【解析】國(guó)外高能束增材制造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與最新發(fā)展

3D打印是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的高端數(shù)字化制造技術(shù)。其中以激光束、電子束為能量源的高能束增材制造技術(shù)是該技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，該類技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外都非常重視。  增材制造技術(shù)的共同特點(diǎn)是：容易實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化制造，尤其適合難加工材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的研制生產(chǎn)；原材料利用率高，符合綠色制造理念；增材制造后的性能及質(zhì)量?jī)?yōu)越，有時(shí)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重；無(wú)需借助刀具和模具就可以直接制造出產(chǎn)品，響應(yīng)速度快。  美國(guó)政府及歐盟都已通過(guò)政府資助、企業(yè)R＆D資金等方式投入了大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，支持馬歇爾宇航 中心、波音、洛克希德-馬丁、通用電氣以及歐洲的EADS、羅爾-羅伊斯等為代表的大型航空航天軍工企業(yè)，采用“產(chǎn)、學(xué)、研”的方式進(jìn)行增材制造技術(shù)的研究應(yīng)用工作，并已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。  

  
國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀   
金屬材料增材制造技術(shù)是在航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵件研制需求的牽引下誕生的，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，增材制造經(jīng)歷了從萌芽到產(chǎn)業(yè)化、從原型展示到零件直接制造的過(guò)程，發(fā)展十分迅猛。  2012年8月，美國(guó)增材制造創(chuàng)新研究院成立，聯(lián)合了賓夕法尼亞州西部、俄亥俄州東部和弗吉尼亞州西部的14所大學(xué)、40余家企業(yè)，把航空航天應(yīng)用需求作為增材制造的優(yōu)先研究目標(biāo)。 作為美國(guó)制造業(yè)振興計(jì)劃項(xiàng)目的一部分，2012年8月美國(guó)政府高調(diào)宣布成立國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究院（NAMII）；2011年3月英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）在諾丁漢大學(xué)成立增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心；2013年1月歐空局（ESA）啟動(dòng)一項(xiàng)增材制造技術(shù)研究計(jì)劃；澳大利亞也制定了增材制造技術(shù)發(fā)展路線圖。  英國(guó)政府自2011年開(kāi)始持續(xù)增大對(duì)增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)中設(shè)有增材制造研究中心，參與機(jī)構(gòu)包括拉夫堡大學(xué)、伯明翰大學(xué)、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室、波音公司以及德國(guó)EOS公司等15家知名大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)。  

除了英美外，其它一些發(fā)達(dá)國(guó)家也積極采取措施，以推動(dòng)增材制造技術(shù)的發(fā)展。德國(guó)建立了直接制造研究中心，主要研究和推動(dòng)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應(yīng)用；法國(guó)增材制造協(xié)會(huì)致力于增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究；在政府資助下，西班牙啟動(dòng)了一項(xiàng)發(fā)展增材制造的專項(xiàng)，研究?jī)?nèi)容包括增材制造共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等四方面內(nèi)容；澳大利亞政府于2012年2月宣布支持一項(xiàng)航空航天領(lǐng)域革命性的項(xiàng)目“微型發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造技術(shù)”，該項(xiàng)目使用增材制造技術(shù)制造航空航天領(lǐng)域微型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，有力促進(jìn)該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。   

高能束增材制造技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀   
根據(jù)填充材料方式的不同，高能束增材制造可以分為預(yù)鋪粉和同步送粉或送絲兩種，結(jié)合激光、電子束兩種高能束能量源，預(yù)鋪粉的增材制造技術(shù)具體可分為激光選區(qū)熔化增材制造（SLM）技術(shù)以及選區(qū)電子束熔化增材制造（EBM）技術(shù)，同步送粉或送絲增材制造技術(shù)主要可分為激光熔化沉積（LMD）技術(shù)以及電子束熔絲沉積（EBFF）技術(shù)兩種。

激光選區(qū)熔化（SLM）制造技術(shù)  
激光選區(qū)熔化制造技術(shù)是將零部件CAD模型分層切片，采用預(yù)鋪粉的方式，掃描振鏡帶動(dòng)激光束在計(jì)算機(jī)控制下沿圖形軌跡掃描選定區(qū)域的合金粉末層，使其熔化并沉積出與切片厚度一致、形狀為零件某個(gè)橫截面的金屬薄層，直到制造出與構(gòu)件CAD模型一致的金屬零件。  SLM制造激光功率一般在數(shù)百瓦級(jí)，精度高（最高可達(dá)0.05mm）、質(zhì)量好，加工余量很小或無(wú)加工余 量。除精密的配合面之外，制造的產(chǎn)品一般經(jīng)噴砂或拋光等后續(xù)簡(jiǎn)單處理就可直接使用。適合中、小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件（尤其是復(fù)雜薄壁型腔結(jié)構(gòu)件）的高精度整體快速制造。  

2003 年底德國(guó)推出了世界上第一臺(tái)SLM 設(shè)備。近年來(lái)，德國(guó)EOS、Concept Laser、SLM Solutions、英國(guó)Renishaw等技術(shù)公司在激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)與設(shè)備方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。SLM設(shè)備采用的激光器幾乎都采用高光束質(zhì)量維護(hù)性好、光電轉(zhuǎn)化效率高的光纖激光器。  為了進(jìn)一步提高激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)的沉積效率，2012年11月，德國(guó)SLM-Solutions公司采用兩臺(tái)激光器/兩臺(tái)掃描振鏡組成激光選區(qū)熔化增材制造成形系統(tǒng)，設(shè)備成形尺寸范圍為500mm×280mm×325mm,兩臺(tái)激光掃描裝置可以單獨(dú)工作，也可以同時(shí)工作，能滿足大型復(fù)雜構(gòu)件的應(yīng)用需求。  在應(yīng)用方面，美國(guó)GE公司在各大型企業(yè)中率先成立金屬材料激光熔化增材制造研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并于2012年收購(gòu)了Morris 和RQM兩家專業(yè)從事SLM制造技術(shù)的公司。GE公司將在LEAP噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中采用SLM制造燃油噴嘴。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)19個(gè)燃油噴嘴。GE公司在未來(lái)三年內(nèi)預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)25000個(gè)燃油噴嘴，共計(jì)約10萬(wàn)個(gè)燃油噴嘴。     

美國(guó)NASA馬歇爾航天飛行中心的科學(xué)家和工程師們于2012年采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造了復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零部件樣件，用于“太空發(fā)射系統(tǒng)”重型運(yùn)載火箭。  NASA認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)可以極大地降低制造零件所需的時(shí)間，在一些情況下甚至將制造時(shí)間從數(shù)月降低至數(shù)周，提高了經(jīng)濟(jì)可承受性。由于不再需要把零部件焊接到一起，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提高，變得更加可靠，使整體火箭更加安全。NASA目前暫定在2017年第一次“太空發(fā)射系統(tǒng)”飛行試驗(yàn)中使用由激光選區(qū)熔化技術(shù)制造的零部件。  

2013年8月，NASA對(duì)SLM制造的J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器樣件進(jìn)行了熱試車，如圖1所示，結(jié)果表明SLM制造的零件可完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)零件的設(shè)計(jì)使用要求。  美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校太空發(fā)展探索團(tuán)隊(duì)用3D打印方法制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室組件（圖2）。相對(duì)于傳統(tǒng)制造方法，3D打印技術(shù)為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供一種全新的制造方法。


激光熔化沉積（LMD）制造技術(shù)  
LMD技術(shù)是采用同步輸送的金屬原料方法，按照CAD分層生成的圖形文件，逐層沉積出三維金屬零件實(shí)體的工藝過(guò)程。  LMD的主要特點(diǎn)是同軸送粉、光斑直徑大、激光功率大（數(shù)千瓦級(jí)）、粉末完全熔化、成形效率高，成形精度1～3mm。適用一般用于形狀相對(duì)復(fù)雜的大型金屬構(gòu)件毛坯的制備，零件在使用前需進(jìn)行加工，加工余量較大。  在美國(guó)能源部研究計(jì)劃支持下，Sandia及Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室率先發(fā)展出稱為L(zhǎng)ENS及LMD的技術(shù)，研究了不銹鋼、鎳基合金、鈦合金、難熔金屬等材料的組織及性能，并采用該項(xiàng)技術(shù)制造標(biāo)準(zhǔn)-3（SM3）導(dǎo)彈三維導(dǎo)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)中的錸零件，可降低50%的制造成本和制造周期，顯示出該技術(shù)在高性能金屬零件直接成形方面的優(yōu)勢(shì)。            

由于該技術(shù)在大型鈦合金結(jié)構(gòu)件直接成形方面的突出優(yōu)勢(shì)及其在飛機(jī)等裝備研究生產(chǎn)中的廣闊應(yīng)用前景，高性能鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光快速成形研究一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。  美國(guó)加利福尼亞先進(jìn)結(jié)構(gòu)研究院設(shè)計(jì)了一種MX3D機(jī)器人（圖3）用于大型結(jié)構(gòu)件制造，可實(shí)現(xiàn)大坡度結(jié)構(gòu)件的制造。      

AirBus公司的A300機(jī)型和A350XWB機(jī)型已經(jīng)開(kāi)始使用3D打印的零件，有些支架類零件可以減重30%～55%，節(jié)省大量地原材料。

電子束增材制造技術(shù)  
電子束增材制造是指利用計(jì)算機(jī)把零件的三維CAD模型進(jìn)行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，以高能量密度的電子束作為熱源，按照預(yù)定的加工路徑，在真空室內(nèi)熔化材料，逐層堆積，最終實(shí)現(xiàn)金屬零件成形的技術(shù)。  電子束增材制造主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)如下：在真空環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)處于高溫狀態(tài)的金屬材料的保護(hù)效果更好，不易氧化，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工；電子束容易達(dá)到幾十千瓦級(jí)功率輸出；零件綜合力學(xué)性能好，尤其對(duì)鈦合金材料制造的合金元素成分的保持性較好。

選區(qū)電子束熔化（EBM）制造技術(shù)  
研究選區(qū)電子束熔化制造技術(shù)較好的是瑞典Arcam公司，該公司掌握了EBM關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備專利。由于該技術(shù)在粉末近凈成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，電子束快速成形的研究在國(guó)外發(fā)展很快。美國(guó)北卡羅來(lái)納州大學(xué)、英國(guó)華威大學(xué)、德國(guó)紐倫堡大學(xué)、波音公司、美國(guó)Synergeering集團(tuán)、德國(guó)Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO
公司積極開(kāi)展了相關(guān)研究工作。 選區(qū)電子束熔化制造精度在0.3mm左右，電子束最大掃描速度可達(dá)7km/s，還可以實(shí)現(xiàn)多電子束同時(shí)掃描成形制造。
  
電子束熔絲（EBFF）制造技術(shù)  
電子束熔絲增材制造主要采用送絲的方式實(shí)現(xiàn)材料的添加。美國(guó)Sciaky公司開(kāi)發(fā)的電子束熔絲增材制造設(shè)備，如圖4所示。  電子束熔絲增材制造的功率可達(dá)幾十千瓦級(jí)，制造精度約2～4mm，對(duì)提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)大型工件的生產(chǎn)效率具有重要意義。    圖4  電子束熔絲增材制造設(shè)備   

復(fù)合材料增材制造技術(shù)
近幾年美國(guó)NASA非常重視復(fù)合材料增材制造技術(shù)，先后在國(guó)際空間站宇航員用工具以及衛(wèi)星巨型燃料箱的3D打印上取得了重要進(jìn)展。據(jù)報(bào)道，NASA計(jì)劃于2014年向國(guó)際空間站發(fā)射一臺(tái)3D打印設(shè)備用于宇航員工作用的非金屬材料工具以及生活用餐具（圖5）的現(xiàn)場(chǎng)制造，以取代額外的儀器及硬件。  

為了完善衛(wèi)星設(shè)計(jì)、提高衛(wèi)星載荷和有效利用空間，美國(guó)洛·馬公司對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造的一個(gè)重要變化 是巨型燃料箱（圖6）采用了3D打印技術(shù)。據(jù)報(bào)道該燃料箱長(zhǎng)約15英尺（約合4.572m），材料為聚碳酸酯，兩周的時(shí)間可以打印一件大型燃料箱。       圖5  3D打印的國(guó)際空間站非金屬材料工具及餐具      圖6  3D打印的衛(wèi)星大型燃料箱   

技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)   
1  激光束和電子束增材制造技術(shù)將會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展  
以激光束和電子束作為能量源的增材制造技術(shù)，二者各自特點(diǎn)的不同，都是先進(jìn)的增材制造技術(shù)，在航空、航天等國(guó)防科技工業(yè)領(lǐng)域?qū)��?huì)得到協(xié)調(diào)發(fā)展。

2  SLM技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)  
SLM工藝向近無(wú)缺陷、高精度、新材料成形方向發(fā)展
SLM制造精度最高，在鈦合金、高溫合金等典型航天材料復(fù)雜薄壁型腔構(gòu)件的高性能、高精度制造中具有一定的優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。根據(jù)目前檢索到資料，SLM離實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用仍然存在較多基礎(chǔ)問(wèn)題需要解決，未來(lái)需要在使用粉末技術(shù)條件、成形表面球化、內(nèi)部缺陷形成機(jī)理、組織性能與高精度協(xié)同調(diào)控等方面開(kāi)展深入的技術(shù)基礎(chǔ)研究。  SLM除在鈦合金、高溫合金材料上應(yīng)用外，還將向高熔點(diǎn)合金（如鎢合金、錸銥合金等）以及陶瓷材料方向應(yīng)用延伸。  

SLM裝備向多光束、大成形尺寸、高制造效率方向發(fā)展  
現(xiàn)有的單光束SLM成形設(shè)備的適用范圍較小，生產(chǎn)效率還較低，不能滿足較大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的整體制造。但從航空、航天型號(hào)需求來(lái)看，對(duì)較大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的需求比較迫切，因此未來(lái)SLM設(shè)備將會(huì)向多光束、大成形尺寸、高制造效率方向發(fā)展。

3  LMD技術(shù)的工程應(yīng)用將得到進(jìn)一步拓展和推廣
國(guó)內(nèi)歷經(jīng)十余年的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，解決了技術(shù)關(guān)鍵，并已實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)較成熟。LMD技術(shù)可以拓展用于“零件修復(fù)”。

4  電子束增材制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)��?huì)進(jìn)一步擴(kuò)大  
從目前掌握的資料來(lái)看，國(guó)際上從事EBM裝備制造廠商主要是瑞典的Arcam公司，該公司除了設(shè)備制造外，還掌握了鈦合金、鈦鋁合金等材料的EBM制造工藝，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，在航空領(lǐng)域也有少量的的應(yīng)用，電子束增材制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)��?huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。  

5  高能束增材制造設(shè)備研制將會(huì)進(jìn)一步商業(yè)化  
從國(guó)外的發(fā)展情況來(lái)看，對(duì)于每一項(xiàng)增材制造技術(shù)，都有一家或數(shù)家成熟的商業(yè)設(shè)備制造商，形成了系列化的增材制造裝備。同時(shí)，國(guó)外的設(shè)備制造商除了硬件設(shè)備制造外，還進(jìn)行了大量典型材料成形工藝與材料性能的研究，掌握典型材料成形工藝核心技術(shù)，形成較為完備的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。面對(duì)應(yīng)用需求的日益擴(kuò)大，高能束增材制造設(shè)備研制將會(huì)進(jìn)一步商業(yè)化。

作者：陳濟(jì)輪 , 楊潔 , 于海靜來(lái)源：《航天制造技術(shù)》


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