航空工業(yè)在上個(gè)世紀(jì)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。近的發(fā)展趨勢(shì)是，這一技術(shù)將在整個(gè)航空航天產(chǎn)業(yè)鏈占據(jù)戰(zhàn)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(zhǎng)壽命、低成本方向發(fā)展，越來(lái)越多地采用整體結(jié)構(gòu)，零件趨向復(fù)雜化、大型化，從而推動(dòng)了增材制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。增材制造技術(shù)從零件的三維CAD 模出發(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，是滿足現(xiàn)代飛行器快速低成本研制的重要手段，同時(shí)也是滿足航空航天超規(guī)格、復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)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t先規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結(jié)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)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(xiàn)數(shù)10kW 大功率輸出，可以在較高功率下達(dá)到很高的沉積速率（15kg/h），對(duì)于大型金屬結(jié)構(gòu)的成形，電子束熔絲沉積成形速度優(yōu)勢(shì)十分明顯。

        （2）真空環(huán)境有利于零件的保護(hù)。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(nèi)部質(zhì)量好。電子束是“體”熱源，熔池相對(duì)較深，能夠消除層間未熔合現(xiàn)象；同時(shí)，利用電子束掃描對(duì)熔池進(jìn)行旋轉(zhuǎn)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(nèi)部質(zhì)量可以達(dá)到AA 級(jí)。
        （4）可實(shí)現(xiàn)多功能加工。可以根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形式以及使役性能要求，采取多種加工技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)多種工藝協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)制造，以實(shí)現(xiàn)成本效益的大化。
        美國(guó)麻省理工學(xué)院的V.R.Dave等人早提出該技術(shù)并試制了Inconel 718 合金渦輪盤(pán)。2002年，美國(guó)航空航天局（NASA）蘭利研究的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技術(shù)，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(guó)防部等機(jī)構(gòu)支持下，美國(guó)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)，大成形速度可達(dá)18kg/h，力學(xué)性能滿足AMS4999 標(biāo)準(zhǔn)要求。Lockheed Martin 公司選定了F-35 飛機(jī)的襟副翼梁準(zhǔn)備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預(yù)期零件成本降低30%~60%。據(jù)報(bào)道，裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35 飛機(jī)已于2013 年初試飛?007 年美國(guó)CTC公司領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)綜合小組，針對(duì)海軍無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃，制定了“無(wú)人戰(zhàn)機(jī)金屬制造技術(shù)提升計(jì)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(jié)構(gòu)低成本制造的方案。

        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(shè)備。開(kāi)發(fā)的大的電子束成形設(shè)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(chǔ)上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能，研制了大量鈦合金零件和試驗(yàn)件。2012 年，采用電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國(guó)內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上率先實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。

        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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種制造技術(shù)。該技術(shù)是基于離散/ 堆積原理，通過(guò)對(duì)零件的三維CAD 模型進(jìn)行分層p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(hù)環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預(yù)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(xiàn)金屬零件的直接制造與修復(fù)。

        由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積，稱之為激光直接沉積增材成形技術(shù)。該技術(shù)只能成形出毛坯，然后依靠數(shù)控加工達(dá)到其凈尺寸，由于適合加工大型零件，送粉式的LENS技術(shù)在航空航天零件修復(fù)領(lǐng)域有著不可替代的作用。

        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(xiàn)復(fù)雜零件近凈成形；（4）內(nèi)部組織細(xì)小均勻，力學(xué)性能優(yōu)異；（5）可制備梯度材料；（6）可實(shí)現(xiàn)損傷零件的快速修復(fù)；（7）加工柔性高，能夠?qū)崿F(xiàn)多品種、變批量零件制造的快速轉(zhuǎn)換。

        在我國(guó)，西安鉑力特的LSF設(shè)備就是這類技術(shù)的代表。除此之外，典型企業(yè)還有美國(guó)的OPTOMEC公司，法國(guó)BeAM公司，德國(guó)通快以及專為CNC機(jī)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(jì)90 年代首先從美國(guó)發(fā)展起來(lái)的。1995 年，美國(guó)Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用LENS 技術(shù)針對(duì)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(guó)國(guó)防部研究計(jì)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(xiàng)名為“鈦合金的柔性制造技術(shù)”的項(xiàng)目，目標(biāo)是利用大功率CO2 激光器實(shí)現(xiàn)大尺寸鈦合金零件的制造。基于這一項(xiàng)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MAeroMet 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(dá)1~2kg/h。AeroMet 公司獲得了美國(guó)軍方及三大美國(guó)軍機(jī)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(jī)機(jī)身鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光直接沉積技術(shù)研M，先后完成了激光直接沉積鈦合金結(jié)構(gòu)件的性能考核和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，并于2002 年在世界上率先實(shí)現(xiàn)激光直接沉積Ti-6Al-4V 鈦合金次承力構(gòu)件在F/A-18 等飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。

        自“十五”開(kāi)始，在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家863 計(jì)劃、國(guó)家973 計(jì)劃、總裝預(yù)研計(jì)劃等國(guó)家主要科技研究計(jì)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(guó)內(nèi)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)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(yīng)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打印）所制造，上、下翼緣條中大尺寸3070mm，大重量196kg的左上緣條，僅用25天即完交付，大大縮短了航空關(guān)鍵零部件的研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)了航空核心制造技術(shù)上一次新的突破。

        電子束選區(qū)熔化成形

        電子束選區(qū)熔化技術(shù)是指電子束在偏轉(zhuǎn)線圈驅(qū)動(dòng)下按預(yù)先規(guī)劃的路徑掃描，熔化預(yù)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(fù)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(qū)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(jī)械運(yùn)動(dòng)，可靠性高，控制靈活，反應(yīng)速p快。

    （3）成形速度快，是激光選區(qū)熔化的數(shù)倍。

    （4）可利用電子束掃描、束流參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)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(dá)±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(hù)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殺盡Ⅻ/p>

    （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(qū)熔化技術(shù)源于20世紀(jì)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(qū)熔化快速成形（Electron BeamMelting，EBM）技術(shù)，并以CAD-to-Metal 。2003 年，Arcam 公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)了EBM設(shè)備。目前以制造EBM 設(shè)備為主，產(chǎn)品已成系列，兼顧成形技術(shù)開(kāi)發(fā)。美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)、意大利等許多研究機(jī)構(gòu)、工廠、大學(xué)從該公司購(gòu)置了EBM 設(shè)備，CalRAM 公司、意大利Avio 公司等針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、承力支座、起落架零件、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等開(kāi)展了大量研究，有的已批量應(yīng)用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由于材料對(duì)電子束能量的吸收率高且穩(wěn)定，因此，電子束選區(qū)熔化技術(shù)可以加工一些特殊合金材料。

        電子束選區(qū)熔化技術(shù)可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)椨眯⌒桶l(fā)動(dòng)機(jī)多聯(lián)葉片、整體葉盤(pán)、機(jī)匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋板結(jié)構(gòu)、支座、吊耳、框梁、起落架結(jié)構(gòu)的制造，其共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用傳統(tǒng)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。目前世界上大的電子束選區(qū)熔化設(shè)備是Arcam 公司的A2XX 型設(shè)備有效加工范圍為φ 350mm×380mm。

        清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)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(chéng)等單位利用Arcam 公司生產(chǎn)的設(shè)備開(kāi)展了研究，涉及多牧稀⒁窖вτ玫攘煊頡Ｗ?007 年以來(lái)，在航空支撐及國(guó)防預(yù)研基金等項(xiàng)目支持下，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所針對(duì)航空應(yīng)用開(kāi)展了鈦合金、TiAl 合金的研究。開(kāi)發(fā)了電子束準(zhǔn)確掃描技術(shù)、精細(xì)鋪粉技術(shù)、數(shù)據(jù)處理軟件等裝備核心技術(shù)。針對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)輕量化需求。

        激光選區(qū)熔化增材成形技術(shù)

        激光選區(qū)熔化成形技術(shù)原理與電子束選區(qū)熔化技術(shù)類似，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(jí)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(tǒng)方法無(wú)法加工的任意形狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、空間n面多孔結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型腔流道結(jié)構(gòu)等。在航空、航天領(lǐng)域，可用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴、航空發(fā)動(dòng)機(jī)超冷葉片、小型發(fā)動(dòng)機(jī)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(yī)學(xué)植入等各個(gè)領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。相較于電子束選區(qū)熔化技術(shù)，激光選區(qū)熔化由于n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(qū)熔化增材成形技術(shù)由激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)發(fā)展而來(lái)。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，經(jīng)歷了低熔點(diǎn)非金屬粉末燒結(jié)、低熔點(diǎn)包覆高熔點(diǎn)金屬粉末燒結(jié)、高熔點(diǎn)金屬粉末直接熔化成形等階段。激光選區(qū)燒結(jié)成形主要用于蠟?zāi)！⑸澳５戎圃欤瑸榫?xì)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(bǔ)孔隙等以后才能使用。隨著激光技術(shù)的發(fā)展以及高亮度光纖激光器出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外金屬激光選區(qū)熔化增材成形技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)。近幾年櫻⒐⒌鹿⒎ü⒚攔⑷鸕淶裙夥⒋錒蟻群罌狦H4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)的激光選區(qū)熔化增成形設(shè)備，并開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究。國(guó)外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(tǒng)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(zhàn)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(yīng)用也越來(lái)越廣泛，在制造技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的解放和提升，兩者的相互促進(jìn)必將對(duì)未來(lái)飛行器制造技術(shù)領(lǐng)域造成深刻影響。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的發(fā)展，包括航空在內(nèi)的國(guó)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。

    （1）內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能的均勻性、穩(wěn)定性和可靠性。

    （2）與用戶的充分溝通，對(duì)于促進(jìn)增材制造技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)，需要選擇合適的應(yīng)用對(duì)象。綜合考慮成本、效益與周期等因素，在航空領(lǐng)域。

        由于增材制造所具有的很大靈活性，未來(lái)的飛機(jī)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)很大的優(yōu)化，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(yùn)營(yíng)成本、有利于環(huán)境保護(hù)。

       －將來(lái)增材制造方式可以顯著改變目前航空零部件的庫(kù)存狀態(tài)。把設(shè)計(jì)圖紙輸入到打印機(jī)就可以快速制造出零部件將大大降低航空零部件的庫(kù)存。

        －商用飛機(jī)的使用壽命在30年，而維護(hù)和保養(yǎng)飛機(jī)的原制造設(shè)備是非常昂貴的。根據(jù)空客，通過(guò)增材制造技術(shù)，測(cè)試和替換零部件可以在2周內(nèi)完成。

        －另外，不再需要保有大量的零部件以防飛機(jī)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(fèi)資源的。當(dāng)然，對(duì)于舊的機(jī)型，尤其是數(shù)據(jù)丟失的型號(hào)，保有原來(lái)的零部件還是需要的。

         其他挑戰(zhàn)

        另外，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(zhàn)還很多，包括：

        －當(dāng)前的飛機(jī)制造商并不了解增材制造設(shè)備，也很難提出對(duì)設(shè)備如何升級(jí)的要求，下一步飛機(jī)制造商需要更多的參與到增材制造設(shè)備的開(kāi)發(fā)中來(lái)。

        －增材制造設(shè)備廠商要提高做工程的能力和提升材料專業(yè)度。當(dāng)前增材制造設(shè)備廠商缺乏開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)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(shè)備的能力。增材制造設(shè)備廠商不能局限于做設(shè)備制造，而應(yīng)該發(fā)展圍繞著增材制造、增材制造材料一系列的系統(tǒng)服務(wù)商的能力。

        －增材制造設(shè)備廠商需要開(kāi)源設(shè)備材料，雖然接受其他的材料會(huì)帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，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(yīng)用。開(kāi)源設(shè)備材料也會(huì)使得設(shè)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(jié)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(jī)效。

        －需要集成控制系統(tǒng)到增材制造設(shè)備里。目前市場(chǎng)上很少有系統(tǒng)的工具來(lái)監(jiān)測(cè)和跟蹤增材制造的過(guò)程，這導(dǎo)致需要大量的測(cè)試件，而且需要昂貴的后處理。

（資料來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)-百度搜索）