3D科學谷研究 l 揭秘GKN的增材製造布局

GKN（吉凱恩集團）是全球性的工程服務公司，包括航空航天、汽車傳動系統、粉末冶金和地面特種車輛四大業務板塊。通過多次收購，GKN航空航天業務板塊逐漸建立起世界級的服務能力。

圍繞著強大的航空航天業務版圖，GKN打造了三個增材製造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材製造卓越中心，GKN 瑞典Trollh?tten增材製造卓越中心，GKN英國Filton增材製造卓越中心。

圖：GKN的航空卓越中心及研究夥伴

通過增材製造中心將集團內部的航空航天零部件製造、增材製造及材料研發的能力進行整合，推進增材製造技術在航空製造業務中的應用。本期，3D科學谷將與谷友們一起走進GKN，了解GKN航空航天部門在增材製造領域的布局。

來源：GKN

收購激發的

加速成長

GKN的收購「大事件」

圖片：GKN SLM 3D列印零部件

首先讓我們了解一下GKN在航空航天業務領域的收購里程碑：

-2001年，GKN收購了波音公司在美國聖路易斯的結構業務工廠，加強了與波音公司在金屬與複合技術領域的合作關係。

-2009年，收購空客在英國Filton的生產和組裝工廠，增強了在金屬航空結構件裝配方面的實力。

-2012年，GKN收購了瑞典沃爾沃航空，打造了在航空發動機零部件的市場領導地位，擴展了GKN航空航天業務。

-2015年，GKN收購荷蘭的福克技術，此舉將有助於拓展GKN的國際業務，並且可以增加在航空業務和飛機電線系統市場中的地位。

通過這些收購，GKN進一步完善了其航空航天製造業務的版圖。航空航天製造業務對產品的交期、性能要求最為嚴格，同時對昂貴製造材料的成本節約也有迫切需求，這些需求也正是GKN 打造增材製造能力的主要動力。

圖片：增材製造（左）和傳統技術（右）對材料的利用率對比

在交期方面，GKN有些複雜零部件通過傳統製造開模技術迭代的周期長達2年，採用了增材製造技術之後可將迭代周期縮短至1年之內。在成本方面的優勢主要體現在更高的材料利用率和能源效率上，增材製造技術對鈦合金這種昂貴的航空材料的利用率接近100%。

增材製造技術交期和成本上的優勢是與傳統製造技術相對而言的，而增材製造技術所帶來的產品性能方面的優勢指的是該技術可以為航空航天製造業務提供傳統製造技術無法實現的特殊零部件，例如，增材製造技術可以製造拓撲優化的具有特殊幾何結構的輕量化零部件。

在設計增材製造零部件時引入仿生設計概念也是GKN關注的重點，增材製造技術有能力製造出定製化的「原位」複合材料的微結構。通過控制工藝參數，增材製造技術擁有了製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。

從絲材到粉末

從金屬到塑料

增材製造技術包括多種不同的工藝，那麼GKN 掌握了哪些增材製造技術？其三大增材製造卓越中心又分別擅側重於哪項增材製造技術呢？

精密沉積（Fine-scale deposition）

該技術既包括電子束融化焊接技術，將金屬絲作為列印材料，並使用一種功率強大的電子束在真空環境中通過高達1000℃的高溫來融化列印金屬零部件；也包括送粉技術，由激光在沉積區域產生熔池並高速移動，材料以粉末直接送入高溫熔區，熔化後逐層沉積。

GKN美國辛辛那提增材製造卓越中心負責以激光束為能量源，對金屬絲材進行熔融沉積成型的技術。3D科學谷了解到在這裡，GKN 航空航天部門主要將該技術用於製造大於50cm 的零部件，包括航空結構件以及一些隨著買飛比的顯著提升而降低成本的零部件。

GKN美國增材製造卓越中心與美國橡樹嶺國家實驗室合作，針對大型零部件的增材製造能力，包括法蘭的局部製造或整個部件的製造。

除了GKN美國增材製造卓越中心，GKN 位於瑞典的Trollh?tten增材製造卓越中心是大型零件製造的主要基地。在這裡，GKN 應用這類增材製造技術製造鈦合金和鎳基合金。GKN對增材製造技術的應用包括三大方面：高價值零部件的維修、中型航空發動機的製造、航空航天結構件的製造。通過增材製造技術的應用可以減少部件數量，減少零部件在精加工過程中的材料去除率，提高買飛比。

而GKN Trollh?tten中心的送粉激光粉末沉積技術主要應用於鈦合金和鎳基合金零部件的修復。

粉末床技術

GKN應用的粉末床技術包括選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融技術(EBM)。其中，EBM 技術主要用於製造Ti-6Al-4V鈦合金小到中型零部件。SLM技術製造的重點領域是鈦合金和鎳基高溫合金零部件，以及複雜零部件和高附加值零部件。

圖片：GKN Filton中心製造的零部件

負責推進這些應用的GKN Filton增材製造卓越中心擁有12台增材製造設備，這裡的設備被劃分為三個單元，其中兩個單元為EBM設備，第三個單元為SLM 設備。第一個單元的EBM設備主要用作研究用途，用來研究工藝參數與隨之產生的微結構和性能控制。這些信息的分析結果將用於設置第二個單元中設備的工藝參數，繼而進行鈦合金零部件的小批量生產。除了增材製造設備，Filton增材製造卓越中心還設有材料實驗室，對粉末材料的特徵、質量進行測試和控制。

圖片: GKN EBM設備製造的支架，部分已經過機加工

以上這些設備和材料主要服務於鈦合金和鎳基合金零部件的製造。通過增材製造技術，GEN Filton中心為複雜零部件的製造有效節約了成本，同時還通過製造集成式的零部件和結構優化的零部件提高了產品性能，產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。

塑料的增材製造

GKN的塑料類產品的增材製造技術包括選擇性激光燒結（SLS）和FDM（熔融沉積）兩種技術。SLS技術的列印材料主要為尼龍粉末，FDM的列印材料則包括多種熱塑性塑料絲材。兩種工藝均用於模具製造和快速原型。高分子塑料的增材製造也是由GKN Filton增材製造卓越中心負責推進的。

更大的

版圖

用增材製造技術進行航空零部件批量生產的工作已在GKN航空航天部門強勢展開，GKN航空增材製造部的主管Sharman博士預計，GKN將迎來增材製造技術應用的加速發展，接下來在GKN將與Rolls-Royce合作製造XWB-84大型航空發動機，該發動機也將引入增材製造技術製造輕量化以及高性能的壓氣機殼體。

來源：GKN

正如羅馬不是一日建成的，GKN對於增材製造的前景保持信心的同時，也將增材製造在製造領域的應用分為不同的發展時期來看，增材製造將從現今的近凈形零件修復與製造，發展到用於完全優化的零件與系統的製造以及定製化的微結構，功能級別的材料製造。與此同時，增材製造在航空航天領域將佔有越來越重要的地位，也將出現更多的100%通過增材製造技術製造出來的航空零件。

來源：GKN

零部件的可靠性、質量、可重複的工藝，以及合格的材料，是用戶能否接受增材製造的零部件重要因素。GKN對這一系列的質量控制工作高度重視，並通過對樣品的測試來進行嚴格的質量控制。未來，GKN的增材製造技術將為GKN集團內部的更多部門和外部的合作夥伴提供服務。

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

Engineering the Future - making ideas fly

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