欧盟的《欧洲绿色协议》(European Green Deal)规定，到2050年，交通运输的排放量要在1990年的基础上减少90%，其中航空部门要发挥作用。2005年以来的政策行动和行业努力提高了每位乘客的燃油效率。未来的优先事项包括推动低排放航空的财政和监管措施，以及紧急开发清洁板框架、新型飞机发动机和推进系统以及可持续航空燃料。
目前正在进行的一项重要研究计划是开发这些类型的更节能的航空运输技术，以便尽早部署，该计划是由欧洲委员会和欧洲航空工业资助的清洁天空2计划，目前已进入最后阶段。它的继任者清洁航空于2021年12月推出。
“清洁天空2号”项目由欧洲主要的行业参与者、主题专家以及学术研究机构组成。该项目正在整合、演示和验证技术，与2014年的“最先进”飞机相比，该技术能够减少高达30%的二氧化碳排放、氮氧化物(NOx)和噪音排放。另一个目标是在欧洲发展一个强大的、具有全球竞争力的航空工业和供应链。
GE航空航天高级技术(GE AAT)慕尼黑团队总部位于德国慕尼黑，在“清洁天空2”项目中领导三个核心合作伙伴，确定发动机硬件、效益、设计、制造过程，并与GE航空航天在意大利、捷克共和国、波兰和土耳其的工厂以及外部合作伙伴紧密合作，以实现该项目的目标。
改变大型金属添加剂零件的游戏规则
GE AAT慕尼黑公司领导的合作伙伴之一是涡轮技术项目(TURN)，该项目旨在加速未来航空发动机的技术成熟。
为了响应《清洁天空2》的提案呼吁，2018年，由汉堡工业大学(TUHH)、德累斯顿工业大学(TUD)和欧特克技术公司组成的财团被选中，支持GE AAT慕尼黑公司设计和制造大型金属增材制造组件——先进增材集成涡轮中心框架(TCF)外壳——摩纳哥项目。这还包括样品和关键部件的设计和生产，验证和确认，以及全尺寸金属3d打印套管的最终交付。
经过近6年的研发和工程，该财团最近公布了使用GE添加剂公司的镍合金718直接金属激光熔炼(DMLM)技术设计的大尺寸TCF套管。TCF套管是为航空航天工业生产的最大的添加制造部件之一。
附加制造的TCF机匣是为窄体发动机设计的，其中部分直径约为一米或更多。拥有这种单件设计解决方案，以降低成本、重量和制造交货期生产这种大型发动机硬件，提供了竞争的商业优势。
GE AAT慕尼黑公司的技术和运营经理Günter Wilfert博士表示:“我们希望将部件重量减少25%，但同时也要改善二次气流的压力损失，并大幅减少部件数量，以改善维护。”
“团队可以为这个结果感到骄傲。随着完整外壳的最终打印，他们能够证明价值。这些目标已经实现并超过了。最后我们能把重量减轻30%左右。该团队还将制造交货期从9个月缩短到两个半月，减少了约75%。超过150个组成传统涡轮中心框架的独立部件被整合到一个单一的设计中。”
为了确保所有的工程要求都得到满足，包括在特定燃油消耗方面的性能效益为0.2%，整个团队的专家对设计进行了技术就绪级别(TRL)和制造就绪级别(MRL) 4的评审，并进行了多次制造试验，以满足硬件质量并纳入MRL4的可制造性。
减少对铸件和未来应用的依赖
除了环保、性能、重量、成本效益和减少废料，也许最大的影响将是所有行业在传统制造中面临铸造挑战的供应链中断。
涡轮中心框架是现代涡扇飞机发动机的固有组成部分，它充当了高温气体从高压涡轮流入低压涡轮的管道。通常，它们是通过铸造和/或锻造制造的，然后是附加的加工步骤。
由于高度管制的航空航天工业对适航硬件的严格要求，批准的铸造和锻造零件供应商的数量非常有限。这造成了较长的交货期和较高的成本。这些挑战，以及涡轮中心框架不是一个旋转部件的事实，使其成为增材制造的理想候选人。
这种新的发动机框架增材制造设计方案不仅限于未来发动机的涡轮中心框架;它可以利用现有和遗留的引擎中心框架。提出的设计特征也可以转移和/或缩放到涡轮后框架(TRF)，低压涡轮外壳和涡轮中框架(TMF)。
“人们已经想知道这个部件是如何制造的，以及设计和技术如何转化为他们的行业。我们一直以来的战略是确保部件设计满足航空航天工程要求和清洁天空2的目标，但它可以很容易地转化到其他类似的部分发动机，以及邻近的业务和部门，”通用电气AAT团队高级首席工程师Ashish Sharma说。
清洁航空氢动力飞机项目官员Christina-Maria Margariti表示:“增材制造在降低重量、改善部件功能、大幅减少复杂装配中的零件数量方面具有巨大潜力，可以直接提高飞机能源效率，减少装配成本和时间。”
“清洁航空计划与欧盟2050年碳中和的绿色协议目标一致，支持到2035年推出颠覆性的新产品，目标是到2050年替换75%的运营机队。因此，加快上市时间和提高产量对于实现这些雄心勃勃的环保目标至关重要。”
产学合作
该联盟团队认为，在未来商用飞机发动机大型部件的生产中，使用金属增材制造技术可能会改变游戏规则。
夏尔马自项目启动以来一直领导着该项目和财团。Sharma说:“一开始，工程设计看起来几乎是不可能的，但通过利用先进的添加剂技术和突破我们的极限，我们实现了一个只存在于想象中的设计，与以前从未想过的现实相距甚远。”
夏尔马说，这是一项巨大的成就，从一开始就反映了联盟成员的才能和动力。“这个团队很聪明。将所有人聚集在一起，并为非常规的构建设置支持结构，这意味着我们不仅优化了硬件，还优化了流程。很高兴看到大家的合作，不同背景的人在一起工作。这方面是独一无二的。”
学术界的参与对项目的整体成功至关重要，通过与工业界密切合作，利用他们的基础设施和成熟的不同技术，使他们成为大型欧洲技术项目的一部分。
夏尔马说，每个人都有自己的角色。“汉堡工业大学在校园里安装了一台GE Additive M2机器，他们在原型方面的专业知识是无价的，而德累斯顿工业大学的团队负责验证和建立一个专用的测试平台。Autodesk优化了增材制造工艺的设计，最终GE Additive支持我们使用其atl.a.s机器打印零件。
“有了这样一个才华横溢、经验丰富的团队，我们在基础方面产生了很多新的想法和概念，如果我们是在单独的团队中工作，我们不一定会想到这些。这里面有很多独创性。”
该项目采用了多学科迭代循环设置来设计硬件，并利用精益制造概念、流程和工具来减少设计迭代时间。为了降低压力、热梯度和应力，该公司考虑并引入了许多创新的设计特征和解决方案。
Dirk Herzog博士是TUHH 's institute t für Laser- und Anlagensystemtechnik的临时教授，他说:“由于零件的尺寸，首先有必要通过制造部分来评估设计概念，验证其性能，并从那里学习如何转移到完整的规模。在过去三年半的时间里，所有团队成员都投入了大量的努力，使我们完全有信心将设计和DMLM过程准备好进行最终打印。最终看到实体部分被成功建造是非常值得的。”
在TURN项目开始时，GE AAT慕尼黑公司探索了设计空间，并利用增材制造等先进技术进行了多项贸易研究。GE AAT慕尼黑团队能够制定技术成熟计划，以推进TCF外壳的制作艺术。
最后，当联盟开始支持技术成熟计划时，AutoDesk带来了先进的工具来优化添加剂设计，TUHH为最初的打印试验添加了添加剂机，TUD的专家建造了一个航空/热钻机，使用最先进的仪器设备进行验证，混合后在第一次尝试时就提供了令人满意的结果，成功提供了3600个单件添加剂TCF箱。
“验证添加制造硬件的最大挑战是，我们不允许扩大或缩小规模，因为这将改变表面光洁度，这反映在转化为产品的测量数据中。我们贡献了我们在测试机械强度、热发射率和航空/热验证的打印试验方面的独特经验，”Thomas IIzig、Eike Dohmen和Sarah Korb说，他们是TUD的科学家团队。
该团队继续研发，设计并制造了一种新型三孔探头，用于测量TCF套管的压力损失，结果表明，与传统设计相比，该探头的压降降低了约90%。TCF套管进行了广泛的航空/热和机械测试，以满足工程要求。”
Autodesk在这项研究中的作用是通过优化结构和流体性能，开发出一种轻质、高性能的涡轮中心框架机匣，同时将150多个部件合并为一个部件。Autodesk团队在利用软件工具设计组件以满足程序要求方面发挥了重要作用。
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