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他梦想助力中国3D打印出自己的航空发动机

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2017-03-21 09:59

    今年2月份,世界三大航空发动机生产商之一的美国通用电气(GE)宣布将在美国和海外分别增加43亿美元和11亿美元的投资,建设更多工厂,扩大产能,从而满足其GE9X和LEAP两款新型喷气发动机的生产任务;印度的Intech DMLS宣称,他们将着手研发印度首个具有完全自主知识产权的3D打印飞机系列引擎;德国西门子也同样将3D打印技术应用到了涡轮引擎的涡轮叶片上,并已通过了两项测试,时速高达994英里,可承受1250℃的高温……

    悄然间,一场关于3D打印航空发动机的研发竞赛已拉开序幕。南方科技大学产学研讲座教授、“国家千人计划”专家韩品连便是这场竞赛的抢滩者之一。

    韩品连教授早年曾担任在美国ABB-CE核反应堆安全主任工程师以及世界三大航空发动机生产商之一的美国普拉特•惠特尼航空发动机公司7个重要部门担任过技术负责人,参与和负责过多个型号的研发和改进,创记录地使所负责的多个型号核心部件一次性设计成功(不返工,不出故障)。国外这段工作经历使得韩品连教授对自己的一生该怎么过有了清楚的认识,他盼望着将毕生所学用以帮助中国在短时间内(10年内)研制出有世界市场竞争力的航空发动机。

    2010年归国后,他先在中航商用飞机发动机责任公司负责技术研发,后又转移到一家专门从事高温合金研发的组织——深圳市万泽中南研究院任职院长。多年来,他深耕航空发动机研发领域,截至目前,韩品连教授的团队已经申请了多达25项专利,正在进行专利布局。他表示,他的团队在增材设计解决航空发动机、新型两栖接力燃气涡轮两个方面的研究已经领先于全球。

看淡“落后”,国产航空发动机研发迎良机

    航空发动机,飞机的心脏,它的制造被喻为工业体系皇冠上的明珠,是中国一直渴求的制造技术。但由于我国上世纪6、70年代世界航空发动机大发展时代,没有资金投入到发动机的科研领域,加上西方又因该技术高度敏感,对中国进行了长时间的“技术封锁”,造成了我们的航发断档落后了30年。

    可韩品连教授对“落后”的看法很乐观:“目前,我们在航空发动机产品和技术上同欧美等先进国家的差异很大。但并不意味着有同样大的能力差别。虽然我们目前的产品只能达到别人几十年前的水平,但我们的能力之差就是几年或十来年。我们能够在自己这一代超过他们。”

    他的乐观与信心恰好缘自于3D打印技术——“增材设计制造无疑是今天能帮助我们赶上和超过当今世界一流国际水平的最佳途径”。 正因为3D打印技术的出现,使得我们跟发达国家有机会再次站在同一条起跑线上。但是,想要赶超西方国家,“中国仍须先解放思想,大胆任用知己知彼、有着丰富成功经验的专家,全面采用全新的、原创的理论、技术、工具、产品、做法和机制,快速推进增材设计制造在先进航空发动机设计制造中的应用,包括两栖接力燃气涡轮、增材设计和制造、大数据云端平台、互联网物联网、精益六西格玛理念,但求所成的人力资源矩阵管理,众筹众包,共创共担共赢共享,走出适合中国人自己的研发道路来。”

    多年的外国工作经历,让他自信可以在很多方面超过当今的垄断国家和企业,特别是航空发动机产业和核电产业。中国科学院院士李应红曾指出,中国的航空发动机目前的主要问题是“重性能,轻结构,重主机,轻系统”。而处理质量和稳定性问题和研制风气问题,恰恰是韩品连团队的专长。

航空发动机市场大,门槛高,有待努力

    去年,国家制造强国建设战略咨询委员会发布数据预测,未来十年,全球涡扇、涡喷发动机累计需求总量将超7.36万台,总价值超4160亿美元;涡轴发动机累计需求总量超3.4万台,总价值超190亿美元;涡桨发动机累计需求总量超1.6万台,总价值超150亿美元;活塞发动机累计需求总量超3.3万台,占60%以上通飞动力市场,总价值约30亿美元。同时,国内干线客机对大型涡扇发动机的市场累计需求总量超6000台,总价值超500亿美元,而低空空域的开放也将进一步刺激通用飞机对涡轴、活塞等发动机的需求量。

    近期也有消息指出,GE开发研制的两款应用到3D打印零部件的发动机GE9X、LEAP已经分别获得了总价值高达280亿美元以及1700亿美元的大订单。

    由此可见航空发动机潜在的市场有多巨大,而这,也是航空巨头盯上3D打印这块肥肉的原因。当然,这与3D打印技术优势也是分不开的。韩品连教授指出:“航空发动机几乎所有的机械零部件都适合增材设计制造。优点是能够突破传统材料和工艺的瓶颈,使航空发动机在效率,可靠,安全,环保和成本上都能大幅度改进。”

    他继续说:“对航空发动机而言,增材设计制造能做到结构的质量分布,刚度方便,阻尼分布,失效分布,寿命分布,传热分布,变形分布,热膨胀分布等等都可以由工程师主动安排。航空发动机未来的发展趋势一定是与增材设计制造紧密相连。通过增材设计制造,航空发动机可以做到更轻,更高效,更安全,更环保,更可靠,更便宜。”

    当然,这说的是理想状态,韩教授直言,这项技术还年轻,无论精度还是速度,制造出来的结构的机械性能与传统制造手段相比还差一大截,制作工艺、设计方法、设计准则、设计原理、设计工具等等都需要重新建立和开发,我们还有很多工作要做。

    尽管3D打印技术在航空发动机上的应用仍面临着较高的技术门槛,但GE所获的大订单也已经表明,如今3D打印在航空制造业的研究已经开始由最初的实验室阶段逐步向实际使用阶段过渡。

换个角度问题,问题不一定是问题

    众所周知,3D打印技术优点多多,具体到航空发动机上,一方面,结构复杂的部件一次打印成型,3D打印零部件无需过多的连接部分,相对传统制造方法使用螺栓或其他接口,既减少材料也减少了零部件,能够为航空发动机减少很多重量,重量的减少则意味着燃油需求量减少;另一方面,节约金钱与时间成本。据《3D打印商情》了解,通过传统工艺研制涡轮叶片样件需要大约3年时间,而采用3D打印技术则可将生产周期缩短至9周,这么一来至少可以为整个供应链节约70%的时间。特别是在生产少量样件时,设计也可以更加灵活,这使得生产零部件的投入成本大幅下降。

    但如前文所说,待解的问题仍很多,毕竟3D打印技术也不是万能的。譬如航空发动机如何降温的问题,发动机工作时就像脾气火爆的孩子,温度高达1300-1500摄氏度,这对现有的材料均是一个极大的挑战。

    此外,还有残余应力、热膨胀等等问题……但这些在小编看来就像技术壁垒的难题在韩品连教授看来并不是大问题。他认为:“增材制造是做加法,所制造的零部件是从点到线,到面,到体积。只要局部(熔池)在工程许可范围可控,整体就可复制,可控制。因此,增材制造工业相对传统工业,包括煅造等更可信任。”

    以残余应力为例,韩教授觉得残余应力和变形并不一定都是不好的,完全可以正向利用。而其它问题也都可以通过利用增材制造的核心优势,即梯度材料和亚表面微结构,通过结构的增材设计得到解决。他补充说:“增材制造是制造工艺方面的颠覆性技术,需要其它方方面面跟进,特别是增材设计方面所涉及的理念,理论,方法,工具,规范,技能等等。目前在航空发动机的应用上,某些零部件在增材制造基础上可能还需表面处理。”

    在解决问题的方式方法上,韩品连还提到了“大数据”技术,他说:“由于增材制造是从点到线,到面,到体积的加法过程,没有空间和时间的边界限制。因此设计变量更多,组合更复杂。然而,这些工程参数及其后果都是可重复可追溯的,从而可以有效利用大数据和云端积累并深度学习,再通过云端管理对全球所有增材制造设备在线监控,决策,控制。其结果是可以使航空发动机的研制不犯过去犯过的错误,不断进步。”

关于航空发动机,他心中有一个蓝图

    韩品连回国后,创建了一家航空应用技术公司,还担任深圳万泽中南研究院院长,2016年开始参与国家增材制造专项工作,主要研究成果在于独树一帜的增材设计,体现在亚表面多孔结构工程力学上。

    为了实现航空发动机梦,2016年,他的团队发起了《亮剑工程2016》,以航空发动机产品为牵引,交叉学科大协作为手段,他希望联合所有志同道合者成立联盟,围绕两栖燃气涡轮研制,从地面应用技术研发开始,在3年内取得商业上的成功。以此为动力,整合国内多学科多专业的协作,突破传统束缚,系统性地取得竞争优势;同步开展各种新技术的开发应用,包括增材设计制造、智能精密加工、云端大数据操控、先进结构材料等等;建立一门全新学科——亚表面多孔结构工程力学。以此为基础,全面革新传统的结构力学,从结构设计,分析,仿真,制造,试验等创建新的平台甚至生态圈;引导高校教育科研育人改革发展,与社会需求融合,以此帮助国家全面提升。

    在他构建的蓝图里,我们可以清晰地看到他制定的时间节点:3年内,开发出退役航空发动机的改型升级、增材设计和制造、微网智能化、大数据云端管理、机电一体化和新能源利用等五大关键技术,将先进动力分布式能源系统推向市场;6年内,建立完整的设计体系,制造体系和营业服务以及供应链体系、建立零部件维修,制造和适航取证能力、建立人才培养体系;10年内,进入世界领先行列,建立自主设计制造有全球竞争力的航空发动机和燃气轮机能力……

    在韩品连看来,3D打印所带来的全新设计理念正是中国发展航空发动机的重大机遇。他期待着,在这一机遇面前,我们能够举全国之力快速推进增材设计和制造的理念、方法、手段、工具和相应的规范准则,共同努力,打造出中国人自己的航空发动机。

韩品连教授简介

    77级西安交通大学涡轮专业毕业并留校任教,在职取得硕士学位。1988年出国,先后在德国、加拿大和美国从事核电安全和航空发动机研制22年,并取得两个管理硕士和一个工程博士学位。回国前12年在美国普惠航空发动机公司7个部门担任过技术负责人并负责多个攻关项目。2010年回国受聘为中组部“千人计划”专家,中航工业集团特聘首席技术专家,南京航空航天大学特聘教授,西安交通大学特聘教授,上海交通大学特聘教授,中南大学特聘教授,华中科技大学教授,中航商用航空发动机有限责任公司中国首款大型客机发动机技术副总监、研发中心副主任。2014年创建意动航空应用技术公司。2014-2015年任深圳万泽中南研究院院长。2016年加盟南方科技大学从事产学研讲座教授工作。