷尼绍的《金属3D打印-增材制造设计指南》中详述了改变扫描策略的方法。当采用激光轨迹填充零件中心时，通常会来回移动激光，这一过程称之为“扫描”。通常所选择的模式会影响扫描矢量的长度，因此也会影响可能在零件上积累的应力水平。采用缩短扫描矢量的策略，则会相应减少产生的残留应力。

两种最常见的扫描策略分别是用于薄壁零件的“迂回”扫描（也称为光栅扫描），及用于具有较厚截面的零件的“条纹”扫描。“棋盘”或“岛状”扫描策略也同样有效。条纹和棋盘扫描可缩短各扫描线的长度，减少残留应力的累积。

也可以在从一个加工层移至下一个加工层时旋转扫描矢量的方向，这样一来，应力就不会全部在同一平面上集中。每层之间通常旋转67度，以确保在加工完许多层后扫描方向才会完全重复。

参考资料：US10118226B2_method for manufacturing an asymmetric component using additive manufacturing

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3D打印喷嘴安装在赛峰集团设计的eAPU60微型涡轮发动机上，以满足推重比高和结构紧凑的需求。 e-APU60能够提供60kWe功率，能够保证发动机的电力起动（在地面或者空中停车状态）和座舱加热。 e-APU60的典型特征包括：更优的功率重量比，出色的紧凑性，流线型结构和基于创新科技的高压力循环，高可靠性保证，低使用费用和出色的性能。

e-APU60被特别设计用来满足新一代多电飞机的需求。其特征是卓越的功重比和超常的小型化。2013年在奥古斯塔-韦斯特兰AW189直升机上进行的试验验证了其优良的可靠性和在极端工作环境下的耐久性，以及在正常飞行条件下的出色的性能。2013年5月31日，e-APU60获得了欧洲航空安全局（EASA）最高级别的民用适航证。

除了为AW189在地面起动主发动机、为电力系统提供动力以及提供空气调节，e-APU60还能够在飞行中重起发动机以及在整个飞行包线中为所有电力需求提供额外的动力源。通过EASA认证的主要部件是eAPU60的涡轮喷嘴，eAPU60微型涡轮发动机经常被使用在Leonardo AW189直升机上。

赛峰集团的eAPU系列微型涡轮发动机降低了燃油消耗，提供最大的功率重量比，并提高了可靠性和耐用性。得益于其定制设计，多功能eAPU变速箱可适应不同的电气系统和电源配置，并能同时驱动不同的起动机和交流发电机组合，另外噪声排放和污染水平也很低。

3D打印的eAPU60涡轮喷嘴采用选择性金属熔化工艺制造，采用镍基合金X代替传统上使用的铬镍铁合金铸件。传统的涡轮喷嘴由八个组件组成，通过3D打印允许将其切割成仅仅四个部件，使得喷嘴比原来轻了35％。采用3D打印技术制造涡轮喷嘴也缩短了开发时间，3D打印组件可以在几天内就完成制造。

赛峰集团广泛的材料测试活动也有助于推进3D打印涡轮喷嘴的认证。结果表明，喷嘴的新设计非常适合于通过选择性激光熔化工艺来加工，其冶金性能符合必须在极端条件下工作的高性能APU组件所承受的热和所需要达到的机械性能要求。

赛峰集团的下一步是认证用于其他涡轮机的3D打印喷嘴，安装在达索系统的Falcon FX和庞巴迪的Global 7000私人飞机。关于对3D打印的信心和重视，先前赛峰就通过与达索的结盟表达了对3D打印的重视程度，两家公司通过3D打印最终降低生产时间、提高产品性能，同时减轻产品重量，降低这些部件制造过程对于环境的不利影响。

另外，赛峰集团着力于研究如何通过3D打印在零部件内部实现更为复杂的几何形状，从而减轻重量，同时提高强度和耐久性。

而赛峰的子公司，法国透博梅卡（Turbomeca）公司在2015年就已利用其SLM 3D打印机产生燃料喷射器喷嘴，该喷嘴主要用于Arrano测试和生产发动机，以及它们的Ardiden 3发动机的燃烧室漩涡式喷嘴。

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