每年自动修复85000个飞机发动机叶片，金属3D打印这么神奇？

增材制造技术为涡轮机械的个性化、逐件修复提供了快速、自动化加工的机会。由美国极致制造公司（Acme Manufacturing）和Optomec公司联合开发的一个加工单元，每年能自动修复85000个独特的飞机发动机叶片。

按照相同设计制成的新零件，都是相同的，但每个被磨损的零件的磨损方式，却都是独一无二的，所以再制造要应对的工艺工程挑战，比原始制造的更大。

Optomec公司是一家基于定向能量沉积（DED）技术的金属增材制造设备制造商，正在试图解决这一挑战，因为这种技术特别适于飞机发动机叶片这类零件，包括压缩机和涡轮叶片。这家公司的技术解决方案中，不仅包含一款用新金属修复飞机发动机磨损叶片的高效平台，还有一款能够解读磨损叶片视觉测量结果的软件。后者能生成沉积路径和焊接参数，为修复该特定叶片量身定制材料。

使用视觉系统收集的数据，定向能量沉积循环可以根据每个磨损刀片的形状沉积材料，帮助实现叶片维修自动化。但要实现全面量产交钥匙解决方案，还需要将其他加工过程也自动化（图片来源Optomec公司）

对这项服务的需求是巨大的。在航空发动机制造领域，相当一部分零件需要再制造。喷气式飞机上的叶片会被高热和磨蚀变成磨损品，发动机也因此必须进行常规维修。Optomec公司总裁兼首席执行官Dave Ramahi介绍说：发动机的维修运营服务（缩写为MRO）目前约有500亿美元的市场，定向能量沉积技术很适合用于喷气式发动机叶片的维修运营。相信随着未来几年航空旅行的增加，很有可能为定向能量沉积技术带来超过10亿美元的市场。因为定向能量沉积技术可以实现叶片维修自动化，因此满足日益增长的需求。金属3D打印技术开始替代这种史上都是通过手工焊接进行的工作了。

需要应对的技术挑战在于：“要最大限度地利用增材制造技术，不仅在添加材料上需要自动化，还需要将整个刀片修复过程自动化。”Ramahi说。金属沉积后，会生成多余的材料，必须去除，并修整表面，使之与刀片形状匹配。这些步骤传统上也是通过熟练的人工来完成的。为实现这些加工步骤的自动化，定向能量沉积机器制造商需要与专攻自适应和自动化金属去除的技术供应商合作。Optomec公司找到了极致制造公司，一家以机器人为核心的材料去除专家。两家公司经过两年的开发，现已制出一套增材制造技术单元，能够自动完成叶片修复所需的全部加工流程。

Optomec和极致制造公司合作开发了一套刀片修复单元，将自动金属沉积和自动磨料去除技术结合了起来，既能制成用于DED工序的半成品刀片，又能将其制成成品（图片来源：极致制造公司）

这套加工单元能在完全无人看管的情况下，让被磨损的刀片自动通过所有这些工序。计划未来还将在这套加工单元上增设检查、修边和抛光等功能（图片来源：极致制造公司）

有了这套新单元，那些因变形、损坏以及受到磨损的飞机发动机叶片，形状独特、数量众多，但现在都能得到自动修复了。这两家公司介绍说：这种由多个机器人集合而成的单套自动化单元，基本上都是无人值守的，每年可修复85000个叶片。

在3D打印后立即通过DED在刀片尖端增加材料后对其精密研磨。想对这一工序进行编程，需要了解工程磨料的性能以及机器人加工该零件时的压力

商业航空旅行规模的扩张，很有可能扩大飞机的维修运营压力，好在这套单元提供了一个及时的解决方案。但它还有一个意义，就是展示了增材制造技术的作用和前景。具体来说，这套单元是以下所有要点的典型示范：

• 增材制造技术不仅可用于新零件，还可用于现有零件的维修。

• 增材制造技术不只局限于3D打印。为了扩大应用规模，它还需要成功地进入下游（在某些情况下是上游）加工工序。

• 增材制造技术和机器人可以合作应用。在此案例中，它们的合作目的是去除材料。当把机器人去除材料用于硬金属时，通常仅限于精磨，但加上增材制造技术就是完美的，因为增材制造技术生产的零件接近于净成形，只需如此。同时，机器人精加工更容易变成适应性工序，来适应个性化的零件修复。

以下是更多关于喷气式发动机叶片维修单元及其如何运作的方法：

刀片运行。机器人负责加工单元中的各个工序步骤。三台发那科公司机器人一起实现零件处理及磨料去除。

G.A. "Fritz" Carlson三世（图中居右）是极致制造公司的第四代持有者

材料去除是极致制造公司的专长项。总裁兼首席执行官G.A. "Fritz" Carlson三世说：“基本上，这是我们公司打从一开始就关注的问题。”这个“开始”可以追溯到很久之前。这家成立于1910年的家族企业传到Carlson手里时，已是第四代。自成立以来，公司始终专注于用于研磨、抛光、磨光以及去毛刺等精加工操作的定制型机器。最近几十年里，除了专用机器外，它还将自己对磨料和运动及压力控制的独特理解应用于机器人上。在自动化刀片修复单元中，机器人材料去除步骤是在沉积工序之前出现的，需要研磨刀片尖端，为沉积做准备，还要在沉积工序之后研磨、混合添加的材料。这些步骤中的每一步都涉及到机器人将刀片定位在磨料带上，根据工件材料和磨料的已知性能确定压力。结果是为飞机叶片生产和修复中使用的硬钛和镍基合金的精细研磨，提供可重复的解决方案。

在这套单元的核心，定向能量沉积工序是由Optomec公司的CS 250激光工程净成形（LENS）机器完成的。它使用激光熔化吹制的金属粉末，将新的钛和超合金材料应用于叶片。这台紧凑型机器的设计是为了给飞机叶片提供一个经济的解决方案，这些叶片很小，一托盘10~20个就能装进机器上尺寸为250毫米的立方体封包中。

刀片的实际金属沉积速度很快，Ramahi说——每个刀片耗时3~4分钟，一个加工周期内通常有12个刀片同时沉积。在预燃室中将零件移入、移出机器的惰性气体环境，清洗预燃室的时间是15分钟。一盘刀片包上金属保护层后，另一盘刀片就会进入机器，准备进行下一个包层循环，中间不停留。在这段时间里，自动化单元会对其他叶片进行其他操作。

以上描述的都是这套加工单元的硬件。Ramahi强调：测量和软件是这套系统成功的原因。他说：没有原始的CAD文件进行修复叶片的编程。MRO供应商一般不从（也没有）这种原始文件出发开始工作，所以极致公司和Optomec公司并没有在开发系统流程中寻找这种文件。相反地，用于所有特定刀片型号的校准单元，只需一个“黄金零件”（即理想的样本），再加上约10个被确定为可修复的其他样本即可。利用这些参考资料，一旦某个刀片类型被“识别出”，沿着刀片轮廓所做的自动三点测量就能让加工单元中的机器人按照这款刀片的归类，将它准确地处理、精修完毕。

定向能量沉积机器需要的信息比以上描述的更多。在Optomec公司的机器上，是使用视觉系统对叶片进行测量的。这家公司用于提供基于这种检查的自动定制编程的软件，被称为（聪明地）AutoClad系统，能够从一个叶片到下一个叶片，测量每个单独的叶片样式，决定定向能量沉积所需的激光功率、激光光斑大小、粉末进给速度、构建速度和沉积路径，以增加该特定叶片所需的材料。

将这种对材料沉积的自适应编程结果，加上用机器人研磨所实现的精确材料去除性能，就能实现比更多手工刀片修复过程所允许的、更严格的刀片修复控制水平。这也是非常重要的问题。修复后的叶片并不是全新的——任何叶片可能修复的次数都有服务周期限制，且修复区域不同，是清晰可见的。但是，用这套单元做的叶片修复是质量严谨、可重复的。此外，这两家公司还强调：这套加工单元中的每个部分都已获得了航空当局的认证，可用于满足飞行关键需求的维修。这就意味着这套增材制造单元，不仅能实现更强大的发动机叶片维修运营能力，还能将多片叶片的相似度修复到超过目前维修水平能够实现的程度。