最近幾年，中國航空工業(yè)捷報(bào)頻傳，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)，艦載機(jī)，運(yùn)輸機(jī)接踵而出，其中最為引人關(guān)注的是，在2013年全球3D打印熱潮中，以北航和西工大兩個(gè)科研主體帶動(dòng)，沈飛、成飛、西飛等數(shù)家航空制造企業(yè)為主體，成為全球第二個(gè)能夠在實(shí)際應(yīng)用中利用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)零件的國家。

美國90年代即開始應(yīng)用3D技術(shù)造戰(zhàn)機(jī)

自航空技術(shù)出現(xiàn)以后，中國航空工業(yè)就一直居于落后的地位，建國60年以來，我們學(xué)蘇聯(lián)、學(xué)美國、學(xué)歐洲，中國航空工業(yè)給人的印象就是差半截，落后N年的。

3D打印技術(shù)目前在全球也是前沿技術(shù)和前沿應(yīng)用，最尖端的航空工業(yè)對(duì)這種技術(shù)最為關(guān)注也最嚴(yán)謹(jǐn)，美國90年代中期就獲得這類技術(shù)的工業(yè)嘗試，但是他們一直稱為近凈成型加工技術(shù)，F(xiàn)－22,F－35都有應(yīng)用，不過因?yàn)橐恍┘庸すに嚨仍?，美國也沒有能大規(guī)模應(yīng)用，但美國將這一技術(shù)一直作為先進(jìn)制造技術(shù)而由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DRAPA）牽頭，組織美國30多家企業(yè)對(duì)這一技術(shù)長期研究。

日本佳能是首家使用3D打印技術(shù)民用公司

在民用領(lǐng)域，第一個(gè)應(yīng)用這個(gè)技術(shù)的是日本佳能公司，他們?cè)谄漤敿?jí)的單反相機(jī)殼體上使用類似的技術(shù)制造鎂鋁合金的特殊曲面的頂蓋。航空工業(yè)中，洛克希德-馬丁和波音公司都曾展示過類似的飛機(jī)大框，只是沒有明確表示技術(shù)渠道。那么，中國如何取得這樣的成果的呢？這些技術(shù)有什么優(yōu)勢和缺陷呢？3D打印技術(shù)成型是將金屬熔融后疊加?金模網(wǎng)CEO羅百輝表示，從金屬制造和加工業(yè)來說，3D打印基本原理是將零件數(shù)字化模型進(jìn)行空間網(wǎng)格化，通過像素化分解成為一個(gè)個(gè)空間點(diǎn)陣，然后利用金屬微量熔融或燒結(jié)的沉積技術(shù)，將零件一層層堆積而成，它的成型原理類似于目前普遍使用的激光打印機(jī)，只是普通的激光打印機(jī)所打印的是平面圖形，而3D打印則是通過累計(jì)一層一層的打印圖形形成空間三維構(gòu)型實(shí)體。

3D打印可使用鈦合金和超高強(qiáng)度鋼等材料

航空工業(yè)應(yīng)用的3D打印主要集中在鈦合金，鋁鋰合金，超高強(qiáng)度鋼，高溫合金等材料方面，這些材料基本都是強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易成型加工，傳統(tǒng)加工工藝成本高昂的類型。最初出現(xiàn)的技術(shù)是來源于電子束焊接技術(shù)，電子束焊接是利用高能電子束在真空或者接近真空的環(huán)境中，直接熔融焊接材料體，電子束具有快速融化，可數(shù)字控制掃描，可快速移動(dòng)的特點(diǎn)，因此，利用電子束快速掃描形成成型的熔融區(qū)，用金屬絲按電子束掃描線步進(jìn)放置在熔融區(qū)上，電子束熔融金屬絲形成熔融金屬沉積，這種技術(shù)叫做電子束熔化成型（Electron?beam?melting，EBM），90年代美國麻省理工和普惠聯(lián)合研發(fā)了這一技術(shù)，并利用它加工出大型渦輪盤件。

電子束快速數(shù)字成型技術(shù)的基礎(chǔ)是當(dāng)時(shí)電子束焊發(fā)展已經(jīng)成熟，工業(yè)級(jí)電子束可達(dá)幾十千瓦，能夠熔融焊接厚度超過40～100mm的金屬板，在墮性氣體隔絕保護(hù)下，或真空狀態(tài)下，電子束可以處理鋁合金，鈦合金，鎳基高溫合金等。

電子束熔化成型由于電子束聚焦點(diǎn)直徑較大，加工過程中熱效應(yīng)較強(qiáng)，形成零件精度有限，它能獲得比精密鑄造更精確的零件胚形，可以減少約70～80％機(jī)械加工的工時(shí)及成本。

電子束是3D金屬打印成型最快方法

中國從90年代末期獲得大功率電子束技術(shù)后積極開展了絲束增材成型的研究，2006年后正式成立電子束快速成型研究分部，在材料類型，快速穩(wěn)定的熔融凝固，大型結(jié)構(gòu)變形控制等方面取得進(jìn)展，目前，已經(jīng)能開始使用該技術(shù)生產(chǎn)飛機(jī)零件，并在一些重點(diǎn)型號(hào)的研制中得以應(yīng)用。電子束快速成型技術(shù)目前還有一些技術(shù)難點(diǎn)尚待進(jìn)一步研究，比如成型過程中廢熱高，金屬構(gòu)件中金相結(jié)構(gòu)控制較為困難，特別是成型時(shí)間長，先凝固的部分經(jīng)受的高溫時(shí)間長，對(duì)金屬晶態(tài)成長控制困難，進(jìn)而引起大尺度構(gòu)件應(yīng)力復(fù)雜等等。

電子束成型對(duì)復(fù)雜腔體，扭轉(zhuǎn)體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點(diǎn)陣精度在毫米級(jí)，所以成型以后仍然需要傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工，也需要傳統(tǒng)的熱處理，甚至鍛造等等。

但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達(dá)15KG／小時(shí)，設(shè)備工業(yè)化成熟度高，基本可由貨架產(chǎn)品組合，生產(chǎn)線構(gòu)建成本低，具有很強(qiáng)的工業(yè)普及基礎(chǔ)，同時(shí)，電子束快速成型設(shè)備同時(shí)還能具有一定的焊接能力和金屬構(gòu)件表面修復(fù)能力，應(yīng)用前景廣泛。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，目前美國和中國在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術(shù)方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統(tǒng)的單晶渦輪葉片生產(chǎn)困難和生產(chǎn)成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制改進(jìn)等提供了極大的助力。

電子束成型對(duì)復(fù)雜腔體，扭轉(zhuǎn)體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點(diǎn)陣精度在毫米級(jí)，所以成型以后仍然需要傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工，也需要傳統(tǒng)的熱處理，甚至鍛造等等。

但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達(dá)15KG／小時(shí)，設(shè)備工業(yè)化成熟度高，基本可由貨架產(chǎn)品組合，生產(chǎn)線構(gòu)建成本低，具有很強(qiáng)的工業(yè)普及基礎(chǔ)，同時(shí)，電子束快速成型設(shè)備同時(shí)還能具有一定的焊接能力和金屬構(gòu)件表面修復(fù)能力，應(yīng)用前景廣泛。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，目前美國和中國在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術(shù)方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統(tǒng)的單晶渦輪葉片生產(chǎn)困難和生產(chǎn)成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制改進(jìn)等提供了極大的助力。

在2013年北京科博會(huì)現(xiàn)場展示的由北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光快速成型技術(shù)。

2008年后大功率激光器開始逐步工業(yè)化

由于電子束成形精度受到電子束聚焦和掃描控制能力的限制，激光作為更高精度的能量介質(zhì)引起高度重視，激光成形技術(shù)幾乎是和電子束成形技術(shù)同步起步發(fā)展，但是，由于穩(wěn)定的10KW以上級(jí)的大功率激光器到2008年才開始逐步工業(yè)化，所以激光成形技術(shù)在最近才出現(xiàn)噴涌的盛況。

激光數(shù)字成型技術(shù)主要有兩個(gè)類別，一是激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD），這個(gè)類別的技術(shù)和電子束快速成型類似，也是利用控制掃描區(qū)域形成控制的熔融區(qū)，用金屬絲或金屬粉同步掃描點(diǎn)添加，金屬熔融沉積，這項(xiàng)技術(shù)算電子束快速成型的高精度的進(jìn)化成果，激光的掃描點(diǎn)陣精度可以比電子束高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以得到更高精度的零件，從而進(jìn)一步減少材料的耗量和機(jī)械加工的需求，同時(shí)它還能保留電子束快速成型的打印速度快的優(yōu)勢。

這類區(qū)域熔融的技術(shù)需要大尺度的腔體提供零件加工所需的真空環(huán)境，這限制了加工零件的尺寸，激光熔融區(qū)的大小和功率直接相關(guān)，越大形的構(gòu)件加工能力要求越高，由于電子束對(duì)金屬的熱效應(yīng)深度比較大，而激光熱效應(yīng)深度較小，激光成形時(shí)胚體受熱和散熱狀況要好于電子束，因此它能形成很薄的熔化區(qū)和更細(xì)密均勻的沉積構(gòu)造，凝固過程中的金相結(jié)構(gòu)更容易控制，熱應(yīng)力復(fù)雜度要低很多，可以制造更精確的形狀和更復(fù)雜零件，也能制造較薄壁的零件類型。美國DRAPA，洛克希德先進(jìn)制造技術(shù)中心，和飛利浦、賓州大學(xué)等于2013年演示的先進(jìn)制造DM概念，就是基于這類技術(shù)基礎(chǔ)。

激光3D打印零件強(qiáng)度略小于鍛造機(jī)加件

高精度激光燒結(jié)對(duì)激光的功率要求中等，燒結(jié)點(diǎn)溫度雖然高，但是點(diǎn)陣小，每點(diǎn)陣金屬熔融凝固量很少，全過程熱釋放低，材料胚體溫度接近常溫區(qū)，較少形成復(fù)雜的熱應(yīng)力情況，金屬凝固形成的金相較為均勻細(xì)密，大多為細(xì)小的晶格態(tài)，類似于經(jīng)過鍛造的金屬構(gòu)件，獲得金屬零件強(qiáng)度略小于鍛造機(jī)加件。

美國德州大學(xué)奧斯汀分院最早于1986年提出SLS的專利，由DTM公司提供商用設(shè)備，美國麻省理工1988年提出DMLS的概念和專利，但目前商用化設(shè)備主要的供應(yīng)商都來源于歐洲，德國EOS略占優(yōu)勢，MTT公司和ConceptLaser公司也具有很強(qiáng)的競爭力。中國于1998年以后開始開展SLS方面的研究，2000年以后，隨著商品化光纖激光器的成熟，國內(nèi)在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和單位提出SLS技術(shù)應(yīng)用化的專利，在航空領(lǐng)域因材料強(qiáng)度方面的問題，早期的應(yīng)用主要在快速建立冶金應(yīng)用模具方面。

目前最大加工零件可達(dá)約5平米，居世界領(lǐng)先地位，與美國、歐洲等站在同一起跑線，目前商用領(lǐng)域已經(jīng)有1000X1000X1000MM加工能力的設(shè)備銷售，更大的加工尺度的產(chǎn)品可以定制。

3D打印概念的出現(xiàn)是一種制造工業(yè)領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，目前的諸多成形手段和方法都有各自的具體優(yōu)點(diǎn)和缺陷，在航空領(lǐng)域，選擇燒結(jié)SLS技術(shù)看起來潛力最大，應(yīng)用前景最廣泛，它的材料適應(yīng)范圍最廣，從鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、高溫合金到陶瓷都能處理，但是它屬于微觀粉末冶金的范疇，快速成形中，粉末冶金技術(shù)中因熔融——凝固過程過快，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末，胚體缺陷還有可能包括激光掃描線方向形成的熔融——凝固不均勻金相微觀線狀晶格排列，這些都會(huì)嚴(yán)重影響了成形件的強(qiáng)度。

目前激光選區(qū)成形的構(gòu)件大多都只能達(dá)到同牌號(hào)金屬鑄造的強(qiáng)度水平，雖然這已經(jīng)能讓構(gòu)件進(jìn)入正常的應(yīng)用領(lǐng)域，但顯然要承擔(dān)象飛機(jī)這樣的主要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件還是有很大限制的。

3D金屬打印零件表面還需進(jìn)一步機(jī)械加工

直接金屬激光燒結(jié)DMLS技術(shù)因?yàn)橹苯佑眉す馊廴诮饘俳z沉積，金屬本身是致密體重熔，不易產(chǎn)生粉末冶金那樣的成形時(shí)的空穴，這個(gè)技術(shù)生產(chǎn)的構(gòu)件致密度可達(dá)99％以上，接近鍛造的材料胚體，目前國際國內(nèi)都主要利用這種技術(shù)制造高受力構(gòu)件，它能達(dá)到同牌號(hào)金屬最高強(qiáng)度的90～95％左右的水平，接近一般鍛造構(gòu)件。

目前的金屬3D打印構(gòu)件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必須經(jīng)過表面的機(jī)械加工，去除表面多余的，不連續(xù)的，不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件，因此，盡管3D打印可以獲得復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和一些復(fù)雜的管路和腔體，但是這些管路和腔體的機(jī)械加工很有可能無法進(jìn)行，其零件的重量效率，管路流動(dòng)效率等方面不一定能夠滿足實(shí)際需求，因此，盡管3D打印可能能一步直接完成很多復(fù)雜零件的成形，但其還不具備直接取代傳統(tǒng)機(jī)械加工的能力。

3D打印對(duì)飛機(jī)大型構(gòu)件制造還存在問題

直接成形的金屬零件在生產(chǎn)過程中因?yàn)榉磸?fù)經(jīng)受局部接近熔點(diǎn)溫度受熱，內(nèi)部熱應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在成形某些大型細(xì)長體，薄壁體金屬構(gòu)件時(shí)，應(yīng)力處理和控制還不能滿足要求，實(shí)際上到目前為止一直影響3D打印在航空業(yè)的應(yīng)用也正是因?yàn)檫@個(gè)原因。

美國從1992年開始就不斷利用這類技術(shù)希望能夠直接生產(chǎn)飛機(jī)用的大型框架，粱絎，整體壁板等，正是因?yàn)閼?yīng)力復(fù)雜，大型構(gòu)件成形過程中或成形后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，嚴(yán)重到無法使用。所以3D打印技術(shù)盡管很早就出現(xiàn)了，但國外航空工業(yè)界還持有相當(dāng)?shù)谋Ｊ貞B(tài)度也是有原因的。