金属3D打印技术在航空领域的发展与应用

    电子束选区熔化技术是指电子束在偏转线圈驱动下按预先规划的路径扫描，熔化预先铺放的金属粉末；完成一个层面的扫描后，工作舱下降一层高度，铺粉器重新铺放一层粉末，如此反复进行，层层堆积，直到制造出需要的金属零件，整个加工过程均处于10-2Pa 以上的真空环境中，能有效避免空气中有害杂质的影响。电子束选区熔化技术特点如下：     （1）真空工作环境，能避免空气中杂质混入材料。

    （2）电子束扫描控制依靠电磁场，无机械运动，可靠性高，控制灵活，反应速度快。    （3）成形速度快，可达60cm3/h，是激光选区熔化的数倍。    （4）可利用电子束扫描、束流参数实时调节控制零件表面温度，减少缺陷与变形。    （5）良好的控温性能使其能够加工TiAl 等金属间化合物材料。    （6）尺寸精度可达±0.1mm，表面粗糙度约在R a15~50 之间，基本近净成形。    （7）真空环境下成形，无需消耗保护气体，仅消耗电能及不多的阴极材料，且未熔化的金属粉末可循环使用，因此可降低生产成本。    （8）可加工钛合金、铜合金、钴基合金、镍基合金、钢等材料。 电子束选区熔化技术源于20世纪90 年代初期的瑞典，瑞典Chalmers 工业大学与Arcam 公司合作开发了电子束选区熔化快速成形（Electron BeamMelting，EBM）技术，并以CAD-to-metal 申请了专利。2003 年，Arcam 公司独立开发了EBM设备。目前以制造EBM 设备为主，产品已成系列，兼顾成形技术开发。美国、日本、英国、德国、意大利等许多研究机构、工厂、大学从该公司购置了EBM 设备，在航空、航天、医疗、汽车、艺术造型等不同领域开展研究，其中，生物医学植入物方面的研究较为成熟。近年来，在航空航天领域的应用也迅速兴起，美国波音公司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公司等针对火箭发动机喷管、承力支座、起落架零件、发动机叶片等开展了大量研究，有的已批量应用，材料主要铜合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由于材料对电子束能量的吸收率高且稳定，因此，电子束选区熔化技术可以加工一些特殊合金材料。     电子束选区熔化技术可用于航空发动机或导弹用小型发动机多联叶片、整体叶盘、机匣、增压涡轮、散热器、飞行器筋板结构、支座、吊耳、框梁、起落架结构的制造，其共同特点是结构复杂，用传统方法加工困难，甚至无法加工。其局限在于只能加工小型零件。目前世界上最大的电子束选区熔化设备是Arcam 公司的A2XX 型设备有效加工范围为φ 350mm×380mm。      清华大学在国内较早开展了相关研究，并开发了装备。近年来，西北有色金属研究总院、中科院金属研究所、北京航空航天大学、北京艾康仪诚等单位 利用Arcam 公司生产的设备开展了研究，涉及多孔材料、医学应用等领域。自2007 年以来，在航空支撑及国防预研基金等项目支持下，中航工业北京航空制造工程研究所针对航空应用开展了钛合金、TiAl 合金的研究。开发了电子束精确扫描技术、精密铺粉技术、数据处理软件等装备核心技术。针对飞行器结构轻量化需求，重点研究了钛合金的力学性能及空间点阵结构的承载性能和变形失效行为，目前正进行飞机复杂钛合金接头及TiAl 叶片的电子束选区熔化制造技术研究， 激光选区熔化增材成形技术

    激光选区熔化成形技术原理与电子束选区熔化技术类似，通过把零件3D 模型沿一定方向离散成一系列有序的微米量级薄层，以激光为热源，逐层熔化金属粉末，直接制造零件。利用该技术可以制造出传统方法无法加工的任意形状的复杂结构，如轻质点阵夹芯结构、空间曲面多孔结构、复杂型腔流道结构等。在航空、航天领域，可用于制造火箭发动机燃料喷嘴、航空发动机超冷叶片、小型发动机整体叶轮、轻质接头等，同时还可用于船舶、兵器、核能、电子器件、医学植入等各个领域，具有广泛的应用前景。相较于电子束选区熔化技术，激光选区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质量。

     激光选区熔化增材成形技术由激光选区烧结技术发展而来。20 世纪80 年代以来，经历了低熔点非金属粉末烧结、低熔点包覆高熔点金属粉末烧结、高熔点金属粉末直接熔化成形等阶段。激光选区烧结成形主要用于蜡模、砂模等制造，为精密铸造提供模型。这种原型表面粗糙，疏松多孔，还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等以后才能使用。随着激光技术的发展以及高亮度光纤激光器出现，国内外金属激光选区熔化增材成形技术发展突飞猛进。近几年来，英国、德国、法国、美国、瑞典等国外发达国家先后开GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金属复杂结构的激光选区熔化增成形设备，并开展应用基础研究。国外著名R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等航空航天武器装备已利用此技术开发商业化的金属零部件。 需要关注的方面     增材制造技术以其与传统去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速发展成了制造技术领域新的战略方向。金属零件的高能束流增材制造在航空航天领域的研究和应用也越来越广泛，在先进制造技术发展的同时，也促进了结构设计思想的解放和提升，两者的相互促进必将对未来飞行器制造技术领域造成深刻影响。随着我国综合国力的发展，包括航空在内的国防武器装备的开发逐渐加速，增材制造技术迎来了高速发展的阶段，未来的应用前景十分广阔。但目前实际应用还比较少，尚处于技术成长期，为了推进技术的应用和发展，需要关注以下几个方面。    （1）内部质量和力学性能的均匀性、稳定性和可靠性。由于高能束流增材制造过程集材料制备和零件成形于一体，零件的尺寸、形状、摆放位置、热参数、加工路径等对内部缺陷和组织的形成具有重要影响，每个零件的形成过程都具有一定的特殊性，因此，需要经过多批次、大量的试验考核，确定并固化从材料、成形到后处理的各个技术环节，以实现零件性能的稳定性。    （2）与用户的充分沟通，形成独立的标准。增材制造技术实现过程不同于传统的制造技术，其制备的零件性能也与传统的锻件、铸件有明显差异，不能完全用传统技术的评价方法对增材制造技术进行评定。通过沟通让用户充分了解增材制造技术的优缺点，获得用户对产品性能的具体要求并有针对性的进行满足，形成针对增材制造的零件质量评价标准，对于促进增材制造技术的应用十分重要。    （3）成本、效益的兼顾。并非所有的零件都适于采用增材制造方法，在进行应用技术开发时，需要选择合适的应用对象。综合考虑成本、效益与周期等因素，在航空领域，适宜采用高能束流增材制造技术加工的零件种类主要有复杂形状结构、超规格结构、需要快速研制的结构以及可明显降低成本的结构等。（以上信息作者：巩水利  来源：航空制造技术）
作为本文补充，根据3D科学谷的市场研究，近几年国内在以金属丝为原材料的加工工艺上出现了更多的设备制造厂商，包括武汉天昱、西安智熔。

 面向未来

由于增材制造所具有的极大灵活性，未来的飞机设计可以实现极大的优化，更加仿生力学的结构。市场研究机构SmarTECH曾经从4个角度来探索3D打印技术如何推动航空航天制造技术的发展。包括缩短交货期、减轻零件重量、降低生产和运营成本、有利于环境保护。

- 增材制造在新的零件和备品备件制造方面对于缩短交货期有着显著的优点。航空专家认为比传统方式缩短80％的制造时间，同时还可以显著提高零部件的性能。

－将来增材制造方式可以显著改变目前航空零部件的库存状态。把设计图纸输入到打印机就可以快速制造出零部件将大大降低航空零部件的库存。

－商用飞机的使用寿命在30年，而维护和保养飞机的原制造设备是非常昂贵的。根据空客，通过增材制造技术，测试和替换零部件可以在2周内完成，这些零件可以被快速运到需要维修的飞机所在地，省时省力的帮助飞机重新起飞。

－另外，不再需要保有大量的零部件以防飞机有维修需求，这些大量的零部件的生产也是十分昂贵和浪费资源的。当然，对于旧的机型，尤其是数据丢失的型号，保有原来的零部件还是需要的。

 更多挑战

除了技术层面，增材制造在未来十年航空航天的需求与挑战还很多，包括：

－当前的飞机制造商并不了解增材制造设备，也很难提出对设备如何升级的要求，下一步飞机制造商需要更多的参与到增材制造设备的开发中来。

－增材制造设备厂商必须提高做工程的能力和提升材料专业度。当前增材制造设备厂商缺乏开发高端航空航天零部件的能力，缺乏开发质量跟踪和控制设备的能力。增材制造设备厂商不能局限于做设备制造，而应该发展围绕着增材制造、增材制造材料一系列的系统服务商的能力。

－增材制造设备厂商需要开源设备材料，虽然接受其他的材料会带来竞争，但灵活性提高了才能使得航空航天制造商开发更多的应用。开源设备材料也会使得设备本身更容易受市场欢迎。

－软件之间需要更好的衔接。目前脱节的地方很多，使得做出一个完整的零件过程变得磕磕绊绊，这不利于行业的绩效。

－需要集成控制系统到增材制造设备里。目前市场上很少有系统的工具来监测和跟踪增材制造的过程，这导致需要大量的测试件，而且需要昂贵的后处理。目前Sigma Labs正在试图开发这样的系统。

主体内容来自：作者巩水利，中航工业北京航空制造工程研究所