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航空工業(yè)在上個(gè)世紀80年代就開(kāi)始使用增材制造技術(shù)，之前增材制造在航空制造業(yè)只扮演了做快速原型的小角色。最近的發(fā)展趨勢是，這一技術(shù)將在整個(gè)航空航天產(chǎn)業(yè)鏈占據戰略性的地位。 包括波音、空客、Lockheed Martin, 霍尼韋爾以及普惠都做出了表率行動(dòng)。
新一代飛行器不斷向高性能、高可靠性、長(cháng)壽命、低成本方向發(fā)展，越來(lái)越多地采用整體結構，零件趨向復雜化、大型化，從而推動(dòng)了增材制造技術(shù)的發(fā)展與應用。增材制造技術(shù)從零件的三維CAD 模型出發(fā)，無(wú)需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，縮短研制周期，是滿(mǎn)足現代飛行器快速低成本研制的重要手段，同時(shí)也是滿(mǎn)足航空航天超規格、復雜金屬結構制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。
 電子束熔絲沉積成形電子束熔絲沉積技術(shù)又稱(chēng)為電子束自由成形制造技術(shù)（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3）。在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過(guò)送絲裝置送入熔池并熔化，同時(shí)熔池按照預先規劃的路徑運動(dòng)，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至制造出金屬零件或毛坯。
電子束熔絲沉積快速成形技術(shù)具有一些獨特的優(yōu)點(diǎn)，主要表現在以下幾個(gè)方面：
（1）沉積效率高。電子束可以很容易實(shí)現數10kW 大功率輸出，可以在較高功率下達到很高的沉積速率（15kg/h），對于大型金屬結構的成形，電子束熔絲沉積成形速度優(yōu)勢十分明顯。
（2）真空環(huán)境有利于零件的保護。電子束熔絲沉積成形在10-3Pa真空壞境中進(jìn)行，能有效避免空氣中有害雜質(zhì)（氧、氮、氫等）在高溫狀態(tài)下混入金屬零件，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工。
（3）內部質(zhì)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；同時(shí)，利用電子束掃描對熔池進(jìn)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(zhì)量可以達到AA 級。
（4）可實(shí)現多功能加工。電子束輸出功率可在較寬的范圍內調整，并可通過(guò)電磁場(chǎng)實(shí)現對束流運動(dòng)方式及聚焦的靈活控制，可實(shí)現高頻率復雜掃描運動(dòng)。利用面掃描技術(shù)，能夠實(shí)現大面積預熱及緩冷，利用多束流分束加工技術(shù)，可以實(shí)現多束流同時(shí)工作，在同一臺設備上，既可以實(shí)現熔絲沉積成形，也可以實(shí)現深熔焊接。利用電子束的多功能加工技術(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(shí)現多種工藝協(xié)同優(yōu)化設計制造，以實(shí)現成本效益的最優(yōu)化。
美國麻省理工學(xué)院的V.R.Dave等人最早提出該技術(shù)并試制了Inconel 718 合金渦輪盤(pán)。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EBF3 技術(shù)，重點(diǎn)開(kāi)展了微重力條件下的成形技術(shù)研究。同一時(shí)期，在海軍、空軍、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(shí)期合作開(kāi)展了研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造。成形鈦合金時(shí)，最大成形速度可達18kg/h，力學(xué)性能滿(mǎn)足AMS4999 標準要求。Lockheed Martin 公司選定了F-35 飛機的襟副翼梁準備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預期零件成本降低30%~60%。據報道，裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35 飛機已于2013 年初試飛。2007 年美國CTC公司領(lǐng)導了一個(gè)綜合小組，針對海軍無(wú)人戰斗機計劃，制定了“無(wú)人戰機金屬制造技術(shù)提升計劃”（N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program），選定電子束熔絲沉積成形技術(shù)作為未來(lái)大型結構低成本高效制造的方案。目標是將無(wú)人機金屬結構的重量和成本降低35%。
圖片：Sciaky制造的零件
中航工業(yè)北京航空制造工程研究所于2006年開(kāi)始電子束熔絲沉積成形技術(shù)研究工作，開(kāi)發(fā)了電子束熔絲沉積成形設備。開(kāi)發(fā)的最大的電子束成形設備真空室46m3，有效加工范圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯(lián)動(dòng)，雙通道送絲。在此基礎上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強度鋼的力學(xué)性能，研制了大量鈦合金零件和試驗件。2012 年，采用電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國內飛機結構上率先實(shí)現了裝機應用。
圖片：中航工業(yè)北京航空制造工程研究的電子束熔絲沉積成形設備
激光直接沉積增材成形
激光直接沉積技術(shù)是在快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)是基于離散/ 堆積原理，通過(guò)對零件的三維CAD 模型進(jìn)行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預定的加工路徑，將同步送進(jìn)的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實(shí)現金屬零件的直接制造與修復。
激光直接沉積技術(shù)的特點(diǎn)如下：（1）無(wú)需模具；（2）適于難加工金屬材料制備；（3）精度較高，可實(shí)現復雜零件近凈成形；（4）內部組織細小均勻，力學(xué)性能優(yōu)異；（5）可制備梯度材料；（6）可實(shí)現損傷零件的快速修復；（7）加工柔性高，能夠實(shí)現多品種、變批量零件制造的快速轉換。
在我國，西安鉑力特的LSF設備就是這類(lèi)技術(shù)的代表。除此之外，典型企業(yè)還有美國的OPTOMEC公司，法國B(niǎo)eAM公司，德國通快以及專(zhuān)為CNC機床公司提供增材制造包的HYBRID公司。
激光直接沉積技術(shù)是20世紀90 年代首先從美國發(fā)展起來(lái)的。1995 年，美國Sandia 國家實(shí)驗室開(kāi)發(fā)出了直接由激光束逐層熔化金屬粉末來(lái)制造致密金屬零件的快速近凈成形技術(shù)。此后，Sandia 國家實(shí)驗室利用LENS 技術(shù)針對鎳基高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、工具鋼、鎢等多種金屬材料開(kāi)展了大量的成形工藝研究。1997 年，Optomec Design 公司獲得了LENS 技術(shù)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劃署和海軍研究所聯(lián)合出資，由約翰霍普金斯大學(xué)、賓州州立大學(xué)和MTS 公司共同開(kāi)發(fā)一項名為“鈦合金的柔性制造技術(shù)”的項目，目標是利用大功率CO2 激光器實(shí)現大尺寸鈦合金零件的制造?；谶@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(xué)合作成立了AeroMet 公司。為了提高沉積效率并生產(chǎn)大型鈦合金零件，AeroMet 公司采用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 公司獲得了美國軍方及三大美國軍機制造商波音、洛克希德·馬丁、格魯曼公司的資助，開(kāi)展了飛機機身鈦合金結構件的激光直接沉積技術(shù)研究，先后完成了激光直接沉積鈦合金結構件的性能考核和技術(shù)標準制定，并于2002 年在世界上率先實(shí)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(kāi)始，在國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、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，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所等國內多個(gè)研究機構開(kāi)展了激光直接沉積工藝研究、力學(xué)性能控制、成套裝備研發(fā)及工程應用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并取得了較大進(jìn)展。
?C919大客翼身組合體大部段中的關(guān)鍵零部件鈦合金上、下翼緣條是由西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司使用金屬增材制造技術(shù)（3D打?。┧圃?，上、下翼緣條中最大尺寸3070mm，最大重量196kg的左上緣條，僅用25天即完成交付，大大縮短了航空關(guān)鍵零部件的研發(fā)周期，實(shí)現了航空核心制造技術(shù)上一次新的突破。
電子束選區熔化成形
電子束選區熔化技術(shù)是指電子束在偏轉線(xiàn)圈驅動(dòng)下按預先規劃的路徑掃描，熔化預先鋪放的金屬粉末；完成一個(gè)層面的掃描后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反復進(jìn)行，層層堆積，直到制造出需要的金屬零件，整個(gè)加工過(guò)程均處于10-2Pa 以上的真空環(huán)境中，能有效避免空氣中有害雜質(zhì)的影響。
電子束選區熔化技術(shù)特點(diǎn)如下：
（1）真空工作環(huán)境，能避免空氣中雜質(zhì)混入材料。
（2）電子束掃描控制依靠電磁場(chǎng)，無(wú)機械運動(dòng)，可靠性高，控制靈活，反應速度快。
（3）成形速度快，可達60cm3/h，是激光選區熔化的數倍。
（4）可利用電子束掃描、束流參數實(shí)時(shí)調節控制零件表面溫度，減少缺陷與變形。
（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）尺寸精度可達±0.1mm，表面粗糙度約在R a15~50 之間，基本近凈成形。
（7）真空環(huán)境下成形，無(wú)需消耗保護氣體，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(huán)使用，因此可降低生產(chǎn)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(shù)源于20世紀90 年代初期的瑞典，瑞典Chalmers 工業(yè)大學(xué)與Arcam 公司合作開(kāi)發(fā)了電子束選區熔化快速成形（Electron BeamMelting，EBM）技術(shù)，并以CAD-to-Metal 申請了專(zhuān)利。2003 年，Arcam 公司獨立開(kāi)發(fā)了EBM設備。目前以制造EBM 設備為主，產(chǎn)品已成系列，兼顧成形技術(shù)開(kāi)發(fā)。美國、日本、英國、德國、意大利等許多研究機構、工廠(chǎng)、大學(xué)從該公司購置了EBM 設備，在航空、航天、醫療、汽車(chē)、藝術(shù)造型等不同領(lǐng)域開(kāi)展研究，其中，生物醫學(xué)植入物方面的研究較為成熟。近年來(lái)，在航空航天領(lǐng)域的應用也迅速興起，美國波音公司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公司等針對火箭發(fā)動(dòng)機噴管、承力支座、起落架零件、發(fā)動(dòng)機葉片等開(kāi)展了大量研究，有的已批量應用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由于材料對電子束能量的吸收率高且穩定，因此，電子束選區熔化技術(shù)可以加工一些特殊合金材料。
電子束選區熔化技術(shù)可用于航空發(fā)動(dòng)機或導彈用小型發(fā)動(dòng)機多聯(lián)葉片、整體葉盤(pán)、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋板結構、支座、吊耳、框梁、起落架結構的制造，其共同特點(diǎn)是結構復雜，用傳統方法加工困難，甚至無(wú)法加工。其局限在于只能加工小型零件。目前世界上最大的電子束選區熔化設備是Arcam 公司的A2XX 型設備有效加工范圍為φ 350mm×380mm。
清華大學(xué)在國內較早開(kāi)展了相關(guān)研究，并開(kāi)發(fā)了裝備。近年來(lái)，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(xué)、北京艾康儀誠等單位利用Arcam 公司生產(chǎn)的設備開(kāi)展了研究，涉及多孔材料、醫學(xué)應用等領(lǐng)域。自2007 年以來(lái)，在航空支撐及國防預研基金等項目支持下，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所針對航空應用開(kāi)展了鈦合金、TiAl 合金的研究。開(kāi)發(fā)了電子束精確掃描技術(shù)、精密鋪粉技術(shù)、數據處理軟件等裝備核心技術(shù)。針對飛行器結構輕量化需求，重點(diǎn)研究了鈦合金的力學(xué)性能及空間點(diǎn)陣結構的承載性能和變形失效行為，目前正進(jìn)行飛機復雜鈦合金接頭及TiAl 葉片的電子束選區熔化制造技術(shù)研究，
激光選區熔化增材成形技術(shù)
激光選區熔化成形技術(shù)原理與電子束選區熔化技術(shù)類(lèi)似，通過(guò)把零件3D 模型沿一定方向離散成一系列有序的微米量級薄層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接制造零件。利用該技術(shù)可以制造出傳統方法無(wú)法加工的任意形狀的復雜結構，如輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結構、空間曲面多孔結構、復雜型腔流道結構等。在航空、航天領(lǐng)域，可用于制造火箭發(fā)動(dòng)機燃料噴嘴、航空發(fā)動(dòng)機超冷葉片、小型發(fā)動(dòng)機整體葉輪、輕質(zhì)接頭等，同時(shí)還可用于船舶、兵器、核能、電子器件、醫學(xué)植入等各個(gè)領(lǐng)域，具有廣泛的應用前景。相較于電子束選區熔化技術(shù)，激光選區熔化由于所使用的粉末尺寸小，因此具有很高的尺寸精度和表面質(zhì)量。
激光選區熔化增材成形技術(shù)由激光選區燒結技術(shù)發(fā)展而來(lái)。20 世紀80 年代以來(lái)，經(jīng)歷了低熔點(diǎn)非金屬粉末燒結、低熔點(diǎn)包覆高熔點(diǎn)金屬粉末燒結、高熔點(diǎn)金屬粉末直接熔化成形等階段。激光選區燒結成形主要用于蠟模、砂模等制造，為精密鑄造提供模型。這種原型表面粗糙，疏松多孔，還需要經(jīng)過(guò)高溫重熔或滲金屬填補孔隙等以后才能使用。隨著(zhù)激光技術(shù)的發(fā)展以及高亮度光纖激光器出現，國內外金屬激光選區熔化增材成形技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)。近幾年來(lái)，英國、德國、法國、美國、瑞典等國外發(fā)達國家先后開(kāi)GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬復雜結構的激光選區熔化增成形設備，并開(kāi)展應用基礎研究。國外著(zhù)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(shù)開(kāi)發(fā)商業(yè)化的金屬零部件。
需要關(guān)注的方面
增材制造技術(shù)以其與傳統去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速發(fā)展成了制造技術(shù)領(lǐng)域新的戰略方向。金屬零件的高能束流增材制造在航空航天領(lǐng)域的研究和應用也越來(lái)越廣泛，在先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也促進(jìn)了結構設計思想的解放和提升，兩者的相互促進(jìn)必將對未來(lái)飛行器制造技術(shù)領(lǐng)域造成深刻影響。隨著(zhù)我國綜合國力的發(fā)展，包括航空在內的國防武器裝備的開(kāi)發(fā)逐漸加速，增材制造技術(shù)迎來(lái)了高速發(fā)展的階段，未來(lái)的應用前景十分廣闊。但目前實(shí)際應用還比較少，尚處于技術(shù)成長(cháng)期，為了推進(jìn)技術(shù)的應用和發(fā)展，需要關(guān)注以下幾個(gè)方面。
（1） 內部質(zhì)量和力學(xué)性能的均勻性、穩定性和可靠性。由于高能束流增材制造過(guò)程集材料制備和零件成形于一體，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織的形成具有重要影響，每個(gè)零件的形成過(guò)程都具有一定的特殊性，因此，需要經(jīng)過(guò)多批次、大量的試驗考核，確定并固化從材料、成形到后處理的各個(gè)技術(shù)環(huán)節，以實(shí)現零件性能的穩定性。 （2）與用戶(hù)的充分溝通，形成獨立的標準。增材制造技術(shù)實(shí)現過(guò)程不同于傳統的制造技術(shù)，其制備的零件性能也與傳統的鍛件、鑄件有明顯差異，不能完全用傳統技術(shù)的評價(jià)方法對增材制造技術(shù)進(jìn)行評定。通過(guò)溝通讓用戶(hù)充分了解增材制造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，獲得用戶(hù)對產(chǎn)品性能的具體要求并有針對性的進(jìn)行滿(mǎn)足，形成針對增材制造的零件質(zhì)量評價(jià)標準，對于促進(jìn)增材制造技術(shù)的應用十分重要。
（3）成本、效益的兼顧。并非所有的零件都適于采用增材制造方法，在進(jìn)行應用技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)，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(lǐng)域，適宜采用高能束流增材制造技術(shù)加工的零件種類(lèi)主要有復雜形狀結構、超規格結構、需要快速研制的結構以及可明顯降低成本的結構等。
（以上信息作者：鞏水利 來(lái)源：航空制造技術(shù)）
國內外關(guān)于上述金屬增材制造技術(shù)具有典型性的設備供應商，請參考3D科學(xué)谷發(fā)布的：
作為本文補充，根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，近幾年國內在以金屬絲為原材料的加工工藝上出現了更多的設備制造廠(chǎng)商，包括武漢天昱、西安智熔。
面向未來(lái)
由于增材制造所具有的極大靈活性，未來(lái)的飛機設計可以實(shí)現極大的優(yōu)化，更加仿生力學(xué)的結構。市場(chǎng)研究機構SmarTECH曾經(jīng)從4個(gè)角度來(lái)探索3D打印技術(shù)如何推動(dòng)航空航天制造技術(shù)的發(fā)展。包括縮短交貨期、減輕零件重量、降低生產(chǎn)和運營(yíng)成本、有利于環(huán)境保護。
- 增材制造在新的零件和備品備件制造方面對于縮短交貨期有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。航空專(zhuān)家認為比傳統方式縮短80％的制造時(shí)間，同時(shí)還可以顯著(zhù)提高零部件的性能。
－將來(lái)增材制造方式可以顯著(zhù)改變目前航空零部件的庫存狀態(tài)。把設計圖紙輸入到打印機就可以快速制造出零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30年，而維護和保養飛機的原制造設備是非常昂貴的。根據空客，通過(guò)增材制造技術(shù)，測試和替換零部件可以在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(shí)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防飛機有維修需求，這些大量的零部件的生產(chǎn)也是十分昂貴和浪費資源的。當然，對于舊的機型，尤其是數據丟失的型號，保有原來(lái)的零部件還是需要的。
更多挑戰
除了技術(shù)層面，增材制造在未來(lái)十年航空航天的需求與挑戰還很多，包括：
－當前的飛機制造商并不了解增材制造設備，也很難提出對設備如何升級的要求，下一步飛機制造商需要更多的參與到增材制造設備的開(kāi)發(fā)中來(lái)。
－增材制造設備廠(chǎng)商必須提高做工程的能力和提升材料專(zhuān)業(yè)度。當前增材制造設備廠(chǎng)商缺乏開(kāi)發(fā)高端航空航天零部件的能力，缺乏開(kāi)發(fā)質(zhì)量跟蹤和控制設備的能力。增材制造設備廠(chǎng)商不能局限于做設備制造，而應該發(fā)展圍繞著(zhù)增材制造、增材制造材料一系列的系統服務(wù)商的能力。
－增材制造設備廠(chǎng)商需要開(kāi)源設備材料，雖然接受其他的材料會(huì )帶來(lái)競爭，但靈活性提高了才能使得航空航天制造商開(kāi)發(fā)更多的應用。開(kāi)源設備材料也會(huì )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接。目前脫節的地方很多，使得做出一個(gè)完整的零件過(guò)程變得磕磕絆絆，這不利于行業(yè)的績(jì)效。
－需要集成控制系統到增材制造設備里。目前市場(chǎng)上很少有系統的工具來(lái)監測和跟蹤增材制造的過(guò)程，這導致需要大量的測試件，而且需要昂貴的后處理。目前Sigma Labs正在試圖開(kāi)發(fā)這樣的系統。
主體內容來(lái)自：作者鞏水利，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所
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