要說3D打印在渦輪螺旋槳發(fā)動機領域的應用突破莫過于GE要在2018年試飛的ATP飛機發(fā)動機了。這為通過增材制造可以實現(xiàn)的可能性打開了新的空間。 GE公司先進的渦輪螺旋槳發(fā)動機（ATP）發(fā)動機中，三分之一以上的部件是由3D打印來完成的，其額定功率為1300馬力，該發(fā)動機為Textron Aviation推出的10人座商用飛機Cessna Denali提供動力。本期，與網(wǎng)友一起近距離來了解這款發(fā)動機的特點。
與噴氣發(fā)動機不同的是，渦輪螺旋槳飛機通常為小型商業(yè)飛行器和個人飛機提供動力，但這仍然代表著數(shù)十億美元的市場。基于3D打印技術(shù)特點，設計師將855個獨立部件減少到12個。不僅如此，3D打印通過降低ATP發(fā)動機的重量來降低成本。發(fā)動機輕5％，這意味著它將使飛機減少燃油消耗，此外設計變更將使ATP的發(fā)動機提高燃油燃燒效率，從而能夠減少20％的燃油消耗，并且比傳統(tǒng)加工方式制造的發(fā)動機多10％的功率。
GE ATP計劃負責人Gordie Follin說：“這臺發(fā)動機是革命性的。因為GE將大型商業(yè)發(fā)動機中驗證的最先進的技術(shù)移植到渦輪螺旋槳發(fā)動機的設計與制造中來。”
ATP發(fā)動機的革新之處包括3D空氣動力學、可變定子葉片和完全集成的數(shù)字引擎和螺旋槳控制系統(tǒng)。 Follin說：“我們正在使得Textron可以擁有更高的動力以承載更大、更豪華的客艙，并且發(fā)動機提供滿足客戶期望的巡航速度，并且飛行員將坐在更簡潔明快的噴氣式駕駛艙中。”
經(jīng)過十多年的研究和開發(fā)，GE通過幾個流程的銜接來生產(chǎn)發(fā)動機零件，包括直接金屬激光熔化3D打印技術(shù)。由于3D打印非常適合加工高度復雜的零件，這使得ATP發(fā)動機比傳統(tǒng)的渦輪螺旋槳發(fā)動機減少了約30％的零件，同時減少了發(fā)動機制造中涉及的組裝步驟和檢查次數(shù)。通過完全消除接頭的需要，該設計還消除了接頭損失和泄漏的風險。
GE的子公司Avio Aero的工程主管Giorgio Abrate說：“這不是簡單地用另一種方法替代一種生產(chǎn)方法，而是重新設計和設計航空發(fā)動機的方式。”除了大量的采用增材制造技術(shù)之外，ATP還是世界上第一個“數(shù)字原生”航空發(fā)動機。 ATP的設計師不是依靠2D原理圖，而是使用先進的3D建模。引擎中的傳感器將收集數(shù)據(jù)，并允許用戶構(gòu)建所謂的ATP數(shù)字雙胞胎。此外，引擎的虛擬模型將會根據(jù)實際情況來考慮磨損，幫助操作人員預測正確的維護時間，從而使得飛機將更多的時間用于飛行。該發(fā)動機還將配備通過單個控制桿控制發(fā)動機和螺旋槳的技術(shù)，使得飛行員能夠像駕駛噴氣式飛機一樣來駕駛Denali飛機。
圖片：ATP立體燃油加熱器采用微小復雜的通道進行蜂窩式傳播，GE通過3D打印制造出來。圖片來源：TomasKellner
在發(fā)動機內(nèi)部，燃燒室和許多結(jié)構(gòu)元件通過3D打印技術(shù)來完成，這帶來更簡潔、更輕和更緊湊的發(fā)動機，具有最佳的16:1的工業(yè)級總壓力比（OPR ）。與競爭對手相比，這使其能夠節(jié)約15％的燃料（僅僅通過設計提高的燃料燃燒效率帶來的節(jié)約）和提高10％的巡航功率。
總的來說，3D打印技術(shù)完成了目前Denali發(fā)動機最關(guān)鍵的部件，包括ATP的動力齒輪箱。不僅如此，3D打印技術(shù)還使得設計工程師能夠采用以前無法使用的材料組合，包括新的合金。
3D打印技術(shù)也用于設計和生產(chǎn)ATP燃燒器，其圍繞式逆流配置，從而最大限度地縮短發(fā)動機長度，同時改善整體發(fā)動機的重量和安裝。并且3D打印還以更低的成本使得工程師對大量的設計概念進行原型制造和功能測試，這一過程如果通過傳統(tǒng)的常規(guī)制造過程將耗費過高的時間和成本。
此外，ATP發(fā)動機的開發(fā)團隊來自世界各地，包括GE位于意大利、波蘭、德國和捷克共和國。ATP發(fā)動機的正式生產(chǎn)將于明年開始，搭載ATP發(fā)動機的Cessna Denali預計在2019年底將從跑道起飛。
