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美国通用电气助力美空军形成金属3D打印能力

基于“前沿领跑者”(Pacer Edge)计划的前期成功和势头,美空军和通用电气(GE)在2021年11月已进入这一金属增材制造探路者计划的第3阶段。这一阶段将直面空军“冷启动”持续保障的庞然大物。被视为“冷启动”的飞机发动机部件是需要300多天采购时间的部件。据估计,美空军每年有超过800台发动机要“冷启动”。

不到一年就上天的适航3D打印金属件2021年6月,GE获得了美空军对F110发动机的增材制造油箱底壳盖工程变更提案(ECP)的批准。作为“前沿领跑者”计划的最新里程碑,该部件是第一个使用金属增材制造设计和生产、并通过了美国防部实体适航鉴定的发动机部件。GE公司大型军用工程团队首席工程师马特·佐尔温斯基表示,就像GE90发动机的T25传感器是GE在商业航空航天领域金属增材制造部件的美国联邦航空管理局(FAA)认证探路者一样,F110发动机油箱底壳盖为GE更多的军用增材制造部件的适航鉴定奠定了坚实的基础。

美空军官员内森·帕克表示,该计划是降低风险和展示增材制造在航空航天领域应用的一项重要举措,增材制造出飞机发动机部件并获得军用适航性的能力是美空军在增材制造方面迈出的重要一步。美空军推进局局长约翰斯内登表示,空军参谋长向空军人员发出挑战,要求“加速变革,否则失败”。整个“前沿领跑者”计划流程围绕加速变革理念而构建,F110发动机油箱底壳盖的研制和适航性批准的执行速度就是一个好的证明,该计划正在演示和证明的能力将改变军用航空发动机生产和持续保障的游戏规则,并将解决许多未来空军的战备完好性挑战。依托经验和数字线索的螺旋式开发,F110发动机油箱底壳盖的适航性鉴定使该计划的1a阶段结束,整个鉴定过程不到1年,但这也是GE十年的金属增材工程和制造专业知识的成果。GE团队对可飞行3D打印金属部件的商用航空发动机适航性的深入了解,有助于帮助空军建立自己强大的军用适航性工艺确认和认证流程。密切合作和知识共享增强了空军的螺旋式开发方法,即不断识别、逆向工程和开发技术数据包(TDP),以用于金属增材制造中日益复杂和尺寸更大的零件。

马特指出,作为其更广泛的持续保障和战备完好性战略的一部分,美空军对增材制造的强烈愿景使空军的联合团队能够快速前进。他们继续分享自身的经验,并开发了一种高效、结构化的工作方式——尤其是在开发鉴定流程和加快设计迭代方面,这种精益的运行效率已经推动了这些成果。该计划的1b阶段包括研究复杂和大型的承力结构,重点是为TF34发动机增材制造已停产的油箱底壳盖罩,该发动机已服役40多年。

GE先进材料解决方案总经理丽莎·科罗亚-博克利表示,很高兴能与空军一起踏上这段旅程。增材制造的旅程很棒,但如果有一张好的行程图和经验丰富的指南,那就更好了。公司从一个相对简单的零件开始,但螺旋式开发模式正在形成,它为团队提供了重点,公司的专家在此过程中提供指导并解决问题。

GE的专家还专注于数字孪生、基于预测性分析的维护和零件生命周期管理专业知识,能够补充美空军的数字工程战略和内部知识。丽莎表示,人际互动和协作都为公司的工作增加了巨大的价值,但数字化是推动者。增材制造也是一种强大的数字技术,涵盖从设计和建模到原位监测到检测和最终质量水平保证的整个过程,在顶层添加数字孪生和预测性分析带来了新的视野,例如现场系统的系统管理、诊断和维修。

廷克空军基地作为适航性

金属增材供应链中枢GE公司军用项目主管劳伦·图辛透露,“前沿领跑者”计划的后续阶段涉及在俄克拉荷马州廷克空军基地建立金属增材制造供应链,能够生产适航组件以支持国防部的维持需求。最近,空军推进局投资了1000万美元,为该计划的其他阶段提供资金。这笔资金将加速空军建制内增材制造能力的发展,以及为军用发动机、飞机和保障设备设计和打印适航硬件的能力。执行该计划的团队正在利用3D打印能力来缓解老旧系统难以采购和过时淘汰的备件限制。

美空军推进持续保障部门总工程师梅兰妮·乔纳森认为,F110发动机油箱底壳盖是一个了不起的探路者,使他们能够锻炼美空军的适航过程。飞机队列中有许多零件是金属3D打印的理想候选者。接下来,会专注于优化适航过程,因此它与技术一样具有响应性。廷克空军基地推进集成部主管贝丝·迪特默表示,该计划正在加速空军对3D金属打印的广泛采用,以成建制地解决供应链短缺问题,并实现其承诺,即通过大幅缩短交货时间和创造额外的采购选择来改善对作战人员的支持。

“前沿领跑者”计划达到

下一个里程碑GE增材的“前沿领跑者”计划项目经理亚历克萨表示,对于空军和通用电气团队来说,首要任务是创建数字3D技术数据包(TDP),用于难以采购的、过时的“冷启动”部件,并提供四个适航、近净成形铸件。这些数据包最终将意味着零件过时淘汰将成为过去。在接下来的几年里,团队计划在空军的持续保障平台上创建至少五个数据包,技术复杂性不断增加。

第3阶段中,团队已经在位于俄亥俄州辛辛那提的GE增材的工厂的概念激光公司M2系列上使用钴铬合金成功地打印了两个组件,一个曲柄和一个横轴臂。使用合金718的其他组件的工作也取得了进展。该计划的目标是在廷克空军基地建立成建制能力。实现这一目标的方法是确保该计划中产生的知识产权归美国政府所有。这将使美空军和国防部能够在未来自行打印这些部件。该计划仍在按计划进行,目标是在2022年春季向美空军交付适航的生产铸件。

空军快速持续保障办公室先进制造项目办公室主任扎克·米勒表示,通用电气和空军的合作使增材制造的使用合法化,以满足现有供应链中目前不支持的老旧飞机的关键需求。GE增材的技术客户经理乔·弗兰岑表示,在创建3D数据包的同时,公司正在与空军同行密切合作,将生产能力转移到廷克空军基地的维修站。这将为美空军建立成建制、适航的金属3D打印能力。