航（háng）空工業在上（shàng）個世紀80年代（dài）就開始使用增材製造技術，之前（qián）增材製造在航空製造業隻扮（bàn）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（gè）航空航天產業（yè）鏈占（zhàn）據戰略性的地位。 包括波音、空客、Lockheed Martin, 霍尼韋爾以及普惠都做出（chū）了表率行動。

     新一代飛行器不斷向高性能、高可靠性、長壽命、低成本方向發展，越來（lái）越（yuè）多地采（cǎi）用整體（tǐ）結構，零（líng）件趨向複雜化、大型化，從而推動（dòng）了增材製造技術的發展與應用。增材製造技術（shù）從零（líng）件的三維CAD 模型出發，無需模具，直（zhí）接（jiē）製造零件，可以（yǐ）大大降低成本，縮短研製（zhì）周期，是滿足現代飛行器快速低成本（běn）研製的重（chóng）要手（shǒu）段，同時也（yě）是滿（mǎn）足航空航天超規格、複（fù）雜金屬（shǔ）結構製造的關鍵技術之（zhī）一。

 電子束熔絲沉積成（chéng）形

     電子束熔絲沉積技術又稱為電子束自（zì）由成形製造技術（shù）（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）。在真空（kōng）環境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表麵形成（chéng）熔池（chí），金（jīn）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（de）路（lù）徑運動，金屬材（cái）料逐層凝固堆積，形（xíng）成致密（mì）的冶（yě）金（jīn）結合（hé），直至製造出金屬零件或毛坯（pī）。

電子束熔絲沉積快速成形技術具有一些獨特的優點，主要表現（xiàn）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（lǜ）下達到很高的沉積速率（15kg/h），對於大型金（jīn）屬結構的成（chéng）形，電子束熔絲沉積成形速度（dù）優勢十分明顯。

    （2）真空環境有利於零件的保護。電（diàn）子束熔絲沉積成形（xíng）在10-3Pa真空壞境中（zhōng）進行，能有效避免空氣中有害雜質（氧、氮、氫等）在高溫狀態下混入金屬零（líng）件，非常適合鈦、鋁等（děng）活性金屬的加工。

    （3）內部（bù）質（zhì）量好。電子束是“體”熱源，熔池相對較（jiào）深，能夠消除層（céng）間未熔合現象；同時，利（lì）用電（diàn）子束掃描對熔池（chí）進行旋轉攪拌，可以明顯（xiǎn）減少氣孔等缺陷。電子束熔絲沉（chén）積成（chéng）形的鈦合金零（líng）件，其超聲波探（tàn）傷內部質量可以達到AA 級。

    （4）可實現多功能加工。電子束輸出功率可在（zài）較寬的範圍（wéi）內調整，並（bìng）可通過電磁場實現對束流運動（dòng）方式及聚焦的靈活（huó）控製，可實現高頻率複雜掃描運動（dòng）。利用麵掃描（miáo）技術，能夠實現大麵積預熱及緩冷，利用多束流分（fèn）束（shù）加工技術，可以（yǐ）實現多束流同時工作（zuò），在同一台設備上，既可（kě）以（yǐ）實現熔絲沉積成形，也可以實現深熔焊（hàn）接。利用電子（zǐ）束的多功能加（jiā）工技術（shù），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（shù）組合，實現多種工藝協（xié）同優化設計製造，以實現（xiàn）成本效益的最優化。

 

美國麻省理工學院的（de）V.R.Dave等（děng）人最（zuì）早提出該技術並試（shì）製（zhì）了Inconel 718 合金渦輪盤。2002年，美國航空航天局（NASA）蘭利（lì）研究中心的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技術，重點開（kāi）展（zhǎn）了微重力條（tiáo）件（jiàn）下的成形技術（shù）研究（jiū）。同一時期（qī），在海軍（jun1）、空軍、國防部等機構支持下（xià），美國Sciaky 公司聯合Lockheed Martin、Boeing 公（gōng）司等也（yě）在同時期合作開展了研究（jiū），主要致力於大型航空金屬零件的製造。成形鈦合金時，最（zuì）大成形速（sù）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 飛機的襟副翼（yì）梁準備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預期零件成（chéng）本降低30%~60%。據報道，裝（zhuāng）有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35 飛機已於2013 年初試飛。2007 年美國（guó）CTC公司領導了一個綜合（hé）小組，針對（duì）海軍無人戰鬥機計劃（huá），製定了“無（wú）人戰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成形技術作為未來大型結構低成本高效製造的方案。目標是將無人機金屬結構的（de）重量和成本降低35%。

 

 

中航（háng）工業北京航（háng）空製造工程研究所於2006年開始電子束熔絲沉積成形技術研究工作（zuò），開發了（le）電子束熔絲沉積成形設備（bèi）。開發的最大的電（diàn）子束成形設備真空室46m3，有效加工範圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯動（dòng），雙通道送絲。在（zài）此基礎上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強（qiáng）度鋼的（de）力學性能，研製了大量鈦合金零（líng）件和試驗件。2012 年，采用電子束熔絲（sī）成形製造的（de）鈦合金零件在國內飛機結構上率先實現了裝機應用。

 

 

 

  激（jī）光直接沉積增材成形

    激光直接沉積技術是在快速原型技術和激光（guāng）熔覆技術的基礎上發展起來的一種先（xiān）進製造技術。該技術（shù）是基（jī）於離散/ 堆積原理，通過對零（líng）件的三維CAD 模型進行分層處理，獲得（dé）各層截麵的二維輪（lún）廓信息並生成加工路徑，在惰性氣體保護環境中，以高能量密度的激光作為熱（rè）源，按照預（yù）定的加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實現金屬零件的直接製造（zào）與修複。

 

     激光直接沉積技（jì）術的特點如下：（1）無需模具；（2）適於難（nán）加（jiā）工金屬材料製備；（3）精度較高，可實現複雜零件（jiàn）近淨成形；（4）內部組織細小均勻，力學性能優異；（5）可製備梯度材料；（6）可實現損傷零件（jiàn）的快速修複；（7）加工柔性高，能夠實現多品種、變批量零件製造的快速轉換。

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

     激光直接沉積技術是20世（shì）紀90 年代首先從美國發（fā）展起來的。1995 年，美（měi）國Sandia 國家實驗室開發出（chū）了直接由激光束逐層（céng）熔化金屬粉末來製造致密金屬零件的快速近淨成形技術。此後，Sandia 國家實驗室利用LENS 技術針對鎳（niè）基高（gāo）溫合金、鈦合金、奧氏體不鏽鋼（gāng）、工具（jù）鋼、鎢等多（duō）種金屬材（cái）料開（kāi）展（zhǎn）了大量的成形工藝研究。1997 年，Optomec Design 公司獲得了LENS 技術的商用化許可，推出了激光直接沉積成套裝備。1995 年，美國國防部高級研究計（jì）劃署和海軍（jun1）研究所聯合出資，由約翰霍普金斯大學、賓州州立大學和MTS 公（gōng）司共同（tóng）開發一項名為“鈦合金的柔性製（zhì）造技術”的項目，目標是利用（yòng）大功率（lǜ）CO2 激光器實（shí）現大尺寸鈦（tài）合金（jīn）零件的製造。基於這一項目的（de）研究成果，1997 年MTS 公（gōng）司出資與約翰霍普（pǔ）金斯大學（xué）、賓州州立大（dà）學合作成立了AeroMet 公司。為了（le）提高沉積效率並生產大型鈦合金零件，AeroMet 公（gōng）司采用14~18kW 大功率CO2 激光器和3.0m×3.0m×1.2m大型加工艙室，Ti-6Al-4V合金的沉積速率達1~2kg/h。AeroMet 公司獲得了美國軍（jun1）方及三大美國軍機製造商波音、洛克希德·馬丁（dīng）、格魯曼公司的資助，開展了飛機機身鈦合金結構件的激光直接沉積（jī）技術研（yán）究，先後完（wán）成（chéng）了激光直接沉（chén）積鈦（tài）合金結構件的性能（néng）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 等飛機上的裝機應用。

     自“十五”開始，在國家自然科學基金委（wěi）員會、國家863 計劃、國家973 計劃、總裝預研計劃等國家主要科技研究計劃資助下，北（běi）京航空航天大學、西北工業大學、中航工（gōng）業北京航空製造工程研究所（suǒ）等國（guó）內多個研究機構開展了激光直接沉積工藝研究、力學（xué）性能控製、成套裝備研發及工程應用關鍵技術攻關，並取得（dé）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（tài）合金上、下翼緣條是由西安鉑力特激光成形技術有限公司使（shǐ）用（yòng）金屬增材製造技術（3D打印）所製造，上、下翼緣條中（zhōng）最大（dà）尺寸3070mm，最（zuì）大重量（liàng）196kg的左上緣（yuán）條，僅（jǐn）用（yòng）25天即完成交付，大大縮（suō）短了航空關鍵零部件的（de）研發周期，實現了航空（kōng）核心（xīn）製造技術上（shàng）一次新的突破。

  電子束選區熔（róng）化成形

    電子束選區熔化技術是指電子束在偏轉線圈驅動下按預先規劃的路徑（jìng）掃描，熔化預先鋪放的金屬粉末；完成一個層麵的掃描後，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反複進行，層層堆積，直（zhí）到製造出需要的金屬零件，整個加工過程均處於10-2Pa 以上（shàng）的真空環（huán）境中，能有效（xiào）避免空氣中有害雜質的（de）影響。

電子（zǐ）束（shù）選區熔化技術特點如下（xià）：

     （1）真空工作環境，能避免空氣中雜質混入材料。

 

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

    （3）成形速度快（kuài），可（kě）達60cm3/h，是激光選區熔化的（de）數倍。

    （4）可利用（yòng）電子束掃描、束（shù）流參數實時調節控製零件表麵（miàn）溫度，減少（shǎo）缺陷與變形。

    （5）良好的控溫性能使其能夠加工TiAl 等金屬間化合物材料。

    （6）尺寸精度可（kě）達±0.1mm，表（biǎo）麵粗糙度約在R a15~50 之間，基本（běn）近淨成形（xíng）。

    （7）真空環境下成形，無需消耗保（bǎo）護氣體，僅消耗電能及不多的陰極材料，且未熔化的金屬粉末可循環使用，因此可降低生（shēng）產（chǎn）成本。

    （8）可加工鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基合（hé）金、鋼等材料。

 電子束選區熔化技術（shù）源於20世紀90 年（nián）代初期（qī）的瑞典，瑞（ruì）典Chalmers 工業大學與Arcam 公司合（hé）作開發了電子束（shù）選區熔化（huà）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。目前以製造（zào）EBM 設備（bèi）為（wéi）主，產品（pǐn）已成係列，兼顧成形（xíng）技術開發。美國、日本、英國（guó）、德國、意大（dà）利等許多研究機構、工廠、大學從該（gāi）公司購置了（le）EBM 設備，在航（háng）空、航天、醫療、汽車、藝術造型等不同領域開展研究，其（qí）中，生物醫（yī）學植入物方（fāng）麵的研究較為成熟。近年來，在航空航天領域的應（yīng）用也迅速興起，美（měi）國波音公（gōng）司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意（yì）大利Avio 公司等針對火箭發動機噴管、承力支座、起（qǐ）落架零件、發動機葉片等（děng）開展了大量研（yán）究，有的已（yǐ）批量應用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等（děng）。由於材料對電子束能量的吸收率（lǜ）高且（qiě）穩定，因此（cǐ），電子束選區熔化技術可以加（jiā）工一（yī）些特殊合金材料。

     電子束選區熔化技術可用於航空（kōng）發動機（jī）或導彈（dàn）用小型發動機多聯葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱（rè）器、飛行器筋板結構、支座、吊耳、框（kuàng）梁、起落架結構的製造，其共同（tóng）特點是結（jié）構複雜，用傳統方法加工困難，甚至無法加工。其局限在（zài）於隻能加（jiā）工小型零件。目（mù）前世界（jiè）上最大的電子束選（xuǎn）區熔化設備是Arcam 公司的A2XX 型設備有效加工（gōng）範圍（wéi）為φ 350mm×380mm。

      清（qīng）華大學在國（guó）內較早開展了（le）相關研究，並開發了裝備（bèi）。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（tiān）大學、北京艾康儀誠等單位 利用Arcam 公司生產的設備開展了研究，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研基金等項目支持下，中航工業北京航空製造工程研究所針對（duì）航空應用開展了鈦合金、TiAl 合（hé）金的研究。開發了電子（zǐ）束精確掃描技術、精密（mì）鋪粉技（jì）術、數據處理軟件等裝備核心技術。針對飛（fēi）行器結構（gòu）輕量化需求，重（chóng）點研究了鈦合金的力（lì）學性能及空間點陣結構的承載性能和變形失效行為，目前正進行飛機複雜鈦合金接頭及TiAl 葉片的電子束（shù）選區熔（róng）化製造技術研究，

 激光選區熔化增材成形（xíng）技術

    激光選（xuǎn）區熔化成形（xíng）技術原理與（yǔ）電子束選區熔化技術類似，通過把零件3D 模型沿（yán）一定方向離散成一係列有序的微米量級薄層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接製造零件。利用該技術可以製造（zào）出傳統方法無法加（jiā）工的任意形狀的複雜結構，如輕質點陣夾芯結構（gòu）、空間曲（qǔ）麵多孔結構、複雜型腔（qiāng）流道結構等。在航空、航天領域，可（kě）用於製造火箭發動機燃料噴嘴、航空發動機超冷葉片、小型發動機整體葉輪、輕質接頭等，同時還可用於船舶、兵（bīng）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。相較於電子束選區熔化技術，激光選區熔化由於（yú）所使用的粉（fěn）末尺寸（cùn）小，因此具有很高的尺（chǐ）寸精度（dù）和（hé）表麵（miàn）質量。

     激光選區熔化增材成（chéng）形（xíng）技術由激光選區燒（shāo）結技術發展而（ér）來。20 世紀80 年代以來，經曆了低熔點非金（jīn）屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點金屬粉末燒結、高熔點金屬粉（fěn）末（mò）直接熔化成形等階（jiē）段。激光選區燒結成形主要用於蠟模（mó）、砂模等製（zhì）造，為精密（mì）鑄造提（tí）供模型。這種原型表麵粗糙，疏鬆多孔，還（hái）需要經過高溫重熔或滲金屬填補孔隙等以後才能使（shǐ）用。隨著激光技術的發展以及高亮度光纖激光器出（chū）現，國內外（wài）金屬激光選區熔化增材（cái）成形技術發展突飛猛進。近幾（jǐ）年來，英國（guó）、德（dé）國、法國、美國、瑞典等國外發（fā）達國家先後開GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬複雜結構（gòu）的激光選區熔化增成形設備，並開展（zhǎn）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（jì）術開發商業化的金屬零部件。

 需要關注的方麵

     增材製造技術以其（qí）與傳統（tǒng）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（lǐng）域新的戰略方向。金屬（shǔ）零件的高能束流（liú）增材製造在航空航天領域（yù）的研究和應用也越來越廣泛，在（zài）先進製造技術發展的同時，也促（cù）進了結構設計思想的解放（fàng）和提升，兩者（zhě）的相互促進必將對未來飛行器製造（zào）技術領域造成深刻影響。隨著我國綜合國力的發展，包括航空在內的（de）國防武器裝備（bèi）的開發逐（zhú）漸加速，增材製造技術迎來了高速發展的階段（duàn），未來的應用前景十分（fèn）廣（guǎng）闊（kuò）。但目前實際應用（yòng）還比較少，尚處於技術成長期，為了推進技術的應用和發展，需要關注以下幾個方麵。

    （1）內部質量和力學（xué）性能的均勻性、穩定性和可靠性。由於高（gāo）能束流增材製造過程集材料製備和零件成形於一體，零件的尺寸、形狀、擺放（fàng）位（wèi）置、熱參數、加工路徑等（děng）對內部缺陷和（hé）組織的形成具有重要影響，每個零件的形成過（guò）程都具有一定的特殊性，因此，需要經過多批次、大量的試驗考核，確定並（bìng）固化從材料、成形到後處理（lǐ）的各個技術環（huán）節，以實現零件性能的穩定性（xìng）。

    （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（zhì）造技術，其製備的零（líng）件性能也（yě）與傳統的鍛件、鑄件有（yǒu）明顯差（chà）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。通過溝通讓用戶充分了（le）解增（zēng）材製造技術的優缺點，獲得用戶對產品性能的具體要求（qiú）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標準，對於促進增材製造技術的應用十分重要。

    （3）成本、效益的兼顧。並非所（suǒ）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（zé）合適的應用對象。綜合考慮成本、效益與（yǔ）周期等因素，在航空領（lǐng）域，適宜（yí）采用高能束流增（zēng）材製造技術加（jiā）工的零件種類主（zhǔ）要有複雜（zá）形狀結構、超規格結構、需要快速研製的結構以及可明顯降低成（chéng）本的（de）結構等。

（以上信息作（zuò）者：鞏水利  來源：航空製（zhì）造技術）

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（liào）的加工工藝上出現了更多的設備製造廠商，包括武漢天昱、西安智熔。

 麵向未來

由於增材製造所具有的極大（dà）靈活性，未來的飛機設（shè）計可以實現極大的優化，更（gèng）加仿生力學的結構。市（shì）場研究機構SmarTECH曾經從4個角度來（lái）探索3D打印技術如（rú）何推動航空航天製造技術的發展。包括縮短交貨期、減輕零（líng）件重量、降低生產和運營（yíng）成本、有利於（yú）環（huán）境保護。

- 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（qī）有著顯著的優點。航空專家認為比傳統方式縮短80％的製造時間，同時還可以顯著提高零部件的性能。

－將來增材製（zhì）造（zào）方式可以顯著改變目前航空零部（bù）件的庫存狀態。把設計圖（tú）紙（zhǐ）輸入到（dào）打印機就可以（yǐ）快（kuài）速製（zhì）造出零（líng）部件將大大降低航空零部件的庫存。

－商用飛機的使用壽命在（zài）30年，而維護和（hé）保養（yǎng）飛機的原製造設備（bèi）是（shì）非常昂貴的。根據空客，通過增材製造技術，測試和替（tì）換零（líng）部件可以在（zài）2周內完成，這些零件可以被快速運（yùn）到需要維修的飛（fēi）機所在地，省時省力的幫助飛機（jī）重新起飛。

－另（lìng）外，不再需要保有大量的零部件以防飛（fēi）機有維修需求，這些（xiē）大（dà）量的（de）零（líng）部件的生產也是十分昂貴（guì）和浪費資源的。當然（rán），對於舊的（de）機型，尤其是數據丟失（shī）的型號，保有原來（lái）的零（líng）部件還是（shì）需（xū）要的。

 更（gèng）多挑戰

除了（le）技術（shù）層麵，增材製造在未來十年航空航天的需求與挑戰還很多，包括（kuò）：

－當前的飛機製造商並不了解增材製造（zào）設備，也很難提出對設（shè）備如何升級的要求，下一步飛機製造商需要更多的參與到增材製造設（shè）備的（de）開發中來。

－增材（cái）製造設備廠商必須提高做工程的能力和提升材料專業度。當前增材製（zhì）造設備廠商缺乏開發高端航空航（háng）天零部件（jiàn）的能力，缺乏開發質量跟蹤和控製設備的能力。增材製造設備廠商不能局限於（yú）做設備製（zhì）造，而應該發展圍繞著增（zēng）材（cái）製造、增材製造材料一係列的係統服務商（shāng）的能力。

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

－軟件之間需要更好的銜（xián）接。目前脫（tuō）節的地方很多，使得（dé）做出（chū）一個完整的零件過程變得磕磕絆絆，這（zhè）不利於行業的績效。

－需要集成控製（zhì）係統到增材製造設備裏。目前市場上很少有係（xì）統的工具來監測和跟蹤增材（cái）製造的過程（chéng），這導致需（xū）要大量的測試（shì）件（jiàn），而且需要（yào）昂貴的後（hòu）處理。目前Sigma Labs正在試圖開發這樣的係統。