航（háng）空工業在上個世紀80年代就開（kāi）始使用增材製造技術，之前增材製造在航空製造業隻扮演了做快速原（yuán）型的小角色。最近的發展（zhǎn）趨（qū）勢是，這一技術（shù）將在整個航空航天產業鏈占據戰略性的地位（wèi）。 包括（kuò）波音、空客、Lockheed Martin, 霍尼韋爾以及普惠都（dōu）做出（chū）了表率（lǜ）行動。

     新一代飛（fēi）行器不斷向高性能（néng）、高可靠性、長（zhǎng）壽命（mìng）、低成（chéng）本（běn）方（fāng）向發展，越來越多地采用（yòng）整體結構，零件趨向複雜化（huà）、大型化，從而推動了增材製造技術的發展與應用。增材製造技（jì）術從零件的三（sān）維CAD 模型出發，無需模具，直接製造零件（jiàn），可以大（dà）大降低成本，縮短研製周期，是滿足現代飛行器快速低成本研製的重要手段，同時也是滿足航空航天（tiān）超規格、複雜金屬結構製造的關鍵技術之一。

 電子束熔絲沉積成形

     電子束熔絲沉積技術又稱為電子束自由成形製造技術（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）。在真（zhēn）空環境中，高能量密度的（de）電子（zǐ）束轟擊金屬表麵形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置（zhì）送（sòng）入熔池並熔（róng）化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至製造出（chū）金屬（shǔ）零件或（huò）毛坯。

電子束熔絲沉積快（kuài）速成形技術具有一些獨特的優點，主要表現在以下幾個方麵：

    （1）沉積效率高。電子束可以很容易實（shí）現數10kW 大（dà）功率輸出，可以在較高功率下達到（dào）很高的沉積速率（15kg/h），對於（yú）大型金屬結構的成形（xíng），電子束熔絲沉積成形速度優勢（shì）十分明（míng）顯。

    （2）真空環境有利於零件的保護。電子束熔絲沉積成形在10-3Pa真空壞境中進行，能有效避免空氣中有害雜質（氧、氮、氫（qīng）等）在高溫（wēn）狀態下混入（rù）金屬零件，非常適合鈦、鋁等活（huó）性金屬（shǔ）的加工。

    （3）內部質量好（hǎo）。電（diàn）子束是“體”熱源，熔池相對較深，能夠消除層間未熔合現象；同時，利用電子束掃描（miáo）對熔池進行旋轉攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。電子束熔絲沉積成形的鈦合金零件，其超聲波探傷內部質量可以達到AA 級。

    （4）可實（shí）現多（duō）功能（néng）加工。電子束輸出功（gōng）率可在較寬（kuān）的範圍內調（diào）整，並（bìng）可通過電磁場實現對束（shù）流運動方式及聚（jù）焦的靈活控製（zhì），可實現高頻率複雜掃描運動。利用麵掃描技術，能夠實現大麵積預熱（rè）及（jí）緩冷，利用多束流分束加工技（jì）術，可以實現多束流同（tóng）時工作，在同一台設備上，既可以（yǐ）實現熔絲沉積成形（xíng），也可以（yǐ）實現深熔（róng）焊接。利用電子束的多（duō）功能加工（gōng）技術（shù），可以根據零件的結構形式以及使（shǐ）役性能要求（qiú），采取多種（zhǒng）加工技術組合，實現多種工藝協同優化設計製造，以實現成（chéng）本（běn）效（xiào）益的最優化。

 

美國麻省理工學院的V.R.Dave等人最早提出該技術並試製了Inconel 718 合金渦（wō）輪盤。2002年，美國航空航天局（NASA）蘭利研究中心的K.M. Taminger 等人提出了（le）EBF3 技術，重點開展了微重力條件下的成形技術研究。同一時期，在海軍、空（kōng）軍（jun1）、國防部等機構支持下，美國Sciaky 公司聯合Lockheed Martin、Boeing 公司等也在同時期合（hé）作開展了研究，主（zhǔ）要致力於大型航空金屬零件的製造。成形鈦合金時，最大成形速度可達18kg/h，力（lì）學（xué）性能滿足（zú）AMS4999 標準要求。Lockheed Martin 公司選定了（le）F-35 飛機的襟副翼梁準備用電子束（shù）熔絲沉積成（chéng）形代（dài）替鍛造，預期零件成本降低30%~60%。據報道，裝有電子束熔絲沉積成（chéng）形鈦合金零件的F-35 飛機已於2013 年初試飛。2007 年美（měi）國CTC公司領導了一個綜（zōng）合小組，針（zhēn）對海軍無人戰鬥機計劃，製定（dìng）了“無人戰機金屬製造技（jì）術提升計劃”（N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program），選定電（diàn）子束熔絲沉積成形技術作（zuò）為未來大（dà）型結構低成本高效製造的方案（àn）。目（mù）標是將無人機金屬結構的重量和（hé）成本降低（dī）35%。

 

 

中航工業北京航空（kōng）製造（zào）工程研究所於2006年開始電子束熔絲沉積成形技術研究工作，開發了電子束（shù）熔絲沉積成形設備。開發的最大的電子束成形（xíng）設備真空（kōng）室46m3，有（yǒu）效加工（gōng）範圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯動，雙通道送絲。在此基礎上，研（yán）究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強（qiáng）度鋼的力學性能，研製了大量鈦合（hé）金（jīn）零件和試（shì）驗件。2012 年，采用電子束熔絲成形製造（zào）的鈦合金零（líng）件在國內飛機結構上（shàng）率先（xiān）實（shí）現了裝機應用。

 

 

 

  激光直接沉積增材成形

    激光直接沉積技術（shù）是（shì）在快速原型技術和激（jī）光熔覆（fù）技術的基礎上發展起來的一種先進製造技術。該技術是基於離（lí）散/ 堆積原理，通過對零件（jiàn）的三維CAD 模型進行分層處理（lǐ），獲得各層截麵的二維輪（lún）廓信息並生成加工路（lù）徑，在惰性氣體保護環境中，以（yǐ）高（gāo）能量密度的激光作為熱源，按照預定的（de）加工路徑，將同步送進的粉末（mò）或絲材逐（zhú）層（céng）熔化堆積，從而實現金屬零件的直接製造與修複。

 

     激光直接沉積技（jì）術的（de）特點如（rú）下：（1）無需模具；（2）適於難（nán）加工金（jīn）屬材料製備；（3）精度較高，可實現（xiàn）複（fù）雜零件近淨成形；（4）內（nèi）部組（zǔ）織細小均勻，力學性能優異；（5）可製備梯（tī）度材料；（6）可實現損傷零件的（de）快速修複；（7）加工（gōng）柔性高，能夠實現多品種、變批量零件製造的（de）快速轉換。

在我國，西安鉑（bó）力特的LSF設備就是這（zhè）類技術（shù）的代表。除此之外，典型企業還有美國的OPTOMEC公司，法國BeAM公司，德國（guó）通快以及專為CNC機床公司提供增材製造包的HYBRID公（gōng）司。

     激光直接（jiē）沉積技術是20世（shì）紀90 年代首先從（cóng）美（měi）國發展起來（lái）的。1995 年，美國Sandia 國家實驗室開發出了直接由激光束逐層熔化金屬粉末（mò）來製造致密金屬零（líng）件的快速（sù）近淨成形技術。此後，Sandia 國家（jiā）實驗室利用LENS 技（jì）術針對鎳基高溫合金、鈦合金、奧氏體不鏽鋼、工具鋼（gāng）、鎢等多種金屬材料開展（zhǎn）了大量的成形工藝研究。1997 年（nián），Optomec Design 公司獲得了（le）LENS 技（jì）術的（de）商用（yòng）化許可，推出了激光直接沉（chén）積（jī）成套裝備。1995 年，美國國防（fáng）部高級研究計劃署和海軍研究所聯合出資，由約（yuē）翰霍普金（jīn）斯大學、賓州州立大學和MTS 公司共同開發一項名（míng）為“鈦合金的柔（róu）性製（zhì）造（zào）技術”的項目，目標是利（lì）用大功（gōng）率CO2 激光器實現大尺寸鈦合金零件的製造。基於這一項目的研究成果，1997 年MTS 公司出資與約翰霍普金斯大學、賓州州立大學合（hé）作成立了AeroMet 公司。為了提高（gāo）沉積效率並生（shēng）產大型鈦合金零件（jiàn），AeroMet 公司采用14~18kW 大功率CO2 激光器和3.0m×3.0m×1.2m大型（xíng）加工（gōng）艙室，Ti-6Al-4V合金的沉積速率達1~2kg/h。AeroMet 公司（sī）獲得了美國軍方及三大美（měi）國軍機製造商波音、洛克希德·馬丁、格魯曼公司的資助，開展了飛機機身（shēn）鈦合（hé）金（jīn）結構件的激光直接沉積技術研究，先後完成了（le）激光直接沉積鈦合金（jīn）結構（gòu）件（jiàn）的性能考核和技術標準製（zhì）定，並於2002 年在世界上率先（xiān）實現（xiàn）激光直接沉積Ti-6Al-4V 鈦合金次承力構件在F/A-18 等飛機上的裝機應（yīng）用。

     自“十五”開始，在國家自（zì）然科學基（jī）金委員（yuán）會、國家（jiā）863 計劃、國家（jiā）973 計（jì）劃、總（zǒng）裝預研計劃等國家主要科技研（yán）究計劃資助下，北京（jīng）航空航天大學、西（xī）北工業大學、中航工業北京航（háng）空（kōng）製造工程研究所等國內多個研究機構開展了激光直接沉積工藝研究、力學性能（néng）控製、成套裝備研發及工程應用關鍵技術攻關，並取得了較大進展。

    C919大客翼身組合體大（dà）部段中的關鍵零部件鈦合金（jīn）上、下翼緣條是由（yóu）西安鉑力特激光成形技術有限公司使用金屬增材製造技（jì）術（shù）（3D打印）所製造，上、下翼緣（yuán）條中最大（dà）尺（chǐ）寸3070mm，最大重量196kg的左上緣條，僅用25天即（jí）完成交付，大大縮短了航空關鍵零部（bù）件的研（yán）發周期，實（shí）現了航空核心製造技術上（shàng）一次新的突破。

  電子束選區熔化成形（xíng）

    電子束選區熔化技術是指電子束在偏轉線圈驅動下（xià）按預先規劃的（de）路徑掃描，熔化預先鋪放的金屬粉（fěn）末；完成一個層麵的掃描後，工（gōng）作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一（yī）層粉末，如此反複進（jìn）行，層層堆積，直到製造出需要的金屬（shǔ）零件，整個加工過程（chéng）均處於10-2Pa 以上的真空環境中（zhōng），能有效（xiào）避（bì）免空氣中有害雜質的影響（xiǎng）。

電子（zǐ）束選區熔化技術特點如下：

     （1）真空工作環境，能避（bì）免（miǎn）空氣（qì）中雜質混入材料。

 

    （2）電（diàn）子束掃描控製依靠電磁（cí）場，無（wú）機（jī）械運動，可靠性（xìng）高（gāo），控製靈活，反應速度快。

    （3）成形速度快，可達60cm3/h，是（shì）激光選區熔化的數倍。

    （4）可利用電子束掃描、束流參數實時調節控製零件表麵溫度，減少缺陷與變（biàn）形。

    （5）良好的控溫性（xìng）能使其能夠（gòu）加工（gōng）TiAl 等金屬（shǔ）間化合物材料。

    （6）尺寸（cùn）精度可達±0.1mm，表麵粗糙度約在R a15~50 之間，基本近淨成形。

    （7）真（zhēn）空環境下（xià）成形（xíng），無需消耗保護氣體，僅消耗電（diàn）能及不多（duō）的陰極材（cái）料，且（qiě）未（wèi）熔化的金屬粉末可（kě）循環使用（yòng），因此可（kě）降低生產成本。

    （8）可加工鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基合金、鋼等材料。

 電子束選區熔化技術源於20世紀90 年代初期的（de）瑞典，瑞典Chalmers 工業大學與Arcam 公司合作開發了電子束選區熔化快速成形（Electron BeamMelting，EBM）技術，並以CAD-to-Metal 申請了專利。2003 年（nián），Arcam 公（gōng）司獨立開發（fā）了EBM設備。目前（qián）以製造EBM 設備為主，產品已成（chéng）係列，兼顧成形技術開發。美國（guó）、日（rì）本、英國、德國、意大利等許多研（yán）究機構、工廠、大學從（cóng）該公司購置了EBM 設備，在航空、航天、醫療、汽車、藝術（shù）造型等不同領域開展研究，其（qí）中，生物醫（yī）學植入物（wù）方麵的研究較為成熟。近年來，在（zài）航空航（háng）天領域的應用也迅速興起，美國波音公司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司（sī）、意大利Avio 公司等針對火箭發動機（jī）噴管、承力支座、起落架零件、發動機葉片等開展了大量（liàng）研（yán）究，有（yǒu）的已（yǐ）批量應用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由於材料對電子束能量的吸收率高且穩定，因（yīn）此，電子束選區熔化技術可以加工一些特（tè）殊（shū）合金材料（liào）。

     電子（zǐ）束選（xuǎn）區熔化技術可用於航空發動機或導彈用小型發動機多聯葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋（jīn）板結構、支座、吊耳、框梁、起落架結（jié）構的製造，其共同特點是結（jié）構複雜，用傳統（tǒng）方法加工困難，甚至無法加工（gōng）。其局限在於隻能加工小（xiǎo）型零件。目前世界上最（zuì）大的電子束選區熔化設備是Arcam 公（gōng）司的A2XX 型設備有效加工範圍為φ 350mm×380mm。

      清華大學（xué）在國內較早開（kāi）展了相關研究，並開（kāi）發了裝備。近年來，西北有色金屬研究總院、中科院金屬研究所、北京航空航天大學、北京艾康儀誠等（děng）單位 利用Arcam 公司生產的設備開展了研（yán）究，涉及多孔材料、醫學應用等領域。自2007 年以來，在航空支撐及國防預研基金等項目支（zhī）持下，中航工業北京航空製造工程研究所針對航空應用開展了鈦合金、TiAl 合金（jīn）的研究。開發了（le）電子束精確掃描技術、精密鋪（pù）粉技術、數據處理軟件等裝備核心技術。針對飛行器結構輕量化需求，重點研究了鈦合金的力學性能及空間點陣（zhèn）結構的承載性能和變形失效行為，目前（qián）正進行飛機複雜鈦合金接頭及TiAl 葉片的電（diàn）子束（shù）選區（qū）熔化製（zhì）造技術研究，

 激光選區熔化增材成形技術

    激光（guāng）選區熔化成形技術原理與電子束選區熔化（huà）技術類似（sì），通過把零件（jiàn）3D 模型沿一（yī）定方向離散成一係列有序的微米量級薄層，以激光為熱源，逐層熔化金（jīn）屬粉末，直接製造零件。利用該技術可以製（zhì）造出傳統（tǒng）方法無法加工的任意形狀的複雜結構，如輕質點陣夾芯結構、空間曲麵多孔（kǒng）結構、複雜型（xíng）腔流道結（jié）構等。在航空、航（háng）天領域，可用於製造火箭（jiàn）發動機燃料噴嘴（zuǐ）、航空發動機超冷葉片（piàn）、小型發動機整體葉輪（lún）、輕（qīng）質接頭等，同時還可用於船舶、兵器、核能、電子器件、醫學植入等各個領域，具有廣泛的應（yīng）用前景。相較於電（diàn）子束選區熔化技術，激光（guāng）選區熔化由於所使用的粉末尺寸小，因此具（jù）有很高的尺寸精度和表麵質量。

     激（jī）光選區熔化增材成（chéng）形（xíng）技術由激光選（xuǎn）區燒（shāo）結技術（shù）發展而來。20 世紀80 年代以來，經曆了低熔點非金屬粉（fěn）末燒結、低熔點包覆高熔點金屬粉（fěn）末燒結、高熔點金屬粉末直接熔化成形等階（jiē）段。激光選區燒結成形主要用（yòng）於（yú）蠟模、砂模（mó）等製造，為精（jīng）密鑄造提供模型（xíng）。這種原型表（biǎo）麵粗糙，疏鬆多孔，還需要經過高（gāo）溫重熔或滲金屬（shǔ）填補孔隙等以後才（cái）能使（shǐ）用（yòng）。隨著激光技術的發展以及高亮度光纖激光器出現，國內外（wài）金屬激光選區熔化增材成形技術發展突飛猛進。近幾年來（lái），英（yīng）國、德國（guó）、法國、美國、瑞典（diǎn）等國外發達國家先後開GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬複雜結構的激光選（xuǎn）區熔化增成形設備，並開展應用基礎研究。國外著名R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等航空航天武器裝備已利用此技術開發商業化的金屬零部件。

 需要關注（zhù）的（de）方麵

     增材（cái）製造技（jì）術以其與傳統去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速發展成了製造技術領域新的戰略方向。金（jīn）屬零件的高能束流增材製（zhì）造在航空航天領域的（de）研究和應用也越來越（yuè）廣泛，在先進製造技術發展的（de）同時，也促進了結構設計思想（xiǎng）的解放和提升，兩者的相互促進必將對未來飛行器（qì）製造技術領域造成深刻影響（xiǎng）。隨著我國綜合國力的發（fā）展，包括航空在內的（de）國防武器裝備（bèi）的開發逐漸加速，增材製造技術迎來了高速發展的階（jiē）段，未（wèi）來的應用前景（jǐng）十分廣闊。但目前實際應（yīng）用還比較少（shǎo），尚處（chù）於技術（shù）成長期，為了推進技術的應用和（hé）發展，需要關注以下（xià）幾個方（fāng）麵。

    （1）內部質量和力（lì）學性能的均勻性、穩定性和可（kě）靠性。由於高能（néng）束流增材製造過程集材料製備和零件成形於一體，零（líng）件的尺（chǐ）寸、形狀、擺放位置、熱參（cān）數、加工路徑等對內部缺陷和組織的形成具有重要影響，每個零件的形成過程都具有一定（dìng）的特殊性，因此，需（xū）要經過多批次、大量的試驗考核，確定（dìng）並固化從（cóng）材料、成形到後處理的各（gè）個技術環節，以實現零件性能的穩（wěn）定性。

    （2）與用戶的充（chōng）分溝通（tōng），形成獨立的標準。增材製造技術實現過程不（bú）同（tóng）於傳統的製造技術，其製備的零件性能也與傳統（tǒng）的鍛（duàn）件、鑄件有明顯差異，不能完全用傳統技術的評價方法對增材製造技術進行評定。通過溝通讓用戶充（chōng）分了解增材製造技術的優缺點，獲得用戶對產品性能的具體（tǐ）要求並有（yǒu）針對性的進行滿足，形成針對增材製造的零件質量評價（jià）標準，對於促進增材製造技術的應用十（shí）分重要（yào）。

    （3）成本、效益的兼顧。並非所有的零件都適於采用增材製造方法，在進行應用技術開發時，需要選擇合適的應（yīng）用對象。綜合考慮成本、效益與周期（qī）等因素（sù），在航空領域，適宜采用高能束流增材製造技術加工的零件種類主要有複雜形狀結構、超規格結構、需要快速研製的（de）結構以及可明顯（xiǎn）降低成本（běn）的結構等。

（以上信息（xī）作者：鞏水利  來源：航空製造技術（shù））

作為本文補充，根據3D科學穀的市場研究，近幾年國內在以金屬絲為原材料的加工工（gōng）藝上出現了更多的設備製（zhì）造廠商，包括（kuò）武漢天昱、西安智熔。

 麵向未來

由於增材製造所具有的極大靈活性，未來的飛機設計可以（yǐ）實現極大的優化（huà），更加仿生力學的結構。市場研究機（jī）構SmarTECH曾經從4個角度來探索3D打印技術如（rú）何推動航空航天製造技術的（de）發展。包括縮短交貨期、減輕零件重量、降低（dī）生產（chǎn）和運營（yíng）成本、有利於環境保護。

- 增材製造在（zài）新（xīn）的零件（jiàn）和備品備件製造方麵對於縮短交貨期（qī）有著顯著的優（yōu）點。航空專家認為比傳（chuán）統方（fāng）式縮短（duǎn）80％的製造時間，同時（shí）還（hái）可以顯著提高零部件（jiàn）的性能。

－將來（lái）增材製造（zào）方式（shì）可以顯著改變目前航空零部件（jiàn）的庫（kù）存狀（zhuàng）態。把設（shè）計圖紙輸入到打印機就可（kě）以快速（sù）製造出零部件將（jiāng）大大降低航空零部件（jiàn）的庫存。

－商用飛機的使用壽命在30年，而維護和保（bǎo）養飛機的原（yuán）製（zhì）造設備是非常昂貴的。根據空客，通過（guò）增材製造技術，測（cè）試和替換零部件可以在2周內完成（chéng），這些（xiē）零件可以被快速運到需（xū）要維修的飛機所在地，省時省（shěng）力的幫（bāng）助飛機重新起飛。

－另外（wài），不再需（xū）要保有大量的零部件以防飛機有維修需求，這些大量的零部件的生產也是十分昂貴和浪費資源（yuán）的。當然，對於（yú）舊的（de）機型，尤其是數據丟失的型號，保有原來的零部件還是需要的。

 更多挑戰

除了技術層麵（miàn），增材製造在未來十年航空航天的（de）需求與挑戰還很多，包括：

－當前的飛機製造商並不了解增材製造設備，也很難（nán）提出對設備如何升級（jí）的要求，下一步飛機製造商需要更多（duō）的參與到（dào）增材製造設備的開發中來。

－增材製造設備廠商（shāng）必須提高做工程的能力和提升材料專業度。當前增材製造（zào）設備廠商（shāng）缺乏開發高端航空航天零部件的能力，缺乏開發質量跟蹤和控製設備的能（néng）力。增材製造設備廠商不能局限於做設備製造（zào），而應該發展（zhǎn）圍繞著增材製造、增材製造材料一係列的係統服（fú）務商的能力。

－增材製造設備廠商需要（yào）開源設備（bèi）材料，雖（suī）然接受其他的材料會帶來（lái）競爭，但靈活性提高了才能使得航空航天製造（zào）商開發（fā）更多的應用。開源設備材料也會使得設備（bèi）本身更容易受市場歡迎。

－軟件之間需要更好的（de）銜接。目前脫（tuō）節的地（dì）方很多（duō），使得做出一個完整的零件（jiàn）過（guò）程變得磕磕絆絆，這不利於行業的績效。

－需要集成控製係統到增材製造設備裏（lǐ）。目前市（shì）場上很少有係統的工具來監測和跟蹤增材製造的過程，這導致需要大量的測試件，而且需要昂（áng）貴（guì）的後處理（lǐ）。目前（qián）Sigma Labs正在試圖開發這樣的係統（tǒng）。