當核桃大小的噴嘴遇見史上最具顛覆性的技術

燃油噴嘴是飛機發動機中一個不起眼的小部件。它像一個戳在兩個粗短支架上的水龍頭，一隻手就可以握住。但把這個小零件造好，卻要用上 GE 歷史上最具顛覆性的技術之一—— 3D 列印（又名增材製造）。今年 10 月， GE 航空位於阿拉巴馬州的奧本工廠，順利生產了第 3 萬個 3D 列印燃油噴嘴頭。

用 3D 列印這麼先進的技術，來造這麼小的零件，這要從 10 年前說起。當時， CFM 國際公司（ GE 與法國賽峰飛機發動機公司的平股合資公司）正在研發 LEAP 發動機，希望它可以減少排放，降低燃油消耗。項目進行過程中，時任 GE 航空工程負責人的 Mohammad Ehteshami 意識到，燃油噴嘴頭內，迷宮一般複雜的流道將燃油與空氣高效混合，可以幫助發動機實現優越的性能。而 LEAP 項目的成敗，很大程度上取決於燃油噴嘴的好壞。

為了設計出優質的燃油噴嘴， Ehteshami 組建了一支由頂尖工程師組成的團隊攻克這一難題。當時年僅 28 歲的 Josh Mook 因為在葉片領域的出色表現，獲得了Ehteshami 的青睞，於是也加入到了這個團隊。很快， Mook 就和同事們設計出了一種理想的燃油噴嘴頂部結構。這個結構最終只有核桃般大小，裡面卻有 14 條精密的流體通道。

這個設計雖然精妙，但它太過複雜，幾乎造不出來。 Ehteshami 後來回憶道：「我們通過傳統的製造加工方式嘗試了 8 次，但每次都失敗了。傳統方法並不能解決的問題，但 3D 列印卻說不定可以。 3D 印表機就像一支激光筆一樣，根據電腦繪圖，一層一層地將細金屬粉末熔融成最終形狀。這正適合燃油噴嘴這樣複雜精密部件的製造。此外， 3D 列印所產生的廢料也比傳統生產方法少很多。」

雖然 3D 列印優勢頗多，但當時 GE 航空只將它用於原型試製，還從未在商業化零件中使用過，更不要說為整個民航機隊生產部件了。 Mook 又與 3D 列印的先驅人物Greg Morris 密切合作，對一批常規 3D 印表機進行重新設計，使之符合燃油噴嘴的參數要求。通過這種方法生產出的新噴嘴，不再像原來一樣，它是一個精密的整體，需要將 20 個部件焊接在一起。這個新噴嘴重量比上一代輕 25 %，耐用度是上一代的 5 倍，成本效益比上一代高 30 %。 Morris 的公司最終也被 GE 收購。

這還沒完。為了保證 LEAP 項目按時完成，及時獲得聯邦航空管理局（ Federal Aviation Administration ）的認證， GE 團隊必須加快速度。伴隨 LEAP 訂單的不斷湧入， GE 又需要做好準備，將 3D 列印用於工業化量產。GE 增材製造 AddWorks 團隊負責人 Chris Schuppe 表示：「人們認為 3D 列印就像操作噴墨印表機一樣簡單，但真實情況並非如此，做好一個燃油噴嘴，需要完美處理 3000 多層金屬粉末，而每一層粉末大約只有一根人類頭髮絲那麼薄。」

AddWorks 由近 200 名工程顧問組成，致力於為客戶加快 3D 列印的推廣應用。於是，GE 航空又組建了一個新團隊，從航空專家到冶金專家，總計 100 來號人。這個團隊專門理順將 3D 列印投入大批量生產所需的一系列複雜流程。比如，他們要校準每一台 3D 印表機，確保其能處理特定產品的材料屬性。這件事情也不容易。生產線上每多一台印表機，整個流程就要再走一次。

2015 年， GE 奧本工廠終於給自己的燃油噴嘴造好了 3D 列印工廠。憑藉 40 多台 3D 印表機和奧本大學的人才儲備，該工廠在 2017 年總共交付了 8000 個燃油噴嘴。截至目前，工廠完成的 3D 列印燃油噴嘴頭總數已超過 3.3 萬個。

和這個裡程碑同樣值得慶祝的是，從這裡走出的部件已經搭載到了空客 A320neo 和波音 737 MAX 飛機的 LEAP 發動機上。而該款發動機的總訂單數量也已經超過 1.6 萬台，總價值超過 2 ， 360 億美元。除了 LEAP ， GE 航空還利用增材製造技術，為 GE9X 等發動機製造感測器、葉片、熱交換器和其他部件。 GE9X 是世界最大的商用噴氣式發動機，為波音新的 777X 寬體飛機開發。

增材製造甚至成就了 GE 新型渦輪螺旋槳發動機 Catalyst ，讓它打入了小型飛機市場。通過 3D 列印，工程師們將 855 個零件整合成了 12 個部件，極大地增強了 Catalyst 的競爭力。

對 3D 列印來說，航空領域只是個開始。如今，汽車、能源、醫療等行業都在積極推動 3D 列印技術的應用。 GE 預計，到 2020 年， GE 增材製造的設備、粉末和服務的收入仍將繼續增長。一個小小核桃般的部件，背後卻正在牽動一場全球製造業的革命，這真是令人嘆為觀止啊！

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