航空工業在上個世紀80年代就開始使用增材（cái）製造（zào）技術，之前增材製造在航空製造業隻扮演了做快速原型的小角色。最近的發展趨勢是，這一技術將在整個航空航天產業鏈占據戰略性的地位。 包括波音、空客、Lockheed Martin, 霍尼（ní）韋爾以及普惠都做出了表率行動。

     新一代飛行（háng）器不斷向高性能、高可靠性、長壽命、低成本方（fāng）向發（fā）展，越來越多地采（cǎi）用（yòng）整體結構，零件趨向複雜化、大型化，從而推動了增（zēng）材製造技術的（de）發展與應用。增材製造技術從零件的三維CAD 模型出發，無需模具，直接製造零件，可以（yǐ）大大降低成本，縮短研（yán）製周期（qī），是滿足（zú）現代飛行器快速（sù）低成本研製的重要手段，同時也是滿足航空航天超規（guī）格、複雜金屬結構製（zhì）造的關鍵技術之一。

 電子（zǐ）束熔絲沉積（jī）成形

     電子束熔絲沉積技術又稱為電子（zǐ）束自由成形製造技術（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）。在真空（kōng）環境中，高（gāo）能量密度的電子束轟擊金屬表麵形（xíng）成熔（róng）池，金屬絲（sī）材通過送絲裝置送入熔池並熔化，同時熔池按照預先規劃的路（lù）徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的（de）冶金結合，直至製造出金屬零件或毛坯。

電子束熔絲沉積快速成形技術具有一些獨特的（de）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現數10kW 大功率輸出，可以在較高功率下達到（dào）很高的沉積速率（15kg/h），對於大型金屬結構的（de）成形，電（diàn）子束熔絲沉積成形（xíng）速度優（yōu）勢十分明顯。

    （2）真空環境有利於零件的保護。電子束熔絲沉積（jī）成（chéng）形在（zài）10-3Pa真空壞境（jìng）中（zhōng）進（jìn）行，能（néng）有效（xiào）避免（miǎn）空氣中有害雜質（氧、氮、氫等）在高溫狀態下混入金屬零件，非常（cháng）適合鈦、鋁等活性金屬的加工。

    （3）內部質量好。電子束是“體”熱源，熔池相對較深，能夠消除層間未熔合現象；同（tóng）時，利用電子束掃描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（tài）合金零件，其（qí）超聲波探傷內部質（zhì）量（liàng）可以達到AA 級。

    （4）可實現多功（gōng）能加工。電子束輸出功率可在較寬的範圍內調整，並可通過（guò）電磁場實現對束流運動方式及聚焦的靈活控製，可實現高頻率複雜掃描運動。利用麵（miàn）掃描技術，能夠實現大麵積預（yù）熱及緩冷，利用多（duō）束流分束加工技術，可以實現多束流同時工作，在同一台設備上（shàng），既可以實現熔絲沉積成形，也（yě）可以實現深熔焊接。利用電子（zǐ）束（shù）的多功能加工技術，可以根據零件的結構形式以及使役性能要求，采取多種加工技術組合，實現多種工藝協同優化設計製造，以實現成本效益的最優化。

 

美（měi）國麻（má）省理工學院的V.R.Dave等人最早（zǎo）提（tí）出該技術並試（shì）製了Inconel 718 合金渦輪（lún）盤（pán）。2002年，美國航空航天局（jú）（NASA）蘭利研究（jiū）中心（xīn）的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技術（shù），重點開展了微（wēi）重力條件下的成形（xíng）技術研究。同一時期，在海軍、空軍（jun1）、國防部等機構支持下，美國Sciaky 公司聯（lián）合Lockheed Martin、Boeing 公司等也在同時期合（hé）作開展了研究，主要致力於大型航空金屬零件（jiàn）的製造。成形鈦合金時，最（zuì）大成形速度可達18kg/h，力學性能滿足AMS4999 標準要求。Lockheed Martin 公司選定了F-35 飛機的（de）襟副翼梁準備用電（diàn）子束熔絲沉積成形代替鍛造，預期零件成本降低（dī）30%~60%。據報道，裝有（yǒu）電子束熔絲沉積成形（xíng）鈦合金零件的F-35 飛機已於2013 年初試飛。2007 年美國（guó）CTC公（gōng）司領導了一個綜合小組，針對海軍無人戰鬥（dòu）機計劃，製定了“無人戰（zhàn）機金屬製造技術提升計劃”（N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program），選定電子束熔絲沉積（jī）成形（xíng）技術（shù）作為未來大型（xíng）結構低成本高效製造的方案。目（mù）標是（shì）將無人機金屬結構的（de）重量和成本（běn）降低35%。

 

 

中航工（gōng）業北（běi）京航空製造工程研究所於2006年開（kāi）始電子束熔絲沉積成形（xíng）技術研（yán）究工作，開發了電子（zǐ）束（shù）熔絲沉積成形設備。開發的（de）最大的（de）電子束成（chéng）形設備真空室46m3，有效加工範圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯動，雙通道送絲。在此基礎上（shàng），研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強度鋼（gāng）的力學性能（néng），研製了大量（liàng）鈦合金零件和試驗件。2012 年，采用電子束熔絲成形製造的鈦合金零件在國內飛機（jī）結構上（shàng）率（lǜ）先實（shí）現了裝機應用。

 

 

 

  激光直接沉積增材成形

    激光直接沉積技術是（shì）在快速（sù）原型技（jì）術和激光熔覆技（jì）術的基礎上發展（zhǎn）起來（lái）的一種先進製造技術（shù）。該技術（shù）是基於離散/ 堆積原理，通過對（duì）零件的三維CAD 模型進行分層處理（lǐ），獲得各層截麵的二維輪廓信息（xī）並生成加工路徑，在惰（duò）性氣體保護環（huán）境中，以（yǐ）高能量密度的激光作為熱源，按（àn）照預定的加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積（jī），從而實現金屬零件（jiàn）的直接製造與修複。

 

     激光直接沉積技術的特點如下：（1）無需模具；（2）適於難加工金屬材料製備；（3）精度（dù）較高，可實現複雜零件近淨成（chéng）形；（4）內部組織細小均勻，力學性能優異；（5）可製備梯度（dù）材料；（6）可實現損傷零件的快速修複；（7）加工（gōng）柔性高，能夠實（shí）現多（duō）品種、變批量零件製造的（de）快速轉換。

在我國，西安鉑力特（tè）的LSF設備就是這類技術的代（dài）表。除此之外，典型企業（yè）還有美國的OPTOMEC公司，法國（guó）BeAM公司，德國通快以及專為CNC機床公司（sī）提（tí）供增材製造包的HYBRID公司。

     激光（guāng）直接沉積（jī）技術是20世紀90 年代首先從美國發展起來的。1995 年，美國Sandia 國家實驗室開發出了直接由激（jī）光束逐層熔化金屬粉末來製造致密金屬零（líng）件的快速近淨成形技術。此後，Sandia 國家實驗室利（lì）用LENS 技術針對鎳基高溫合金、鈦合金、奧氏體不鏽鋼、工具鋼、鎢等多種金屬材料開展（zhǎn）了大量（liàng）的（de）成形（xíng）工藝（yì）研（yán）究。1997 年（nián），Optomec Design 公司獲得了LENS 技術的商用化許（xǔ）可，推出了激光直接沉積成套裝備（bèi）。1995 年，美國國防部高級研（yán）究計劃署和（hé）海軍研究所聯合（hé）出資，由約翰霍普（pǔ）金斯大學、賓州州立大學和MTS 公司（sī）共同開（kāi）發（fā）一項名為“鈦（tài）合金的柔性製造技術”的項（xiàng）目，目標是利用大功率CO2 激光器實現（xiàn）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（xué）、賓州州立大學合作成立了AeroMet 公司。為了提高沉積效率並生產大型鈦合金零件，AeroMet 公司（sī）采用14~18kW 大功率CO2 激光器和3.0m×3.0m×1.2m大型加（jiā）工艙室，Ti-6Al-4V合金的沉積速（sù）率（lǜ）達1~2kg/h。AeroMet 公司獲得了美國軍方及三大美國軍機製造商波音、洛克希德·馬丁、格魯曼公司的資助，開展了飛機機身鈦合金結構件的激光（guāng）直接沉積技術研究，先後完成（chéng）了激光直接沉積鈦合金結構件的性能考核和技術標準製定，並於2002 年在世界上率先實現激光直接沉積Ti-6Al-4V 鈦合金次承力構件在F/A-18 等飛機上的裝機（jī）應用。

     自“十五”開始（shǐ），在國家（jiā）自然科學（xué）基金委員會、國家863 計劃、國（guó）家973 計劃、總裝（zhuāng）預研計劃等國家主要科技研究計劃資助下，北京航空航天大學（xué）、西北工業大學、中航工業（yè）北京航空製造工程研究所等國內多個研（yán）究機構開展了激光直接沉積工藝研究（jiū）、力學性能控製、成套裝備研發及工程應用關鍵技術（shù）攻關（guān），並取（qǔ）得了較大（dà）進展。

    C919大客翼身組合體大部段中的關鍵零部件鈦合金上（shàng）、下翼緣條是由西安鉑力特激光成形（xíng）技術有限公司（sī）使（shǐ）用金屬增材製（zhì）造技術（3D打印）所製造，上、下翼緣條中最大尺寸3070mm，最大重量196kg的左上緣條，僅用25天即完成交（jiāo）付，大大縮（suō）短了航空關鍵零部件的研（yán）發周期，實現了航空核心製造技術上一次新（xīn）的突破。

  電子束選區（qū）熔化成形

    電子束選區熔化技（jì）術是指電子（zǐ）束在偏轉線（xiàn）圈驅動下按預先（xiān）規劃的路徑掃描，熔化預先鋪（pù）放（fàng）的金（jīn）屬粉末；完成一個層麵（miàn）的掃描後，工作艙下降一層高度，鋪粉（fěn）器重新鋪放一層粉末，如（rú）此反複進（jìn）行（háng），層層堆積，直到製造出需（xū）要的金屬零件（jiàn），整個加工過程均處於10-2Pa 以上的真空環境中，能有效避免空氣中有害雜質的影響。

電子束選區熔化技術特點（diǎn）如下：

     （1）真空工作環境，能避免（miǎn）空氣中（zhōng）雜質混入（rù）材料。

 

    （2）電子束掃描控製依靠電磁場（chǎng），無機械（xiè）運動，可靠性高，控製靈活（huó），反應速度快。

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

    （4）可利（lì）用電子束掃描（miáo）、束流參數實時調節控製零件表麵（miàn）溫（wēn）度，減少（shǎo）缺陷與變形。

    （5）良好的控溫性能使其能夠加工TiAl 等金屬（shǔ）間化合物（wù）材料（liào）。

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

    （7）真空環境下成形，無需消耗保護氣體，僅（jǐn）消耗電能及不（bú）多的陰極材料，且未熔化的金屬粉末可循環使用，因此可降低生產成本。

    （8）可加工鈦合金（jīn）、銅（tóng）合（hé）金、鈷基合金、鎳基合金、鋼等材料（liào）。

 電子（zǐ）束選（xuǎn）區熔化技術源於20世紀90 年（nián）代（dài）初期的瑞典，瑞典Chalmers 工業大學與Arcam 公司（sī）合作開發了電子束（shù）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，Arcam 公司獨立開發了EBM設備。目前以（yǐ）製造EBM 設備為主，產品已成係列，兼顧成形技術開發。美國、日本、英國、德國、意（yì）大利等許多研究（jiū）機構、工廠、大學從該（gāi）公司購置了EBM 設備，在航空、航天、醫療、汽（qì）車、藝術造型（xíng）等不同領域開展研究，其中，生物醫學植入物方麵（miàn）的（de）研（yán）究較為成熟（shú）。近（jìn）年來，在（zài）航空航天領域的應用也迅速興起，美（měi）國波音公司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公（gōng）司等針對火箭發動機噴管、承力支座、起落架（jià）零件、發動機葉（yè）片等開展了大（dà）量研究（jiū），有的已批量應用，材料主要銅合金（jīn）、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由於材料對電子束能量（liàng）的吸收（shōu）率高且穩定，因此，電子束選區熔化（huà）技（jì）術可以加工一些特殊合金（jīn）材料。

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

      清華大學在國內較早開展了相關研究，並開發了（le）裝備。近年來，西北有色金屬研究總院、中科院（yuàn）金屬研（yán）究所、北京航空航天大學、北（běi）京艾（ài）康儀誠等單位 利（lì）用Arcam 公司生產的設備開展了（le）研究，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（yù）研基金（jīn）等項目支持下，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（hé）金、TiAl 合（hé）金的（de）研究。開發了電子束精確掃描技（jì）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結構的承載性能和變形失（shī）效行為，目前正進（jìn）行飛機複雜鈦（tài）合金（jīn）接頭及TiAl 葉片的電子（zǐ）束選區熔化製造技術研究，

 激光選（xuǎn）區熔化增材成形技術

    激光選區熔化成形（xíng）技術原理與電子束選（xuǎn）區熔化（huà）技術類似（sì），通過把零（líng）件3D 模型沿一定方向離散成一係列有序的微米量級（jí）薄層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接製造零件。利用該技術可以製造出傳統方法無法加工的任意形（xíng）狀的複雜結構，如輕質點陣夾芯結構、空（kōng）間曲麵多孔結構（gòu）、複雜型腔流道結（jié）構等。在航空、航天領域，可用於製造（zào）火箭發（fā）動機燃料噴嘴（zuǐ）、航（háng）空發（fā）動機超冷葉（yè）片、小型（xíng）發動機（jī）整體葉輪、輕質接（jiē）頭（tóu）等，同時還（hái）可用於船舶、兵器、核能、電子器件、醫學植入等各個領域，具有廣泛的應用前景。相（xiàng）較於電（diàn）子束選區（qū）熔化技術，激光選區熔化由於所（suǒ）使用的粉末（mò）尺寸小，因此具有很高的尺寸精度和表麵質量。

     激光選區熔化增材成形技術由激光選區燒結技術發展而來。20 世紀80 年代以來（lái），經曆了低熔點非金屬粉末燒結、低熔點（diǎn）包覆高熔點金屬（shǔ）粉末燒結、高熔點金屬粉末直（zhí）接熔化成形等階段。激（jī）光選區燒結（jié）成形主要用於蠟模、砂模等製造，為精密鑄造提供模型。這種（zhǒng）原型表麵粗糙，疏鬆多孔（kǒng），還需要經過高（gāo）溫重熔或滲金（jīn）屬填補孔（kǒng）隙等以後（hòu）才能使用（yòng）。隨著激光技術的發展以及高亮度光纖激光器出現，國內（nèi）外金屬激（jī）光選區（qū）熔化增材成形技術發（fā）展突飛猛進。近幾年來，英國、德國（guó）、法國、美國、瑞典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區熔化增成（chéng）形（xíng）設備，並（bìng）開展應用基礎（chǔ）研究。國外著名R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等航空航天（tiān）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）的方麵（miàn）

     增材（cái）製（zhì）造技術以其與傳統去除成形（xíng）和受迫成形完全不（bú）同的理（lǐ）念迅速發展成了製造技術領域（yù）新的戰略方向。金屬零件（jiàn）的高能束流（liú）增材製造在航空航天領域的研究（jiū）和應用也越來越廣泛，在先進製造技術發展的同時，也（yě）促進了結構（gòu）設（shè）計思想的解放和提升（shēng），兩（liǎng）者（zhě）的相互促進（jìn）必將（jiāng）對未來飛（fēi）行器製造技術領域造成深刻影響。隨著我國綜合國力的發展，包括航空（kōng）在（zài）內的國防武（wǔ）器裝備（bèi）的開發逐漸加速（sù），增（zēng）材製造技術迎來了（le）高速發展的階段，未來（lái）的（de）應用前景十分廣闊。但（dàn）目前實際應用還比較少，尚處於技術成長期，為（wéi）了推進技（jì）術的應用和發展，需要關注以下幾個方（fāng）麵。

    （1）內部質量和（hé）力（lì）學性能的均（jun1）勻性、穩定（dìng）性和可靠性。由於高能（néng）束（shù）流增材製造過程集材料製備和零（líng）件成（chéng）形於一體，零件的尺寸、形狀、擺放位置、熱參數、加工路徑等對內部缺陷和組（zǔ）織的形成具有重要影（yǐng）響，每個（gè）零件（jiàn）的形成過程都具（jù）有一定的特殊性，因此，需要經過多（duō）批次、大（dà）量的試驗（yàn）考核（hé），確定並固（gù）化從材料、成形到後處理的各個技（jì）術（shù）環節，以實現零件性能的穩定（dìng）性。

    （2）與用戶的充分（fèn）溝通，形成獨（dú）立的標準。增材製造技術實現過程不同於傳統的製造技術，其製（zhì）備的零件性能（néng）也與傳統的鍛（duàn）件、鑄件有明顯差異，不能完全用傳統技術的評價（jià）方法對增材製造技術進行評定。通過溝通讓用戶充分了解增材製造技（jì）術的優缺點，獲得用戶對產品性能的具體要求並有（yǒu）針對性的進（jìn）行滿（mǎn）足，形成針對增材（cái）製造的零件（jiàn）質量評價標準，對於促進增材製造技術（shù）的（de）應（yīng）用十分重要。

    （3）成本、效益的兼顧。並非所有的零件（jiàn）都適於（yú）采用增材製造方法，在進（jìn）行應用技術開發（fā）時，需要選擇合適的應用對象。綜合考慮成本、效益與周期等因素，在航空領域，適宜采（cǎi）用（yòng）高能束流增（zēng）材製造（zào）技術加（jiā）工的零件種類（lèi）主要有複雜形狀結構、超規格結構、需要快速研製的結（jié）構以及可明顯降低成本的結構等。

（以（yǐ）上信（xìn）息作者：鞏水利  來源：航空（kōng）製造技術）

作為本文補充，根據3D科學穀的（de）市場研究，近幾年國內在以金屬絲（sī）為原材料的加工工（gōng）藝上出現（xiàn）了更多的設備（bèi）製造廠商，包括武（wǔ）漢天昱、西安智熔（róng）。

 麵向未來

由於（yú）增材製造所具有的極大靈活性，未來的飛機設（shè）計可以實現極大的優化（huà），更加（jiā）仿生力學的結構。市場研究機構SmarTECH曾經從4個角度來探索3D打印（yìn）技術（shù）如何（hé）推動航空（kōng）航天製造技術的發展。包括縮短交貨期、減輕零件重量、降低生產和運營成（chéng）本、有利於環境保（bǎo）護。

- 增材製造在新的零件和備品備件製造方麵對於縮短交貨期有著顯（xiǎn）著的優（yōu）點。航（háng）空專家認為比傳統方式（shì）縮短80％的製造時間，同（tóng）時還可以顯著提高零部件的性能。

－將（jiāng）來增材製造方式可以顯著改（gǎi）變目前（qián）航空零部件的庫存狀態。把設計圖紙輸入到打印機就可以快速製造出零部件（jiàn）將大（dà）大降低航空零部件的庫存。

－商用飛機的使用壽命在30年，而（ér）維護和保養飛機的原製造設備（bèi）是非（fēi）常昂貴的。根據空客，通過增材製造技術，測試和替換零部（bù）件可以在2周內完成，這些零件可以被快速運到需要維修的飛機所在地，省時省力的幫助飛機重新起飛。

－另外，不再需要保有大量的零部件以（yǐ）防飛機有維修需求，這些大量（liàng）的零部件的生產也是（shì）十分昂貴和浪費資源的。當然，對（duì）於舊的機（jī）型，尤其是數據丟失的型號，保有原來的（de）零部件還（hái）是需要的。

 更多挑戰

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

－當前的飛機製造商並不（bú）了解增材製造設備（bèi），也（yě）很難提出對設備如何升級的要求，下一（yī）步飛機（jī）製造商需要更多的參與到增材製造（zào）設備的開發中來。

－增材製造設備廠商必須（xū）提高做工程的能力和提升材料專業度。當前增材製造（zào）設備廠商缺（quē）乏開發高（gāo）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力（lì）。增材製造設（shè）備廠商不能局限於做設備製造，而應該發展圍繞著增材製造、增材製造材料（liào）一係列的係統服務商的能力。

－增材製造設備廠商需要開源設備材料，雖然接（jiē）受其他的材料會帶來競爭，但靈活性提高了才能使得航空航（háng）天製造商開發更多的應用。開源設備材料也會使得設備本身更（gèng）容易受市場歡迎。

－軟件之間需要（yào）更好的銜接。目前脫節的地方很多，使得做出一個完整的零件過程變得（dé）磕磕絆（bàn）絆，這不利於行業的績效。

－需要集成（chéng）控製係統到增材製造設備裏。目前（qián）市（shì）場上很少有係（xì）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（de）測試件，而且需要昂貴的後處理（lǐ）。目前Sigma Labs正在試圖開發這樣的係（xì）統。