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GKN（吉凱恩集團）是全球性的工程服務(wù)公司，包括航空航天、汽車(chē)傳動(dòng)系統、粉末冶金和地面特種車(chē)輛四大業(yè)務(wù)板塊。通過(guò)多次收購，GKN航空航天業(yè)務(wù)板塊逐漸建立起世界級的服務(wù)能力。
圍繞著(zhù)強大的航空航天業(yè)務(wù)版圖，GKN打造了三個(gè)增材制造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心，GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心，GKN英國Filton增材制造卓越中心。
圖：GKN的航空卓越中心及研究伙伴
通過(guò)增材制造中心將集團內部的航空航天零部件制造、增材制造及材料研發(fā)的能力進(jìn)行整合，推進(jìn)增材制造技術(shù)在航空制造業(yè)務(wù)中的應用。本期，3D科學(xué)谷將與谷友們一起走進(jìn)GKN，了解GKN航空航天部門(mén)在增材制造領(lǐng)域的布局。
來(lái)源：GKN
GKN的收購“大事件”
首先讓我們了解一下GKN在航空航天業(yè)務(wù)領(lǐng)域的收購里程碑：
-2001年，GKN收購了波音公司在美國圣路易斯的結構業(yè)務(wù)工廠(chǎng)，加強了與波音公司在金屬與復合技術(shù)領(lǐng)域的合作關(guān)系。
-2009年，收購空客在英國Filton的生產(chǎn)和組裝工廠(chǎng)，增強了在金屬航空結構件裝配方面的實(shí)力。
-2012年，GKN收購了瑞典沃爾沃航空，打造了在航空發(fā)動(dòng)機零部件的市場(chǎng)領(lǐng)導地位，擴展了GKN航空航天業(yè)務(wù)。
-2015年，GKN收購荷蘭的?？思夹g(shù)，此舉將有助于拓展GKN的國際業(yè)務(wù)，并且可以增加在航空業(yè)務(wù)和飛機電線(xiàn)系統市場(chǎng)中的地位。
通過(guò)這些收購，GKN進(jìn)一步完善了其航空航天制造業(yè)務(wù)的版圖。航空航天制造業(yè)務(wù)對產(chǎn)品的交期、性能要求最為嚴格，同時(shí)對昂貴制造材料的成本節約也有迫切需求，這些需求也正是GKN 打造增材制造能力的主要動(dòng)力。
圖片：增材制造（左）和傳統技術(shù)（右）對材料的利用率對比
在交期方面，GKN有些復雜零部件通過(guò)傳統制造開(kāi)模技術(shù)迭代的周期長(cháng)達2年，采用了增材制造技術(shù)之后可將迭代周期縮短至1年之內。在成本方面的優(yōu)勢主要體現在更高的材料利用率和能源效率上，增材制造技術(shù)對鈦合金這種昂貴的航空材料的利用率接近100%。
圖片：GKN SLM 3D打印零部件
增材制造技術(shù)交期和成本上的優(yōu)勢是與傳統制造技術(shù)相對而言的，而增材制造技術(shù)所帶來(lái)的產(chǎn)品性能方面的優(yōu)勢指的是該技術(shù)可以為航空航天制造業(yè)務(wù)提供傳統制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現的特殊零部件，例如，增材制造技術(shù)可以制造拓撲優(yōu)化的具有特殊幾何結構的輕量化零部件。
在設計增材制造零部件時(shí)引入仿生設計概念也是GKN關(guān)注的重點(diǎn)，增材制造技術(shù)有能力制造出定制化的“原位”復合材料的微結構。通過(guò)控制工藝參數，增材制造技術(shù)擁有了制造出所需的微結構的潛力，這正是提高零部件性能所需要的能力。
增材制造技術(shù)包括多種不同的工藝，那么GKN 掌握了哪些增材制造技術(shù)？其三大增材制造卓越中心又分別擅側重于哪項增材制造技術(shù)呢？
精密沉積（Fine-scale deposition）
該技術(shù)既包括電子束融化焊接技術(shù)，將金屬絲作為打印材料，并使用一種功率強大的電子束在真空環(huán)境中通過(guò)高達1000℃的高溫來(lái)融化打印金屬零部件；也包括送粉技術(shù)，由激光在沉積區域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末直接送入高溫熔區，熔化后逐層沉積。
GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心負責以激光束為能量源，對金屬絲材進(jìn)行熔融沉積成型的技術(shù)。3D科學(xué)谷了解到在這里，GKN 航空航天部門(mén)主要將該技術(shù)用于制造大于50cm 的零部件，包括航空結構件以及一些隨著(zhù)買(mǎi)飛比的顯著(zhù)提升而降低成本的零部件。
GKN美國增材制造卓越中心與美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室合作，針對大型零部件的增材制造能力，包括法蘭的局部制造或整個(gè)部件的制造。
除了GKN美國增材制造卓越中心，GKN 位于瑞典的Trollhätten增材制造卓越中心是大型零件制造的主要基地。在這里，GKN 應用這類(lèi)增材制造技術(shù)制造鈦合金和鎳基合金。GKN對增材制造技術(shù)的應用包括三大方面：高價(jià)值零部件的維修、中型航空發(fā)動(dòng)機的制造、航空航天結構件的制造。通過(guò)增材制造技術(shù)的應用可以減少部件數量，減少零部件在精加工過(guò)程中的材料去除率，提高買(mǎi)飛比。
圖片：GKN
其中，GKN Trollhätten增材制造卓越中心所擁有的電子束金屬絲融化焊接技術(shù)主要用于制造大型GKN航空發(fā)動(dòng)機零部件以及航天零部件。據3D科學(xué)谷市場(chǎng)研究，其中的一個(gè)經(jīng)典的應用是Ariane 5火箭中的Vulcain 2 噴嘴，該零部件重達50kg。這個(gè)大型增材制造零部件增強了結構，節約了制造成本。
而GKN Trollhätten中心的送粉激光粉末沉積技術(shù)主要應用于鈦合金和鎳基合金零部件的修復。
粉末床技術(shù)
GKN應用的粉末床技術(shù)包括選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融技術(shù)(EBM)。其中，EBM 技術(shù)主要用于制造Ti-6Al-4V鈦合金小到中型零部件。SLM技術(shù)制造的重點(diǎn)領(lǐng)域是鈦合金和鎳基高溫合金零部件，以及復雜零部件和高附加值零部件。
圖片：GKN Filton中心制造的零部件
負責推進(jìn)這些應用的GKN Filton增材制造卓越中心擁有12臺增材制造設備，這里的設備被劃分為三個(gè)單元，其中兩個(gè)單元為EBM設備，第三個(gè)單元為SLM 設備。第一個(gè)單元的EBM設備主要用作研究用途，用來(lái)研究工藝參數與隨之產(chǎn)生的微結構和性能控制。這些信息的分析結果將用于設置第二個(gè)單元中設備的工藝參數，繼而進(jìn)行鈦合金零部件的小批量生產(chǎn)。除了增材制造設備，Filton增材制造卓越中心還設有材料實(shí)驗室，對粉末材料的特征、質(zhì)量進(jìn)行測試和控制。
圖片: GKN EBM設備制造的支架，部分已經(jīng)過(guò)機加工以上這些設備和材料主要服務(wù)于鈦合金和鎳基合金零部件的制造。通過(guò)增材制造技術(shù)，GEN Filton中心為復雜零部件的制造有效節約了成本，同時(shí)還通過(guò)制造集成式的零部件和結構優(yōu)化的零部件提高了產(chǎn)品性能，產(chǎn)品性能的提升體現為對飛機性能的提升以及降低能源消耗的成本。
塑料的增材制造
GKN的塑料類(lèi)產(chǎn)品的增材制造技術(shù)包括選擇性激光燒結（SLS）和FDM（熔融沉積）兩種技術(shù)。SLS技術(shù)的打印材料主要為尼龍粉末，FDM的打印材料則包括多種熱塑性塑料絲材。兩種工藝均用于模具制造和快速原型。高分子塑料的增材制造也是由GKN Filton增材制造卓越中心負責推進(jìn)的。
用增材制造技術(shù)進(jìn)行航空零部件批量生產(chǎn)的工作已在GKN航空航天部門(mén)強勢展開(kāi)，GKN航空增材制造部的主管Sharman博士預計，GKN將迎來(lái)增材制造技術(shù)應用的加速發(fā)展，接下來(lái)在GKN將與Rolls-Royce合作制造XWB-84大型航空發(fā)動(dòng)機，該發(fā)動(dòng)機也將引入增材制造技術(shù)制造輕量化以及高性能的壓氣機殼體。
來(lái)源：GKN
正如羅馬不是一日建成的，GKN對于增材制造的前景保持信心的同時(shí)，也將增材制造在制造領(lǐng)域的應用分為不同的發(fā)展時(shí)期來(lái)看，增材制造將從現今的近凈形零件修復與制造，發(fā)展到用于完全優(yōu)化的零件與系統的制造以及定制化的微結構，功能級別的材料制造。與此同時(shí)，增材制造在航空航天領(lǐng)域將占有越來(lái)越重要的地位，也將出現更多的100%通過(guò)增材制造技術(shù)制造出來(lái)的航空零件。
來(lái)源：GKN
零部件的可靠性、質(zhì)量、可重復的工藝，以及合格的材料，是用戶(hù)能否接受增材制造的零部件重要因素。GKN對這一系列的質(zhì)量控制工作高度重視，并通過(guò)對樣品的測試來(lái)進(jìn)行嚴格的質(zhì)量控制。未來(lái)，GKN的增材制造技術(shù)將為GKN集團內部的更多部門(mén)和外部的合作伙伴提供服務(wù)。
參考資料：
GKN Technology Leading the way toward more efficient aircraft
GKN Aerospace – Technology and Innovation for the Future of Composites Manufacturing
GKN Aerospace – Additive Manufacturing
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