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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的能力進行整合，推進增材制造技術在航空制造業務中的應用。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制造領域的布局。
來源：GKN
GKN的收購“大事件”
首先讓我們了解一下GKN在航空航天業務領域的收購里程碑：
-2001年，GKN收購了波音公司在美國圣路易斯的結構業務工廠，加強了與波音公司在金屬與復合技術領域的合作關系。
-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，此舉將有助于拓展GKN的國際業務，并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制造業務的版圖。航空航天制造業務對產品的交期、性能要求最為嚴格，同時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力。
圖片：增材制造（左）和傳統技術（右）對材料的利用率對比
在交期方面，GKN有些復雜零部件通過傳統制造開模技術迭代的周期長達2年，采用了增材制造技術之后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，增材制造技術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
增材制造技術交期和成本上的優勢是與傳統制造技術相對而言的，而增材制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制造業務提供傳統制造技術無法實現的特殊零部件，例如，增材制造技術可以制造拓撲優化的具有特殊幾何結構的輕量化零部件。
在設計增材制造零部件時引入仿生設計概念也是GKN關注的重點，增材制造技術有能力制造出定制化的“原位”復合材料的微結構。通過控制工藝參數，增材制造技術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。
增材制造技術包括多種不同的工藝，那么GKN 掌握了哪些增材制造技術？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，將金屬絲作為打印材料，并使用一種功率強大的電子束在真空環境中通過高達1000℃的高溫來融化打印金屬零部件；也包括送粉技術，由激光在沉積區域產生熔池并高速移動，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，對金屬絲材進行熔融沉積成型的技術。3D科學谷了解到在這里，GKN 航空航天部門主要將該技術用于制造大于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美國增材制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制造能力，包括法蘭的局部制造或整個部件的制造。
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 應用這類增材制造技術制造鈦合金和鎳基合金。GKN對增材制造技術的應用包括三大方面：高價值零部件的維修、中型航空發動機的制造、航空航天結構件的制造。通過增材制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。
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主要用于制造大型GKN航空發動機零部件以及航天零部件。據3D科學谷市場研究，其中的一個經典的應用是Ariane 5火箭中的Vulcain 2 噴嘴，該零部件重達50kg。這個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主要應用于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 技術主要用于制造Ti-6Al-4V鈦合金小到中型零部件。SLM技術制造的重點領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于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。除了增材制造設備，Filton增材制造卓越中心還設有材料實驗室，對粉末材料的特征、質量進行測試和控制。
圖片: GKN EBM設備制造的支架，部分已經過機加工以上這些設備和材料主要服務于鈦合金和鎳基合金零部件的制造。通過增材制造技術，GEN Filton中心為復雜零部件的制造有效節約了成本，同時還通過制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。
塑料的增材制造
GKN的塑料類產品的增材制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的。
用增材制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航空增材制造部的主管Sharman博士預計，GKN將迎來增材制造技術應用的加速發展，接下來在GKN將與Rolls-Royce合作制造XWB-84大型航空發動機，該發動機也將引入增材制造技術制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對于增材制造的前景保持信心的同時，也將增材制造在制造領域的應用分為不同的發展時期來看，增材制造將從現今的近凈形零件修復與制造，發展到用于完全優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，增材制造在航空航天領域將占有越來越重要的地位，也將出現更多的100%通過增材制造技術制造出來的航空零件。
來源：GKN
零部件的可靠性、質量、可重復的工藝，以及合格的材料，是用戶能否接受增材制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，并通過對樣品的測試來進行嚴格的質量控制。未來，GKN的增材制造技術將為GKN集團內部的更多部門和外部的合作伙伴提供服務。
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
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