国内首款3D打印航空发动机研制背后故事

“发动机上电、点火、达到额定起飞转速，起飞！”

随着指令下达，一架长3.3米、翼展2.1米的无人机火箭助推器喷出红色尾焰，很快，无人机到达6000米高度，飞行时长30分钟，最大飞行速度0.75马赫……陕西定边县，一款新型航空发动机的首次单发飞行试验正在开展。

“试飞结果显示，发动机保持稳定工作，所有参数均符合设计要求，所有零件没出现任何破坏或失效情况，成功验证了在高空、复杂环境下的可靠性。”中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所的项目负责人米栋介绍。

别看这款发动机个头不大，但它的意义不一般：这是我国自主研制的首款3D打印涡喷航空发动机，填补了国内发动机整机3D打印工程应用的空白。

对不少人来说，3D打印技术并不陌生。3D打印航空发动机，难在何处？

米栋介绍，与打印普通产品相比，用3D打印技术制造航空发动机，难度指数级增长，需要跨越“消费级制造”与“极限工程制造”的鸿沟。

从材料看，普通产品多使用易加工的树脂塑料，而航空发动机需使用高温合金，高硬度难熔、冷却收缩率大、成分复杂，打印后极易变形开裂；从精度看，普通产品精度要求相对宽松，而航空发动机关键零件的精度不能有丝毫偏差；从性能看，普通产品仅需承受轻微外力，而航空发动机涡轮叶片要在手指大小的尺寸上，承载一辆轿车的重量，还要抵住千万次交变载荷冲击，不能产生微小裂纹，对性能要求极高。

难度大、要求高，为什么仍要探索3D打印技术制造航空发动机？

“因为该技术有很多独特优势。”中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所高级工程师文长龙解释，比如，过去减材制造要对整块原料切削加工，会造成材料浪费，而3D打印是增材制造，材料利用率高达90%以上。同时，3D打印技术可实现迷宫式冷却通道、一体化承力结构等传统加工工艺无法完成的精密设计，设计更加开放灵活。此外，3D打印技术无需调整生产线，即可切换不同产品，小批量、定制化生产能将研发周期缩短30%以上，创新设计落地不断“加速”。

“在传统减材制造领域，发达国家有技术积累和装备优势。用好3D打印这一新兴技术，我国有望凭借新技术研发、完备产业链，在航空发动机等关键领域突破瓶颈。”文长龙说。

新技术应用并非一帆风顺，研制路上难关重重。

“3D打印虽有一体化成型等优势，但也失去了传统连接零件的摩擦阻尼效果，发动机振动显著增大。为攻克难题，研制团队创新提出‘多学科拓扑优化设计技术与3D打印制造技术深度融合’的思路，攻克了一系列关键技术卡点。”中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所结构强度研究部副部长钱正明说。

如今，这款新型航空发动机的主要性能已超越同类产品——耗油率降低、推重比提升、零件数减少60%，不仅装配隐患大幅减少，还简化了运维流程、降低制造和部署成本，未来可适配测绘、巡检等中型特种无人机，应用前景广阔。

“我们将持续优化3D打印技术参数，推进型号试验验证，加强与下游企业场景合作，加快实现新型航空发动机规模化、产业化应用。”钱正明说。