美國90年代即開始應用3D技術造戰機

　　自航空技術出現以后，中國航空工業就一直居于落后的地位，建國60年以來，我們學蘇聯、學美國、學歐洲，中國航空工業給人的印象就是差半截，落后N年的。

　　3D打印技術目前在全球也是前沿技術和前沿應用，最尖端的航空工業對這種技術最為關注也最嚴謹，美國90年代中期就獲得這類技術的工業嘗試，但是他們 一直稱為近凈成型加工技術，F-22,F-35都有應用，不過因為一些加工工藝等原因，美國也沒有能大規模應用，但美國將這一技術一直作為先進制造技術而 由美國國防高級研究計劃局(DRAPA)牽頭，組織美國30多家企業對這一技術長期研究。

　　日本佳能是首家使用3D打印技術民用公司

　　在民用領域，第一個應用這個技術的是日本佳能公司，他們在其頂級的單反相機殼體上使用類似的技術制造鎂鋁合金的特殊曲面的頂蓋。航空工業中，洛克希德 -馬丁和波音公司都曾展示過類似的飛機大框，只是沒有明確表示技術渠道。那么，中國如何取得這樣的成果的呢?這些技術有什么優勢和缺陷呢?3D打印技術成 型是將金屬熔融后疊加?金模網CEO羅百輝表示，從金屬制造和加工業來說，3D打印基本原理是將零件數字化模型進行空間網格化，通過像素化分解成為一個個 空間點陣，然后利用金屬微量熔融或燒結的沉積技術，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，只是普通的激光打印機所打印的是 平面圖形，而3D打印則是通過累計一層一層的打印圖形形成空間三維構型實體。

　　3D打印可使用鈦合金和超高強度鋼等材料

　　航空工業應用的3D打印主要集中在鈦合金，鋁鋰合金，超高強度鋼，高溫合金等材料方面，這些材料基本都是強度高，化學性質穩定，不易成型加工，傳統加 工工藝成本高昂的類型。最初出現的技術是來源于電子束焊接技術，電子束焊接是利用高能電子束在真空或者接近真空的環境中，直接熔融焊接材料體，電子束具有 快速融化，可數字控制掃描，可快速移動的特點，因此，利用電子束快速掃描形成成型的熔融區，用金屬絲按電子束掃描線步進放置在熔融區上，電子束熔融金屬絲 形成熔融金屬沉積，這種技術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合研發了這一技 術，并利用它加工出大型渦輪盤件。

　　電子束快速數字成型技術的基礎是當時電子束焊發展已經成熟，工業級電子束可達幾十千瓦，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下，或真空狀態下，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直徑較大，加工過程中熱效應較強，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%機械加工的工時及成本。

　　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，快速穩定的熔融 凝固，大型結構變形控制等方面取得進展，目前，已經能開始使用該技術生產飛機零件，并在一些重點型號的研制中得以應用。電子束快速成型技術目前還有一些技 術難點尚待進一步研究，比如成型過程中廢熱高，金屬構件中金相結構控制較為困難，特別是成型時間長，先凝固的部分經受的高溫時間長，對金屬晶態成長控制困 難，進而引起大尺度構件應力復雜等等。

　　電子束成型對復雜腔體，扭轉體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點陣精度在毫米級，所以成型以后仍然需要傳統的精密機械加工，也需要傳統的熱處理，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15KG/小時，設備工業化成熟度高，基本可由貨架產品組合，生產線構建成本低， 具有很強的工業普及基礎，同時，電子束快速成型設備同時還能具有一定的焊接能力和金屬構件表面修復能力，應用前景廣泛。在發動機領域，目前美國和中國在電 子束控制單晶金屬近凈形成型技術方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統的單晶渦輪葉片生產困難和生產成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發動機 的性能，并對發動機研制改進等提供了極大的助力。

　　電子束成型對復雜腔體，扭轉體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點陣精度在毫米級，所以成型以后仍然需要傳統的精密機械加工，也需要傳統的熱處理，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15KG/小時，設備工業化成熟度高，基本可由貨架產品組合，生產線構建成本低， 具有很強的工業普及基礎，同時，電子束快速成型設備同時還能具有一定的焊接能力和金屬構件表面修復能力，應用前景廣泛。在發動機領域，目前美國和中國在電 子束控制單晶金屬近凈形成型技術方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統的單晶渦輪葉片生產困難和生產成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發動機 的性能，并對發動機研制改進等提供了極大的助力。

　　在2013年北京科博會現場展示的由北京航空航天大學團隊主導的飛機鈦合金大型復雜整體構件激光快速成型技術。

　　2008年后大功率激光器開始逐步工業化

　　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引起高度重視，激光成形技術幾乎是和電子束成形技術同步起步發 展，但是，由于穩定的10KW以上級的大功率激光器到2008年才開始逐步工業化，所以激光成形技術在最近才出現噴涌的盛況。

　　激光數字成型技術主要有兩個類別，一是激光近凈成形制造(LENS)、金屬直接沉積(DMD)，這個類別的技術和電子束快速成型類似，也是利用控制掃 描區域形成控制的熔融區，用金屬絲或金屬粉同步掃描點添加，金屬熔融沉積，這項技術算電子束快速成型的高精度的進化成果，激光的掃描點陣精度可以比電子束 高一個數量級，可以得到更高精度的零件，從而進一步減少材料的耗量和機械加工的需求，同時它還能保留電子束快速成型的打印速度快的優勢。

　　這類區域熔融的技術需要大尺度的腔體提供零件加工所需的真空環境，這限制了加工零件的尺寸，激光熔融區的大小和功率直接相關，越大形的構件加工能力要 求越高，由于電子束對金屬的熱效應深度比較大，而激光熱效應深度較小，激光成形時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和更細密均勻 的沉積構造，凝固過程中的金相結構更容易控制，熱應力復雜度要低很多，可以制造更精確的形狀和更復雜零件，也能制造較薄壁的零件類型。美國DRAPA，洛 克希德先進制造技術中心，和飛利浦、賓州大學等于2013年演示的先進制造DM概念，就是基于這類技術基礎。

　　激光3D打印零件強度略小于鍛造機加件

　　高精度激光燒結對激光的功率要求中等，燒結點溫度雖然高，但是點陣小，每點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，較少形成 復雜的熱應力情況，金屬凝固形成的金相較為均勻細密，大多為細小的晶格態，類似于經過鍛造的金屬構件，獲得金屬零件強度略小于鍛造機加件。

　　美國德州大學奧斯汀分院最早于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 化設備主要的供應商都來源于歐洲，德國EOS略占優勢，MTT公司和ConceptLaser公司也具有很強的競爭力。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技術應用 化的專利，在航空領域因材料強度方面的問題，早期的應用主要在快速建立冶金應用模具方面。

　　目前最大加工零件可達約5平米，居世界領先地位，與美國、歐洲等站在同一起跑線，目前商用領域已經有1000X1000X1000MM加工能力的設備銷售，更大的加工尺度的產品可以定制。

　　3D打印概念的出現是一種制造工業領域革命性的新技術，目前的諸多成形手段和方法都有各自的具體優點和缺陷，在航空領域，選擇燒結SLS技術看起來潛 力最大，應用前景最廣泛，它的材料適應范圍最廣，從鋁合金、鈦合金、高強度鋼、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，這些都會嚴重影響了成形件的強度。

　　目前激光選區成形的構件大多都只能達到同牌號金屬鑄造的強度水平，雖然這已經能讓構件進入正常的應用領域，但顯然要承擔象飛機這樣的主要結構受力構件還是有很大限制的。

　　3D金屬打印零件表面還需進一步機械加工

　　直接金屬激光燒結DMLS技術因為直接用激光熔融金屬絲沉積，金屬本身是致密體重熔，不易產生粉末冶金那樣的成形時的空穴，這個技術生產的構件致密度 可達99%以上，接近鍛造的材料胚體，目前國際國內都主要利用這種技術制造高受力構件，它能達到同牌號金屬最高強度的90～95%左右的水平，接近一般鍛 造構件。

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

　　3D打印對飛機大型構件制造還存在問題

　　直接成形的金屬零件在生產過程中因為反復經受局部接近熔點溫度受熱，內部熱應力狀態復雜，在成形某些大型細長體，薄壁體金屬構件時，應力處理和控制還不能滿足要求，實際上到目前為止一直影響3D打印在航空業的應用也正是因為這個原因。

　　美國從1992年開始就不斷利用這類技術希望能夠直接生產飛機用的大型框架，粱絎，整體壁板等，正是因為應力復雜，大型構件成形過程中或成形后會產生 嚴重變形，嚴重到無法使用。所以3D打印技術盡管很早就出現了，但國外航空工業界還持有相當的保守態度也是有原因的。