航空工業(yè)在上個世紀80年代就開始使用增材制造技術，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)展趨勢是，這一技術將在整個航空航天產業(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。
新一代飛行器不斷向高性能、高可靠性、長壽命、低成本方向發(fā)展，越來越多地采用整體結構，零件趨向復雜化、大型化，從而推動了增材制造技術的發(fā)展與應用。增材制造技術從零件的三維CAD 模出發(fā)，無需模具，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，同時也是滿足航空航天超規(guī)格、復雜金屬結構制造的關鍵技術之一。
電子束熔絲沉積成形
電子束熔絲沉積技術又稱為電子束自由成形制造技術（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，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時熔池按照t先規(guī)劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，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具有一些獨特的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）沉積效率高。電子束可以很容易實現(xiàn)數(shù)10kW 大功率輸出，可以在較高功率下達到很高的沉積速率（15kg/h），對于大型金屬結構的成形，電子束熔絲沉積成形速度優(yōu)勢十分明顯。
（2）真空環(huán)境有利于零件的保護。電子束熔絲沉積成形在10-3Pa真空壞境中進行，能有效避免空氣中有害雜質（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）內部質量好。電子束是“體”熱源，熔池相對較深，能夠消除層間未熔合現(xiàn)象；同時，利用電子束掃描對熔池進行旋轉攪拌，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，其超聲波探傷內部質量可以達到AA 級。
（4）可實現(xiàn)多功能加工?？梢愿鶕?jù)零件的結構形式以及使役性能要求，采取多種加工技術組合，實現(xiàn)多種工藝協(xié)同優(yōu)化設計制造，以實現(xiàn)成本效益的大化。
美國麻省理工學院的V.R.Dave等人早提出該技術并試制了Inconel 718 合金渦輪盤。2002年，美國航空航天局（NASA）蘭利研究的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技術，開展了微重力條件下的成形技術研究。同一時期，在海軍、空軍、國防部等機構支持下，美國Sciaky 公司聯(lián)合Lockheed Martin、Boeing 公司等也在同時期合作開展了研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造。成形鈦合金時，大成形速度可達18kg/h，力學性能滿足AMS4999 標準要求。Lockheed Martin 公司選定了F-35 飛機的襟副翼梁準備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預期零件成本降低30%~60%。據(jù)報道，裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35 飛機已于2013 年初試飛?007 年美國CTC公司領導了一個綜合小組，針對海軍無人戰(zhàn)斗機計劃，制定了“無人戰(zhàn)機金屬制造技術提升計劃”（N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program），選定電子束熔絲沉積成形技術作為未來大型結構低成本制造的方案。
中航工業(yè)北京航空制造工程研究所于2006年開始電子束熔絲沉積成形技術研究工作，開發(fā)了電子束熔絲沉積成形設備。開發(fā)的大的電子束成形設備真空室46m3，有效加工范圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯(lián)動，雙通道送絲。在此基礎上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強度鋼的力學性能，研制了大量鈦合金零件和試驗件。2012 年，采用電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國內飛機結構上率先實現(xiàn)了裝機應用。
激光直接沉積增材成形
激光直接沉積技術是在快速原型技術和激光熔覆技術的基礎上發(fā)展起來的一種制造技術。該技術是基于離散/ 堆積原理，通過對零件的三維CAD 模型進行分層p理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，在惰性氣體保護環(huán)境中，以高能量密度的激光作為熱源，按照預定的加工路徑，將同步送進的粉末或絲材逐層熔化堆積，從而實現(xiàn)金屬零件的直接制造與修復。
由激光在沉積區(qū)域產生熔池并高速移動，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。該技術只能成形出毛坯，然后依靠數(shù)控加工達到其凈尺寸，由于適合加工大型零件，送粉式的LENS技術在航空航天零件修復領域有著不可替代的作用。
激光直接沉積技術的特點如下：（1）無需模具；（2）適于難加工金屬材料制備；（3）精度較高，可實現(xiàn)復雜零件近凈成形；（4）內部組織細小均勻，力學性能優(yōu)異；（5）可制備梯度材料；（6）可實現(xiàn)損傷零件的快速修復；（7）加工柔性高，能夠實現(xiàn)多品種、變批量零件制造的快速轉換。
在我國，西安鉑力特的LSF設備就是這類技術的代表。除此之外，典型企業(yè)還有美國的OPTOMEC公司，法國BeAM公司，德國通快以及專為CNC機床公司提供增材制造包的HYBRID公司。
激光直接沉積技術是20世紀90 年代首先從美國發(fā)展起來的。1995 年，美國Sandia 國家實驗室開發(fā)出了直接由激光束逐層熔化金屬粉末來制造致密金屬零件的快速近凈成形技術。此后，Sandia 國家實驗室利用LENS 技術針對鎳基高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、工具鋼、鎢等多種金屬材料開展了大量的成形工藝研究。1997 年，Optomec Design 公司獲得了LENS 技術的商用化許可，推出了激光直接沉積成套裝備。1995 年，美國國防部研究計劃署和海軍研究所聯(lián)合出資，由約翰霍普金斯大學、賓州州立大學和MTS 公司共同開發(fā)一項名為“鈦合金的柔性制造技術”的項目，目標是利用大功率CO2 激光器實現(xiàn)大尺寸鈦合金零件的制造?；谶@一項目的研究成果，1997 年MTS 公司出資與約翰霍普金斯大學、賓州州立大學合作成立了AeroMet 公司。為了提高沉積效率并生產大型鈦合金零件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1~2kg/h。AeroMet 公司獲得了美國軍方及三大美國軍機制造商波音、洛克希德·馬丁、格魯曼公司的資助，開展了飛機機身鈦合金結構件的激光直接沉積技術研M，先后完成了激光直接沉積鈦合金結構件的性能考核和技術標準制定，并于2002 年在世界上率先實現(xiàn)激光直接沉積Ti-6Al-4V 鈦合金次承力構件在F/A-18 等飛機上的裝機應用。
自“十五”開始，在國家自然科學基金委員會、國家863 計劃、國家973 計劃、總裝預研計劃等國家主要科技研究計劃資助下，北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所等國內多個研究機構開展了激光直接沉積工藝研究、力學性能控制、成套裝備研發(fā)及工程應用關鍵技術攻關，并取得了較大進展。
C919大客翼身組合體大部段中的關鍵零部件鈦合金上、下翼緣條是由西安鉑力特激光成形技術有限公司使用金屬增材制造技術（3D打?。┧圃?，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，大大縮短了航空關鍵零部件的研發(fā)周期，實現(xiàn)了航空核心制造技術上一次新的突破。
電子束選區(qū)熔化成形
電子束選區(qū)熔化技術是指電子束在偏轉線圈驅動下按預先規(guī)劃的路徑掃描，熔化預先鋪放的金屬粉末；完成一個層面的掃描后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反復進行，層層堆積，直到制造出需要的金屬零件，整個加工過程均處于10-2Pa 以上的真空環(huán)境中，能有效避免空氣中有害雜質的影響。
電子束選區(qū)熔化技術特點如下：
（1）真空工作環(huán)境，能避免空氣中雜質混入材料。
（2）電子束掃描控制依靠電磁場，無機械運動，可靠性高，控制靈活，反應速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)實時調節(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±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，無需消耗保護氣體，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)熔化技術源于20世紀90 年代初期的瑞典，瑞典Chalmers 工業(yè)大學與Arcam 公司合作開發(fā)了電子束選區(qū)熔化快速成形（Electron BeamMelting，EBM）技術，并以CAD-to-Metal 。2003 年，Arcam 公司獨立開發(fā)了EBM設備。目前以制造EBM 設備為主，產品已成系列，兼顧成形技術開發(fā)。美國、日本、英國、德國、意大利等許多研究機構、工廠、大學從該公司購置了EBM 設備，CalRAM 公司、意大利Avio 公司等針對火箭發(fā)動機噴管、承力支座、起落架零件、發(fā)動機葉片等開展了大量研究，有的已批量應用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由于材料對電子束能量的吸收率高且穩(wěn)定，因此，電子束選區(qū)熔化技術可以加工一些特殊合金材料。
電子束選區(qū)熔化技術可用于航空發(fā)動機或導彈用小型發(fā)動機多聯(lián)葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋板結構、支座、吊耳、框梁、起落架結構的制造，其共同特點是結構復雜，用傳統(tǒng)方法加工困難，甚至無法加工。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)熔化設備是Arcam 公司的A2XX 型設備有效加工范圍為φ 350mm×380mm。
清華大學在國內較早開展了相關研究，并開發(fā)了裝備。近年來，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、北京艾康儀誠等單位利用Arcam 公司生產的設備開展了研究，涉及多牧?、医学?tau;玫攘煊頡Ｗ?007 年以來，在航空支撐及國防預研基金等項目支持下，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所針對航空應用開展了鈦合金、TiAl 合金的研究。開發(fā)了電子束準確掃描技術、精細鋪粉技術、數(shù)據(jù)處理軟件等裝備核心技術。針對飛行器結構輕量化需求。
激光選區(qū)熔化增材成形技術
激光選區(qū)熔化成形技術原理與電子束選區(qū)熔化技術類似，通過把零件3D 模型沿一定方向離散成一系列有序的微米量級薄層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接制造零件。利用該技術可以制造出傳統(tǒng)方法無法加工的任意形狀的復雜結構，如輕質點陣夾芯結構、空間n面多孔結構、復雜型腔流道結構等。在航空、航天領域，可用于制造火箭發(fā)動機燃料噴嘴、航空發(fā)動機超冷葉片、小型發(fā)動機整體葉輪、輕質接頭等，同時還可用于船舶、兵器、核能、電子器件、醫(yī)學植入等各個領域，具有廣泛的應用前景。相較于電子束選區(qū)熔化技術，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量。
激光選區(qū)熔化增材成形技術由激光選區(qū)燒結技術發(fā)展而來。20 世紀80 年代以來，經歷了低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點金屬粉末燒結、高熔點金屬粉末直接熔化成形等階段。激光選區(qū)燒結成形主要用于蠟模、砂模等制造，為精細鑄造提供模型。這種原型表面粗糙，疏松多孔，還需要經過高溫重熔或滲金屬填補孔隙等以后才能使用。隨著激光技術的發(fā)展以及高亮度光纖激光器出現(xiàn)，國內外金屬激光選區(qū)熔化增材成形技術發(fā)展突飛猛進。近幾年櫻⒐⒌鹿?、?uuml;?、脭r⑷鸕淶裙夥⒋錒蟻群罌狦H4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬復雜結構的激光選區(qū)熔化增成形設備，并開展應用基礎研究。國外R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等航空航天武器裝備已利用此技術開發(fā)商業(yè)化的金屬零部件。
需要關注的方面
增材制造技術以其與傳統(tǒng)去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速發(fā)展成了制造技術領域新的戰(zhàn)略方向。金屬零件的高能束流增材制造在航空航天領域的研究和應用也越來越廣泛，在制造技術發(fā)展的同時，也促進了結構設計思想的解放和提升，兩者的相互促進必將對未來飛行器制造技術領域造成深刻影響。隨著我國綜合國力的發(fā)展，包括航空在內的國防武器裝備的開發(fā)逐漸加速，增材制造技術迎來了高速發(fā)展的階段。
（1）內部質量和力學性能的均勻性、穩(wěn)定性和可靠性。
（2）與用戶的充分溝通，對于促進增材制造技術的應用十分重要。
（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，在進行應用技術開發(fā)時，需要選擇合適的應用對象。綜合考慮成本、效益與周期等因素，在航空領域。
由于增材制造所具有的很大靈活性，未來的飛機設計可以實現(xiàn)很大的優(yōu)化，曾經從4個角度來探索3D打印技術如何推動航空航天制造技術的發(fā)展。包括縮短交貨期、減輕零件重量、降低生產和運營成本、有利于環(huán)境保護。
－將來增材制造方式可以顯著改變目前航空零部件的庫存狀態(tài)。把設計圖紙輸入到打印機就可以快速制造出零部件將大大降低航空零部件的庫存。
－商用飛機的使用壽命在30年，而維護和保養(yǎng)飛機的原制造設備是非常昂貴的。根據(jù)空客，通過增材制造技術，測試和替換零部件可以在2周內完成。
－另外，不再需要保有大量的零部件以防飛機有維修需求，這些大量的零部件的生產也是十分昂貴和浪費資源的。當然，對于舊的機型，尤其是數(shù)據(jù)丟失的型號，保有原來的零部件還是需要的。
其他挑戰(zhàn)
另外，除了技術層面，增材制造在未來十年航空航天的需求與挑戰(zhàn)還很多，包括：
－當前的飛機制造商并不了解增材制造設備，也很難提出對設備如何升級的要求，下一步飛機制造商需要更多的參與到增材制造設備的開發(fā)中來。
－增材制造設備廠商要提高做工程的能力和提升材料專業(yè)度。當前增材制造設備廠商缺乏開發(fā)開發(fā)航空航天零部件的能力，缺乏開發(fā)質量跟蹤和控制設備的能力。增材制造設備廠商不能局限于做設備制造，而應該發(fā)展圍繞著增材制造、增材制造材料一系列的系統(tǒng)服務商的能力。
－增材制造設備廠商需要開源設備材料，雖然接受其他的材料會帶來競爭，但靈活性提高了才能使得航空航天制造商開發(fā)更多的應用。開源設備材料也會使得設備本身更容易受市場歡迎。
－軟件之間需要更好的銜接。目前脫節(jié)的地方很多，使得做出一個完整的零件過程變得磕磕絆絆，這不利于行業(yè)的績效。
－需要集成控制系統(tǒng)到增材制造設備里。目前市場上很少有系統(tǒng)的工具來監(jiān)測和跟蹤增材制造的過程，這導致需要大量的測試件，而且需要昂貴的后處理。
（資料來源于網(wǎng)絡-百度搜索）
