第10章 增材技术

1、第10章 增材制造技术及发展10.1 增材制造技术10.1.1概述“3D 打印”（3D Printing ) 的专业术语是“增材制造” ( Additive Manufacnuing )。其技术内涵是通过数字化增加材料的方式实现结构件的制造。增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是指基于离散-堆积原理，采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。诞生于上个世纪八十年代末期的增材制造技术:1i制造技术原理的改革命性突破，它形成了最能代表信息化时代特征的制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性化的产品制造方式最大

2、限度地满足无限丰富的个性化需求。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三维打印（3D Printing）”、“实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。 工业化的LSF-V大型激光立体成形装备所谓数字化增材制造技术就是一种三维实体快速自由成形制造新技术，如图10.1所示，它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势，学者们对其有多种描述。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称这种新技术为“数字化增材制造

3、”，中国机械工程学会宋天虎秘书长称其为“增量化制造”，其实它就是不久前引起社会广泛关注的“三维打印”技术的一种。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。图10.1工业化的LSF-V大型激光立体成形装备10.1.2 增材制造技术分类材料焊接学家关桥院士提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念（如图10.2所示），“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系；而“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等（如图10.3所

4、示）。图10.2 广义与狭义增材制造技术内涵示意图图10.3 增材制造技术技术群10.1.3 增材制造的关键技术（1） 材料单元的控制技术。 如何控制材料单元在堆积过程中的物理与化学变化是一个难点。例如金属直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制直接影响制造精度和制件性能。（2） 设备的再涂层技术。 增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序，再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向上的精度和质量。分层厚度向0.01mm发展，控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。（3） 高效制造技术。 增材制造在向大尺寸构件制造技术发展。例如金属激光直接制造飞机上的钛合金框睴结

5、构件，框睴结构件长度可达6m，制作时间过长，如何实现多激光束同步制造，提高制造效率，保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的难点。此外，为提高效率，增材制造与传统切削制造结合，发展材料累加制造与材料去除制造复合制造技术方法也是发展的方向和关键技术。10.1.4 增材制造技术优势AM技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。10.2 增材制造国内外发展状况10.2.1 国外发展状况欧美发达国

6、家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，增材制造技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注。英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费。以前仅有拉夫堡大学一个增材制造研究中心，诺丁汉大学、谢菲尔德大学、埃克塞特大学和曼彻斯特大学等相继建立了增材制造研究中心。英国工程与物理科学研究委员会中设有增材制造研究中心，参与机构包括拉夫堡大学、伯明翰大学、英国国家物理实验室、波音公司以及德国EOS公司等15家知名大学、研究机构及企业。2012年3月，美国白宫宣布了振兴美国制造的新举措，将投资10亿美元帮助美国制造体系的改革。其中，白宫提出实现该项计划的三大背景技术包括了增材制

7、造，强调了通过改善增材制造材料、装备及标准，实现创新设计的小批量、低成本数字化制造。2012年8月，美国增材制造创新研究所成立，联合了宾夕法尼亚州西部、俄亥俄州东部和弗吉尼亚州西部的14所大学、40余家企业、11家非营利机构和专业协会。除了英美外，其他一些发达国家也积极采取措施，以推动增材制造技术的发展。德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用；法国增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究；在政府资助下，西班牙启动了一项发展增材制造的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容；澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一

8、项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”，该项目使用增材制造技术制造航空航天领域微型发动机零部件；日本政府也很重视增材制造技术的发展，通过优惠政策和大量资金鼓励产学研用紧密结合，有力促进该技术在航空航天等领域的应用。10.2.2 国内发展状况大型整体钛合金关键结构件成形制造技术被国内外公认为是对飞机工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。西北工大凝固技术国家重点实验室已经建立了系列激光熔覆成形与修复装备，可满足大型机械装备的大型零件及难拆卸零件的原位修复和再制造。应用该技术实现了C919飞机大型钛合金零件激光立体成形制造。民用飞机越来越多地采用了大型整体金属结构，飞机

9、零件主要是整体毛坯件和整体薄壁结构件，传统成形方法非常困难。商飞决定采用先进的激光立体成形技术来解决C919飞机大型复杂薄壁钛合金结构件的制造。西北工大采用激光成形技术制造了最大尺寸达2.83m的机翼缘条零件，最大变形量<1mm，实现了大型钛合金复杂薄壁结构件的精密成形技术，相比现有技术可大大加快制造效率和精度，显著降低生产成本。北航在金属直接制造方面开展了长期的研究工作，突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，解决了大型整体金属构件激光成形过程零件变形与开裂“瓶颈难题”和内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术，飞机构件综合力学性能达到或

10、超过钛合金模锻件，已研制生产出了我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金及超高强度钢等高性能关键整体构件，并在大型客机C919等多型重点型号飞机研制生产中得到应用。 西安交大以研究光固化快速成型（SL）技术为主，于1997年研制并销售了国内第一台光固化快速成型机；并分别于2000年、2007年成立了教育部快速成形制造工程研究中心和快速制造国家工程研究中心，建立了一套支撑产品快速开发的快速制造系统，研制、生产和销售多种型号的激光快速成型设备、快速模具设备及三维反求设备，产品远销印度、俄罗斯、肯尼亚等国，成为具有国际竞争力的快速成型设备制造单位。复合材料构件是航空制造技术未来的发展方向，西安

11、交大研究了大型复合材料构件低能电子束原位固化纤维铺放制造设备与技术，将低能电子束固化技术与纤维自动铺放技术相结合，研究开发了一种无需热压罐的大型复合材料构件高效率绿色制造方法，可使制造过程能耗降低70%，节省原材料15%，并提高了复合材料成型制造过程的可控性、可重复性，为我国复合材料构件绿色制造提供了新的自动化制造方法与工艺。我国在电子、电气增材制造技术上取得了重要进展，称为立体电路技术（SEA，SLS+LDS）。电子电器领域增材技术是建立在现有增材技术之上的一种绿色环保型电路成型技术，有别于传统二维平面型印制线路板。传统的印制电路板是电子产业的粮食，一般采用传统的非环保的减法制造工艺，即金属

12、导电线路是蚀刻铜箔后形成的，新一代增材制造技术采用加法工艺：用激光先在产品表面镭射后，再在药水中浸泡沉积上去。这类技术与激光分层制造的增材制造相结合的一种途径是：在SLS（激光选择性烧结）粉体中加入特殊组份，先3D打印（增材制造成型）再用微航3D立体电路激光机沿表面镭射电路图案，再化学镀成金属线路。 图10.4 “3D”打印技术在立体电路技术中的应用“立体电路制造工艺”涉及的SLS+LDS技术是我国本土企业发明的制造工艺，是增材制造在电子、电器产品领域分支应用技术，如图10.4所示。也涉及到激光材料、激光机、后处理化学药水等核心要素。目前立体电路技术已经成为高端智能手机天线主要制造技术，产业界

13、已经崛起了立体电路产业板块，如图10.5所示。 图10.5 “3D”打印技术在立体电路制造工艺的应用10.2.3 增材制造的发展方向（1） 向日常消费品制造发展 三维打印技术是国外近年来的发展热点。该设备称为三维打印机，将其作为计算机一个外部输出设备而应用。它可以直接将计算机中的三维图形输出为三维的塑料零件。在工业造型、产品创意、工艺美术等领域有着广阔的应用前景和巨大的商业价值。（2） 向功能零件制造发展 向功能零件制造的发展包括复杂零件的精密铸造技术应用及金属零件直接制造方向发展，制造大尺寸航空零部件。采用激光或电子束直接熔化金属粉，逐层堆积金属，形成金属直接成型技术。该技术可以直接制造复杂

14、结构金属功能零件，制件力学性能可以达到锻件性能指标。进一步的发展方向是陶瓷零件的快速成型技术和复合材料的快速成型技术。（3） 向组织与结构一体化制造发展。 实现从微观组织到宏观结构的可控制造。未来需要解决的关键技术包括精度控制技术、大尺寸构件高效制造技术、复合材料零件制造技术。 AM技术的发展将有力地提高航空制造的创新能力，支撑我国由制造大国向制造强国发展。例如在制造复合材料时，将复合材料组织设计制造与外形结构设计制造同步完成，从而实现结构体的“设计材料制造”一体化。美国已经开展了梯度材料结构的人工关节，以及陶瓷涡轮。10.2.4 3D打印技术的发展前景最早的3D打印技术出现于上世纪80年代的

15、美国，但是由于材料和机器极其昂贵，3D打印并没有大范围应用。近年来，随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，更延伸至食品制造、服装奢侈品生产、影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。简单来讲，3D打印机是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有“打印材料”，通过成型设备把“打印材料”以叠加的方式制成实物模型。世界上第一台3D打印机诞生于1986年，由美国人Charles Hull发明，他成立的3D Systems是世界上第一家生产3D打印设备的公司，所采用的技术被称为“立体光刻技术”，

16、利用紫外线照射可将树脂凝固成形来制造物体。1992年，该公司卖出第一台商业化产品。到现在，3D Systems已经和Stratasys公司一起，成为了全球最知名的3D打印机两巨头，他们去年的年营业额收入分别为2.9亿美元和1.7亿美元，产品覆盖汽车、航空航天、消费电子、娱乐、医疗等多个领域。据介绍，3D打印就是快速成型技术的一种，它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式，最终可以直接打印出产品，形成“数字化制造”。一个机械零件，甚至是一架飞机，都可以“打印”出来，3D打印在航空航天制造中具有无可比拟的优势。卢秉桓介绍，传统飞机制造成本高，切削加工要去除95%以上的材料，

17、3D打印技术则利用金属粉末只打印必需的部分，不浪费一点儿金属，节省了材料。与传统制造方法相比，3D打印制造出的零件更轻，能够实现结构、型面复杂多样，并且都是自然无缝连接，结构之间的稳固性和链接强度要远远高于传统方法。“传统的飞机制造、装配工序长，仅机体铆接就有数万个，机身是由上下左右四块整板焊接而成，目前一个飞机制造厂一年加班加点也就能生产四五十架飞机。而通过3D打印制造一架飞机的机身，粗略的估算也就需要300小时左右，并且是一次成型，强度好，安全性高。”卢秉桓院士指出，3D打印技术可以使飞机制造工序大为简化，为飞机结构的创新设计提供了很大的空间，可实现飞机快速研发和快速小批量制造。 图10.

18、6 (a) 国内3D打印的无人飞机假象图(b) 空客（Airbus）将于2050由3D打印的概念客机空中客车设计概念飞机可由3D打印机“打印”制造：3D打印技术已彻底颠覆了日常物品的制作方式，从乐高积木到吉他，从汽车车身到人工肝脏。但如果“打印机”自身能够等比例放大到足以打印像飞机那样大的物体，那么3D打印所引发的变革规模还更大。空客的机舱检验师巴斯蒂安·谢弗过去两年来一直致力于一款概念飞机，这架飞机将完全由一台有飞机库那样大的巨型3D打印机制造，这听起来像痴人说梦，因为如今最大的3D打印机不过餐桌那么大，但是谢弗的设计是有规划的：从现在用3D打印技术制造一些小部件，到2050年左右

19、造出整个飞机整个路线清晰可见。那为什么要采用3D打印技术呢？空客的母公司欧洲宇航防务集团已经在使用一种称为“加层制造”的工艺来制造飞机，因为这不仅能降低成本，与传统制造方法相比更可使各部件的重量轻65%，谢弗的概念飞机极为复杂，需要各种全新的创造方法，从弧形机身到仿生结构，再到能让乘客一览蓝天白云的透明蒙皮，如图10.6所示。说起这个还有待制造的3D打印机，谢弗表示“它的尺寸大概要有80×80米”，“这应该是可行的”。3D打印技术存在已有段时间了，许多创新者以非凡的方式推动了它的发展。扩大了3D打印机规模所面临的最大挑战是资金和监管。美国福布斯杂志报道称，欧洲飞机制造公司Airbus

20、（空客）设计师正计划从飞机零件开始，在2050年前达成3D打印飞机的计划。这一计划耗资不菲，但相较于传统飞机制造，3D技术制造的飞机重量轻了65%，大幅缩减造作成本。该公司还称今年年底，空客会在A380客舱里先使用3D打印的行李架，而其生产的军用飞机“台风”式战斗机，此前已经使用了3D打印的空调系统。在医疗健康方面，3D打印技术已经开始拥有更多实际的应用。两岁的艾玛患先天性多关节痉挛症，这种疾病的症状为四肢不能伸直，肌肉僵硬，通常成年患者会佩戴金属机械臂以帮助手臂活动，但刚满两岁的她由于太小，无法佩戴市面上生产的金属机械臂。两名美国科学家别出心裁地想到了3D打印机，他们承诺将使用的机械臂按比例

21、缩小，并将打印命令输入3D打印机，3D打印机可以直接制作出轻快的机械臂，现在艾玛可以戴着这种机械臂自由活动双手。据悉，目前已有15名患先天性多关节痉挛症的儿童戴上了这种机械臂。随着他们的成长，这种机械臂可以不断进行更换。 美国国家增材制造创新学会开始投入了7000万美元，希望能把3D打印技术推广到过去未曾涉足的新领域。在电脑上调整好设计之后，就能在无需重新整装机器、无需建设新工厂的情况下制造产品。这种基础研究的成果正是基于这一想法，当你还能够打印一件东西的时候，为什么还要费劲的制造它？现在，英国经济学人已经开始将它视作“与其他数字化模式一起推动实现第三次工业革命”。经济学人称，以3D打印为代表

22、的第三次工业革命，以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志。他的直接表现就是工控计算机、工业机器人技术已进入成熟阶段，即成本明显下降，性能明显提高，工业机器人足以在很多方面替代流水线上的工人。不过，要真正走入大众主流的视野，3D打印还面临至少三方面的考验：一是3D打印材料的可用性；二是成本居高不下；三是知识产权保护问题。相关数据统计，2011年3D打印市场规模17.1亿美元。尽管这一数字仅占全球制造市场的0.02%，但有业内人士预计，到2020年之前，3D打印机将可以从事小规模生产，制造过去的劳动密集型工艺品和商品。过去的一年，从器官到鲜肉、再到房子、飞机，从某种意义上说，只要3D打印使

23、用的耗材足够广泛，他就能创造无限可能。10.3 增材制造的技术应用经过20多年的发展，增材制造经历了从萌芽到产业化、从原型展示到零件直接制造的过程，发展十分迅猛。美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度报告中，对各行业的应用情况进行了分析。在过去的几年中，航空零件制造和医学应用是增长最快的应用领域。2012年产能规模将增长25%至21.4亿美元，2019年将达到60亿美元。增材制造技术正处于发展期，具有旺盛的生命力，还在不断发展；随着技术发展，应用领域也将越来越广泛。10.3.1 消费品和电子领域增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备，目前已有的设备

24、种类达到20多种。这一技术一出现就取得了快速发展，在各个领域都得到了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等领域都得到了广泛的应用。增材制造技术的应用，为许多新产业和新技术的发展提供了快速响应制造技术。在生物假体与组织工程上的应用，为人工定制化假体制造、三维组织支架制造提供了有效的技术手段。为汽车车型快速开发和飞机外形设计提供了原型的快速制造技术，加快了产品设计速度。例如，国外增材制造技术在航空领域的应用量已超过8，而我国的应用量则非常低。 美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2011年度报告中，对各行业的应用情况进行了分析。其中，消费商

25、品和电子领域仍占主导地位，但是比例却从23.7%降低到20.6%；机动车领域从19.1%降低到17.9%；研究机构为7.9%；医学和牙科领域从13.6%增加到15.9%；工业设备领域为12.9%；航空航天领域为9.9%。在过去的几年中，医学和牙科是快速成形制造技术的第三大应用领域。10.3.2 航空领域激光立体成形技术最初的主要应用领域是航空、航天等高科技领域，成形材料也主要涉及钛合金、高温合金、高强钢等航空、航天用先进材料。随着这项技术在成形原理、工艺装备、材料制备和成形件性能等方面研究工作的不断深化，以及激光材料加工技术直接成本的不断降低，激光立体成形技术开始逐渐应用于汽车工业、模具设计与

26、制造、医学等更广阔的领域。图10.7为激光立体成形的航空发动机镍基高温合金双合金轴承座后机匣。通过该轴承座后机匣的激光立体成形，解决了传统工艺长期难以解决的制造难题，并显著改善了发动机零件之间的热性能匹配。图10.7 激光组合制造航空发动机零件（下部为In961不锈钢铸件，并经局部激光修复；上部为4169镍基合金激光成形体）高速、高机动性、长续航能力、安全高效低成本运行等苛刻服役条件对飞行器结构设计、材料和制造提出了更高要求。轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、结构功能一体化以及低成本运行成为结构设计、材料应用和制造技术共同面临的严峻挑战，这取决于结构设计、结构材料和现代制造技术的进步与创新。图

27、10.8为采用“3D”打印技术制造的飞机零件。图10.8“3D”打印技术制造的飞机零件（1）增材制造技术能够满足航空武器装备研制的低成本、短周期需求。 随着技术的进步，为了减轻机体重量，提高机体寿命，降低制造成本，飞机结构中大型整体金属构件的使用越来越多。大型整体钛合金结构制造技术已经成为现代飞机制造工艺先进性的重要标志之一。美国F-22后机身加强框、F-14和“狂风”的中央翼盒均采用了整体钛合金结构。大型金属结构传统制造方法是锻造再机械加工，但能用于制造大型或超大型金属锻坯的装备较为稀缺，高昂的模具费用和较长的制造周期仍难满足新型号的快速低成本研制的需求；另外，一些大型结构还具有复杂的形状或

28、特殊规格，用锻造方法难以制造，而增量制造技术对零件结构尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、复杂型腔等特殊结构。除了大型结构，还有一些具有极其复杂外形的中小型零件，如带有空间曲面及密集复杂孔道结构等，用其他方法很难制造，而用高能束流选区制造技术可以实现零件的净成形，仅需抛光即可装机使用。传统制造行业中，单件、小批量的超规格产品往往成为制约整机生产的瓶颈，通过增量制造技术能够实现以相对较低的成本提供这类产品。据统计，我国大型航空钛合金零件的材料利用率非常低，平均不超过10%；同时，模锻、铸造还需要大量的工装模具，由此带来研制成本的上升。通过高能束流增量制造技术，可以节省三分之二以上材料，数控加工时间减

29、少一半以上，同时无须模具，从而能够将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，节省国家宝贵的科研经费。通过大量使用基于金属粉末和丝材的高能束流增材制造技术生产飞机零件，从而实现结构的整体化，降低成本和周期，达到“快速反应，无模敏捷制造”的目的。随着我国综合国力的提升和科学技术的进步，为了缩小与发达国家的差距，保证研制速度、加快装备更新速度，急需要这种新型无模敏捷制造技术金属结构快速成形直接制造技术。（2）增材制造技术有助于促进设计-生产过程从平面思维向立体思维的转变。 传统制造思维是先从使用目的形成三维构想，转化成二维图纸，再制造成三维实体。在空间维度转换过程中，差错、干涉、非最优化等现象

30、一直存在，而对于极度复杂的三维空间结构，无论是三维构想还是二维图纸化已十分困难。计算机辅助设计（CAD）为三维构想提供了重要工具，但虚拟数字三维构型仍然不能完全推演出实际结构的装配特性、物理特征、运动特征等诸多属性。采用增量制造技术，实现三维设计、三维检验与优化，甚至三维直接制造，可以摆脱二维制造思想的束缚，直接面向零件的三维属性进行设计与生产，大大简化设计流程，从而促进产品的技术更新与性能优化。在飞机结构设计时，设计者既要考虑结构与功能，还要考虑制造工艺，增材制造的最终目标是解放零件制造对设计者的思想束缚，使飞机结构设计师将精力集中在如何更好实现功能的优化，而非零件的制造上。在以往的大量实践

31、中，利用增量制造技术，快速准确地制造并验证设计思想在飞机关键零部件的研制过程中已经发挥了重要的作用。另一个重要的应用是原型制造，即构建模型，用于设计评估，例如风洞模型，通过增材制造迅速生产出模型，可以大大加快“设计-验证”迭代循环。（3）增材制造技术能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。利用增量制造技术提升现有制造技术水平的典型的应用是铸造行业。利用快速原型技术制造蜡模可以将生产效率提高数十倍，而产品质量和一致性也得到大大提升；利用快速制模技术可以三维打印出用于金属制造的砂型，大大提高了生产效率和质量。在铸造行业采用增量制造快速制模已渐成趋势。 总之，3D打印技术其实离生活非常近，不仅仅是

32、打印立体照片，在医学上也得到应用，比如植入的人工关节以往是按型号选配，通过3D打印技术，则可以制作最适合患者的钛合金关节。10.3.3 在航空航天应用的实例(1) 西北工业大学使用3D打印制造3m长C919飞机钛合金部件西北工业大学凝固技术国家重点实验室自1995年以来的潜心研究，已奠定了坚实的科学理论基础，用大量发明专利和详实的实验数据证实了其技术上的可用性，用已经达到世界先进水平和中国唯一商用化的装备技术保证了其实施的可行性，在航空、航天、机械、医学等领域的大量应用案例激发了科技界和工业界的强烈兴趣。然而，相对大飞机的应用需求，这些都还只是促使中国商飞下决心应用激光立体成形技术的“基础”。

33、要在大飞机上真正应用一项新技术，还要跨过很多关口。无论过去有多少数据和案例支持，都不构成一项新技术在飞机制造上应用的直接依据。 凝固技术国家重点实验室，是我国3D打印技术研发最出色的单位之一，主要发展名为“激光立体成形”的3D打印技术。该技术通过激光融化金属粉末，几乎可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是使用的材料为金属，“打印”的产品具有极高的力学性能，能满足多种用途。“随着航空航天技术的发展，零件构造越来越复杂，力学性能要求越来越高，重量却要求越来越轻，通过传统工艺很难制造。3D打印则可以满足这些需求。”西北工业大学凝固技术国家重点实验室为国产大飞机C919制造中央翼缘条，这是3D打印

34、技术在航空领域应用的典型。据介绍，中央翼缘条长达3m，如图10.9所示，是大型钛合金结构件，作为机翼的关键部件，以我国现有制造能力无法满足需求，如果向国外采购，势必影响大飞机的国产化率。西北工业大学与中国商用飞机有限公司合作，应用激光立体成形技术解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题。“激光立体成形制造成本与国外锻压制造成本差不多，最重要的是形成了具有自主知识产权的特色新技术。”这项技术在航空航天发动机等关键部件的制造上也得到了运用。西北工业大学3D打印技术对零部件的修复也独树一帜。航空航天零件结构复杂、成本高昂，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体更换，可能造成数十万、上百万元损失。通过3D打印技

35、术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大节约了时间和金钱。 图10.9 采用“3D”打印的构件(a)采用3D打印制造的3米长的C919飞机钛合金部件；(b)采用3D打印“打印”的钛合金镂空球体；(c)采用3D打印制造的无人飞机，巡航时速可达45英里采用激光立体成形技术来解决飞机大型钛合金结构件制造技术难题，钛合金应用量是现代飞机先进性的一个代表性指标，我国在大型钛合金结构件的制造技术能力上同欧美相比还有很大的差距，在满足C919飞机需求方面还存在严重的技术困难。在这个关键时刻，西北工业大学在大型钛合金结构件的激光立体成形技术方面所取得的成就，寄希望于采用这项先进的

36、新技术来解决大飞机制造中面临的困难，同时形成中国大飞机制造具有自主知识产权的特色新技术。目前，中国商用飞机有限公司已计划采用激光成形技术制造C919大飞机大型钛合金结构件，不久将用于大型商用飞机，这是绝对安全性要求技术上高度可靠性，容不得技术上有任何含糊的，因此在西北工业大学建立了激光制造工程技术中心。凝固技术国家重点实验室的激光成形设备可成形的最大零件是1.2m，而中国商飞要求制造的最大钛合金结构件接近3m，设备的尺寸和激光器功率都必须大大扩展。2012年第一个近3m的C919飞机中央翼缘条非常漂亮地成形出来。成品在放置了一个月之后，最大变形量小于0.8mm，成形精度和变形控制都达到了极高的

37、技术水平。在C919飞机制造中应用激光立体成形新技术，没有了技术上的障碍。航空航天和大型机械装备关键零件的高性能修复，是激光立体成形技术的又一个重要应用领域。在飞机零件的加工过程中，不可避免常常因为各种原因形成的零件缺陷而导致报废，由于飞机关键零件对性能可靠性的要求极高，因此一般不允许修复使用。一些大型零件的价格往往上百万元或数百万元，其报废导致的经济损失极为高昂。更为要紧的是，有的关键零件的加工周期很长，重新制造将需要很长的时间，往往引起飞机研制进度拖延。因此，如果有高性能修复技术能使这些零件起死回生，将是极有价值的。成飞迅即立项，委托实验室研究飞机大型关键零件的激光修复。由于激光修复技术的

38、价值已得到证实，成都飞机公司、西安航空发动机公司和某飞机修理厂都已购买了西北工业大学为他们的重要产品专门研制的激光修复设备，其中有的设备可以修复数米大的飞机零件。 先进的技术离不开装备的支持，技术的成熟性最终要以工艺和装备的完整性和成套性来体现。从最初只是研制实验室必不可少的装备，到提供工业企业商用。2007年研制出国内首套商用LSF-型激光立体成形制造装备，迄今已为中国航天科工集团、西安航空发动机公司、成都飞机制造公司等5家国内外企业提供商用激光立体成形与修复再制造装备。目前国际上能够提供产业使用的激光立体成形装备的代表性公司有美国的Optomec公司，POM公司，德国的Trump

39、f公司，国内仅西北工业大学提供了商用装备。 凝固技术国家重点实验室目前80%以上居于国际前沿的先进装备是自主研发出来的。激光立体成形装备毕竟与传统的凝固装备不同，特别是涉及到了激光器的精确控制、零件的三维造型和剖分、环境气氛的精确控制、以及材料送进方式等，都对装备在系统设计和制造方面提出了非常高的要求。对于激光立体成形材料送进系统，一方面要求必须具有充足的送粉量，这要求送粉管不能太细，另一方面还要求送出的粉末流直径要和激光束斑的直径相当，并准确投射到激光形成的小熔池中，以保证沉积效率、成形几何和表面精度。最初采用热喷涂的送粉喷嘴，送粉量足够，但是送出的粉末流直径达到了近10mm，最近

40、粉末流直径已从近10mm降到了近1mm，大大提高了送进系统的粉末汇聚性和流量稳定精度，使采用该送粉喷嘴制备零件的成形精度和表面光洁度达到了国际先进水平。目前，已解决包括过程监测和反馈控制系统、气氛控制系统、成形CAPP/CAM及集成控制软件等关键问题。所研制的装备能够实现各种金属材料，包括高活性的钛合金、锆合金和铝合金的复杂结构零件的无模具、快速、近净成形以及修复再制造。(2) 中国首次用3D打印造飞机钛合金大型主承力构件北京航空航天大学在大型钛合金结构件激光直接制造技术领域也取得令人瞩目的成绩，并且在航空航天装备应用中取得了重要突破。1) 从“减法”到“加法”实现质的飞跃高性能金属构件激光成

41、形技术是以合金粉末为原料，通过激光熔化逐层堆积(生长)，从零件数模一步完成高性能大型复杂构件的“近净成形”。这一技术1992年在美国首先提出并迅速发展。由于高性能金属构件激光成形技术对大型钛合金高性能结构件的短周期、低成本成形制造具有突出优势，在航空航天等装备研制和生产中具有广阔的应用前景，受到政府和业界的高度关注。从传统的大型钛合金结构件制造方法，如整体锻造、切削技术，到这种新型的激光直接制造技术，实现了加工技术由“减法”到“加法”的质的飞跃。采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件，是一个做“减法”的过程，零件的加工除去量非常大。例如，美国的F-22飞机中尺寸最大的Ti6Al4V钛合金整

42、体加强框，所需毛坯模锻件重达2796千克，而实际成形零件重量不足144千克，材料的利用率不到4. 90%，这势必造成大量的原材料损耗。与此同时，在铸造毛坯模锻件的过程中会消耗大量的能源，也降低了加工制造的效率。并且传统方法对制造技术及装备的要求高，通常需要大规格锻坯加工及大型锻造模具制造、万吨级以上的重型液压锻造装备，制造工艺相当复杂，生产周期长、制造成本高。相较于传统的大型钛合金结构件整体锻造，激光直接制造是一种做“加法”的加工技术，主要用高功率的激光束对粉末丝材进行熔化，往上堆积，实现材料逐层添加，直接根据构件的CAD模型一次加工成形。激光直接制造得到的零件微观组织很细，力学性能很好，也可

43、以实现多种材料铸造。综合来讲，这种技术的优势主要表现为：无需大型锻造工业装备、大型锻造模具及锻坯制备加工；机械加工余量小、材料利用率高、生产周期短；加工过程实现结构件“近净成形”，只需一步完成；加工设计灵活度高，可以实现特殊功能零部件的“原位”铸造；所制备的零件具有优异的综合力学性能等。这样就大大降低了制造成本，提高了制造效率与加工质量。大型钛合金结构件激光直接制造技术确实是一种带有变革性的，短流程、低成本的数字化制造技术，其被国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。2) 产学研相结合助力“近净成形”结构件飞上蓝天正是大型钛合金结构件激

44、光直接制造技术所具有的短流程、低成本的特性和广阔的应用前景，引起了国内的高度关注。从2001年起，我国钛合金结构件激光快速成形技术的研究开始受到相关科技管理部门的高度重视，总装备部、国防科工局、国家自然科学基金委员会、国家“973”计划、国家“863”计划等主要科技研究计划，均将钛合金激光直接成形制造技术作为重点项目给予持续资助。采用“产学研”相结合的方式，与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院等单位展开紧密合作，经过持续十几年的艰辛努力，在突破飞机钛合金小型次承力结构件激光快速成形及应用关键技术的基础上，突破了飞机钛合金大型复杂整体主承力构件激光成形工艺、内部质量控制、成套装备研制、技术标

45、准建立及应用关键技术，使我国成为迄今国际上唯一实现激光成形钛合金大型主承力关键构件在飞机上实际应用的国家。零件变形开裂、内部缺陷和内部组织控制是制约激光成形技术的瓶颈，在飞机钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形工艺研究、工程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面取得了突破性的进展，有效解决了激光快速成形钛合金大型整体主承力结构件变形开裂预防、凝固组织和内部缺陷控制等问题。具体的技术突破包括几个方面： “热应力离散控制”方法，为解决大型钛合金主承力结构件激光快速成形过程零件严重翘曲变形与开裂难题找到了一条新路；其次发明了激光快速成形双相钛合金特种热处理新工艺，获得了综合力学性能优异的显微组

46、织新形态，使激光快速成形钛合金的综合力学性能得到显著提高，为提高飞机等钛合金主承力构件的使用安全性和损伤容限性能找到了一个新的解决方法；再次，突破了激光快速成形TA15钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术，飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件水平。实现成功应用是进行技术突破的目的。2005年7月某科研团队成功实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒、TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4种飞机钛合金次承力结构件在3种飞机上的装机应用，零件材料利用率提高了5倍、周期缩短了2/3、成本降低了1/2以上；制造出了迄今世界尺寸最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套设

47、备，其零件激光融化沉积真空腔尺寸达4000mm×3000mm×2000mm；2009年利用激光快速成形技术制造出我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框，在此之前只有欧洲一家公司能够做，仅每件模具费就高达50万美元，利用激光快速成形技术制作的零件成本不及模具的1/10；2010年利用激光直接制造C919的中央翼根肋，传统锻件毛坯重达1607kg，美国使用3D打印技术制造的小型钛合金零件成形技术制造的精坯重量仅为136kg节省了91.5%的材料，并且经过性能测试，其性能比传统锻件还要好。目前制约大型钛合金结构件激光直接制造技术进一步发展的主要问题，仍然是激光成形过程“内应力

48、控制及零件变形开裂预防”、“内部质量保障及力学性能控制”、“技术标准体系”等瓶颈难题，这些难题的存在是由于该技术发展时间还不长，各方面研究工作仍处于探索阶段；对于该技术关键性基础问题的研究和把握不够，包括大型金属构件激光快速成形内应力演化行为规律、内部组织形成规律和内部缺陷形成机理等。只有夯实基础，才能稳步前进；惟有理清大型钛合金结构件激光成形技术的内部机理，才能让“近净成形”结构件飞得更高。10.3.4高性能激光修复 由于激光立体成形的逐点增材制造特性，只要把缺损零件看作一种特殊的基材，按缺损部位形状进行激光立体成形就可实现零件形状和性能的恢复。由于激光能量在功率密度和时空分布上的可控性远远

49、高于其他能源，因此可以最大限度地减小修复加热过程对被修复零件带来的负面影响，如变形、热影响区等等。特别是传统上对于不同技术制造的零件进行修复时，由于制造工艺和传统修复工艺通常差别很大，因此非常难以使修复区和零件本体在性能上趋于一致，导致修复后零件性能通常会有所下降。但是，由于激光立体成形过程中可以同步控制成形合金成分和组织，因此可以通过控制修复区成分、组织而使修复区与零件本体的性能保持高度一致，从而实现高性能匹配修复。 高性能修复的一大难题是热处理限制，已修复的损伤零件不能同制造新件一样自由确定热处理工艺，使得修复区的金属材料难以通过热处理来调节其性能。针对这一难题，西北工业大学重点研究了如何

50、在激光沉积态获得高性能，并对多种合金，达到了在激光沉积态实现锻件力学性能的目标，零件修复完毕后只需做适当的退火热处理消除应力，就可以保证零件本体性能不发生变化。 图10.10和图10.11为损伤高温合金和钛合金零件的激光成形修复。图10.12为激光成形修复的汽轮机17-4PH马氏体钢整体叶轮和航空发动机高温合金整体叶盘。在保证激光修复区与基体形成致密冶金结合的基础上，通过对零件在修复中的局部应力及变形控制，实现了零件几何性能和力学性能的良好修复。图10.10 激光成形修复的损伤叶片（a）高温合金叶片,（b）钛合金叶片图10.11 激光成形修复的误加工或有缺陷零件（a）钛合金接头,（b）钛合金机

51、匣，（c）高温合金块，（d）高温合金油管图10.12 激光成形修复整体叶轮和叶盘（a）燃气轮机17-4PH钢整体叶轮,（b）航空发动机高温合金整体叶盘10.4增材制造技术为铸造业带来的机遇 增材制造技术为铸造业带来的机遇主要有以下几方面：10.4.1 快速制造铸造模型增材制造技术为铸造业带来的益处主要有：加快铸造新产品的研发速度，降低工艺研究成本与风险，满足单件与小批量需求市场。铸造工艺是从制造铸模开始的，对于精度和性能要求高、结构复杂的铸件，制定合适的铸造工艺并不是一个简单的任务，它常常挑战铸造工艺师的智慧与技术水平。一些高难度的铸件往往需要数年的研究才能确定最终的铸造工艺，而制作铸造模具往

52、往是铸件工艺研发过程中最费时费钱的环节。大致有三种快速制造铸型的增材制造方式：增材制植塑料模型，从新翻制铸型；增材制造蜡模，翻制熔模型壳；采用SLS技术（选区激光烧结）直接制造树脂砂型。相比模具制造，这些方法制造铸型具有十分显著的速度快、成本低优势，因此非常适合于需耍反复试验铸造工艺的高难度铸件研制场合。待工艺定型之后再制造模具进行大批量生产。而对于单件和小批量市场需求，可以直接用增材制造技术快速制造铸型完成任务，无需模具制造环节。从大约二十年前开始，铸造厂就在购买快速成形机进行铸造模型的快速制造，而今天大多数铸造厂都拥有了快速成形机。可见，增材制造技术显著增强了铸造业的技术能力，将逐渐成为铸

53、造业必不可少的辅助技术之一。10.4.2 激光组合制造增强铸造业对市场需求的适应能力 激光立体成形是最重要的金属高性能增材制造技术之一。同锻造、铸造和机械加工等传统制造技术结合，形成激光组合制造技术，是激光立体成形技术一个十分重要的发展方向。没有任何种技术是十全十美以致能覆盖任何工艺要求，而相互结合取长补短是明智的选择。 增材制造技术的工艺灵活性和柔性化的特点，使得以其为基础发展激光组合制造技术具有十分重要的实用价值。最为重要的是，激光立体成形技术可以把异质材料结合成一个高性能的整体构件，这是激光组合制造的技术思路赖以实用的必要基础。西北工业大学采用激光立体成形技术在In1961合金铸件上成形

54、了GH4169合金的复杂结构，形成一个高性能结合的整体构件，成功地解决了我国某些先进航空发动机研制中长期不能解决的技术难题。该铸件研制三年，浇注一百多个铸件，没有一个合格品。而激光组合制造件一次成功，一个月内为发动机装机试车提供了合格零件。可见，对于某些单用铸造工艺难以解决的制造技术难题，激光组合制造提供了一条新的技术途径。善用激光组合制造技术，将增强铸造业对市场需求的适应能力。10.4.3 高性能成形修复减少高端铸件的废品率，满足产品进度要求 有一个十分值得关注的趋势是：虽然激光立体成形技术最初主要是作为一种致密金属零件的高性能快速制造技术而发展起来的，但工业界却越来越关注它作为一种高性能成形修复技术的巨大技术优势。除了航空航天领域外，机械、能源、船舶等领域的大型装备的高性能快速修复都对激光立体成形技术提出了迫切的要求。据报道，美国采用激光立体成形技术维护的军事装备资产达40亿美元/年，在飞机、陆基和海基系统都配备了激光立体成形系统。激光成形修复的主要优点是：修复件的力学性能高，可以达到铸件以至锻件新件的性能要求；修复件的变形很小，可以在大而极薄壁零件上进行大体积增材修复；可以进行成形修复，恢复具有复杂形状结构的损伤局部的形状和性能。一些机械装备的高端零件，过去由于缺乏适当的修复技术而不得不报废，其所带来的不仅是昂贵的经济损失，由于这些零