增材关键技术专业资料.doc

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 ) 专业术语是“增材制造” ( Additive Manufacnuing )。其技术内涵是通过数字化增长材料方式实现构造件制造。增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是指基于离散-堆积原理，采用材料逐渐累加办法制造实体零件技术，相对于老式材料去除切削加工技术，是一种“自下而上”制造办法。诞生于上个世纪八十年代末期增材制造技术:1i制造技术原理改革命性突破，它形成了最能代表信息化时代特性制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性化产品制造方式最大限度地满足无限丰富个性化需求。近二十年来，AM技术获得了迅速发展，“迅速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三维打印（3D Printing）”、“实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）”之类各异叫法分别从不同侧面表达了这一技术特点。 工业化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迅速自由成形制造新技术，如图10.1所示，它综合了计算机图形解决、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优势，学者们对其有各种描述。西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东专家称这种新技术为“数字化增材制造”，中华人民共和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“三维打印”技术一种。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”新技术。图10.1工业化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”增材制造概念（如图10.2所示），“狭义”增材制造是指不同能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料技术体系；而“广义”增材制造则以材料累加为基本特性，以直接制造零件为目的大范畴技术群。如果按照加工材料类型和方式分类，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 增材制造核心技术（1） 材料单元控制技术。 如何控制材料单元在堆积过程中物理与化学变化是一种难点。例如金属直接成型中，激光熔化微小熔池尺寸和外界氛围控制直接影响制造精度和制件性能。（2） 设备再涂层技术。 增材制造自动化涂层是材料累加必要工序，再涂层工艺办法直接决定了零件在累加方向上精度和质量。分层厚度向0.01mm发展，控制更小层厚及其稳定性是提高制件精度和减少表面粗糙度核心。（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钛合金框睴构造件，框睴构造件长度可达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一致性和制造结合区域质量是发展难点。此外，为提高效率，增材制造与老式切削制造结合，发展材料累加制造与材料去除制造复合制造技术办法也是发展方向和核心技术。10.1.4 增材制造技术优势AM技术不需要老式刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可迅速精密地制造出任意复杂形状零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂构造零件成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。并且产品构造越复杂，其制造速度作用就越明显。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家纷纷制定了发展和推动增材制造技术国家战略和规划，增材制造技术已受到政府、研究机构、公司和媒体广泛关注。英国政府自开始持续增大对增材制造技术研发经费。此前仅有拉夫堡大学一种增材制造研究中心，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，参加机构涉及拉夫堡大学、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、研究机构及公司。3月，美国白宫宣布了振兴美国制造新举措，将投资10亿美元协助美国制造体系改革。其中，白宫提出实现该项筹划三大背景技术涉及了增材制造，强调了通过改进增材制造材料、装备及原则，实现创新设计小批量、低成本数字化制造。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14所大学、40余家公司、11家非营利机构和专业协会。除了英美外，其她某些发达国家也积极采用办法，以推动增材制造技术发展。德国建立了直接制造研究中心，重要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中构造轻量化方面应用；法国增材制造协会致力于增材制造技术原则研究；在政府资助下，西班牙启动了一项发展增材制造专项，研究内容涉及增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容；澳大利亚政府于2月宣布支持一项航空航天领域革命性项目“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；日本政府也很注重增材制造技术发展，通过优惠政策和大量资金勉励产学研用紧密结合，有力增进该技术在航空航天等领域应用。10.2.2 国内发展状况大型整体钛合金核心构造件成形制造技术被国内外公以为是对飞机工业装备研制与生产具备重要影响核心核心制造技术之一。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大型零件及难拆卸零件原位修复和再制造。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构造，飞机零件重要是整体毛坯件和整体薄壁构造件，老式成形办法非常困难。商飞决定采用先进激光立体成形技术来解决C919飞机大型复杂薄壁钛合金构造件制造。西北工大采用激光成形技术制造了最大尺寸达2.83m机翼缘条零件，最大变形量1mm，实现了大型钛合金复杂薄壁构造件精密成形技术，相比既有技术可大大加快制造效率和精度，明显减少生产成本。北航在金属直接制造方面开展了长期研究工作，突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型整体核心构件激光成形工艺、成套装备和应用核心技术，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查核心技术，飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件，已研制生产出了国内飞机装备中迄今尺寸最大、构造最复杂钛合金及超高强度钢等高性能核心整体构件，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迅速成型（SL）技术为主，于1997年研制并销售了国内第一台光固化迅速成型机；并分别于、成立了教诲部迅速成形制造工程研究中心和迅速制造国家工程研究中心，建立了一套支撑产品迅速开发迅速制造系统，研制、生产和销售各种型号激光迅速成型设备、迅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，成为具备国际竞争力迅速成型设备制造单位。复合材料构件是航空制造技术将来发展方向，西安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大型复合材料构件高效率绿色制造办法，可使制造过程能耗减少70%，节约原材料15%，并提高了复合材料成型制造过程可控性、可重复性，为国内复合材料构件绿色制造提供了新自动化制造办法与工艺。国内在电子、电气增材制造技术上获得了重要进展，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既有增材技术之上一种绿色环保型电路成型技术，有别于老式二维平面型印制线路板。老式印制电路板是电子产业粮食，普通采用老式非环保减法制造工艺，即金属导电线路是蚀刻铜箔后形成，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。此类技术与激光分层制造增材制造相结合一种途径是：在SLS（激光选取性烧结）粉体中加入特殊组份，先3D打印（增材制导致型）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应用“立体电路制造工艺”涉及SLS+LDS技术是国内本土公司创造制造工艺，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、后解决化学药水等核心要素。当前立体电路技术已经成为高品位智能手机天线重要制造技术，产业界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应用10.2.3 增材制造发展方向（1） 向寻常消费品制造发展 三维打印技术是国外近年来发展热点。该设备称为三维打印机，将其作为计算机一种外部输出设备而应用。它可以直接将计算机中三维图形输出为三维塑料零件。在工业造型、产品创意、工艺美术等领域有着辽阔应用前景和巨大商业价值。（2） 向功能零件制造发展 向功能零件制造发展涉及复杂零件精密锻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，逐级堆积金属，形成金属直接成型技术。该技术可以直接制造复杂构造金属功能零件，制件力学性能可以达到锻件性能指标。进一步发展方向是陶瓷零件迅速成型技术和复合材料迅速成型技术。（3） 向组织与构造一体化制造发展。 实现从微观组织到宏观构造可控制造。将来需要解决核心技术涉及精度控制技术、大尺寸构件高效制造技术、复合材料零件制造技术。 AM技术发展将有力地提高航空制造创新能力，支撑国内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构造设计制造同步完毕，从而实现构造体“设计材料制造”一体化。美国已经开展了梯度材料构造人工关节，以及陶瓷涡轮。10.2.4 3D打印技术发展前景最早3D打印技术浮现于上世纪80年代美国，但是由于材料和机器极其昂贵，3D打印并没有大范畴应用。近年来，随着3D打印材料多样化发展以及打印技术革新，3D打印不但在老式制造行业体现出非凡发展潜力，更延伸至食品制造、服装奢侈品生产、影视传媒以及教诲等各种与人们生活息息有关领域。简朴来讲，3D打印机是运用光固化和纸层叠等技术迅速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相似，打印机内装有“打印材料”，通过成型设备把“打印材料”以叠加方式制成实物模型。世界上第一台3D打印机诞生于1986年，由美国人Charles Hull创造，她成立3D Systems是世界上第一家生产3D打印设备公司，所采用技术被称为“立体光刻技术”，运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。到当前，3D Systems已经和Stratasys公司一起，成为了全球最知名3D打印机两巨头，她们去年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、医疗等各种领域。据简介，3D打印就是迅速成型技术一种，它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层多层打印方式，最后可以直接打印出产品，形成“数字化制造”。一种机械零件，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备无可比拟优势。卢秉桓简介，老式飞机制导致本高，切削加工要去除95%以上材料，3D打印技术则运用金属粉末只打印必须某些，不挥霍一点儿金属，节约了材料。与老式制造办法相比，3D打印制造出零件更轻，可以实现构造、型面复杂多样，并且都是自然无缝连接，构造之间稳固性和链接强度要远远高于老式办法。“老式飞机制造、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，当前一种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打印制造一架飞机机身，粗略估算也就需要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，为飞机构造创新设计提供了很大空间，可实现飞机迅速研发和迅速小批量制造。 图10.6 (a) 国内3D打印无人飞机假象图(b) 空客（Airbus）将于2050由3D打印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寻常物品制作方式，从乐高积木到吉她，从汽车车身到人工肝脏。但如果“打印机”自身可以等比例放大到足以打印像飞机那样大物体，那么3D打印所引起变革规模还更大。空客机舱检查师巴斯蒂安谢弗过去两年来始终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巨型3D打印机制造，这听起来像痴人说梦，由于如今最大3D打印机但是餐桌那么大，但是谢弗设计是有规划：从当前用3D打印技术制造某些小部件，到2050年左右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？空客母公司欧洲宇航防务集团已经在使用一种称为“加层制造”工艺来制造飞机，由于这不但能减少成本，与老式制造办法相比更可使各部件重量轻65%，谢弗概念飞机极为复杂，需要各种全新创造办法，从弧形机身到仿生构造，再到能让乘客一览蓝天白云透明蒙皮，如图10.6所示。说起这个尚有待制造3D打印机，谢弗表达“它尺寸大概要有8080米”，“这应当是可行”。3D打印技术存在已有段时间了，许多创新者以非凡方式推动了它发展。扩大了3D打印机规模所面临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（空客）设计师正筹划从飞机零件开始，在2050年前达到3D打印飞机筹划。这一筹划耗资不菲，但相较于老式飞机制造，3D技术制造飞机重量轻了65%，大幅缩减造作成本。该公司还称今年年终，空客会在A380客舱里先使用3D打印行李架，而其生产军用飞机“台风”式战斗机，此前已经使用了3D打印空调系统。在医疗健康方面，3D打印技术已经开始拥有更多实际应用。两岁艾玛患先天性多关节痉挛症，这种疾病症状为四肢不能伸直，肌肉僵硬，普通成年患者会佩戴金属机械臂以协助手臂活动，但刚满两岁她由于太小，无法佩戴市面上生产金属机械臂。两名美国科学家别出心裁地想到了3D打印机，她们承诺将使用机械臂按比例缩小，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机械臂，当前艾玛可以戴着这种机械臂自由活动双手。据悉，当前已有15名患先天性多关节痉挛症小朋友戴上了这种机械臂。随着她们成长，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，但愿能把3D打印技术推广到过去未曾涉足新领域。在电脑上调节好设计之后，就能在无需重新整装机器、无需建设新工厂状况下制造产品。这种基本研究成果正是基于这一想法，当你还可以打印一件东西时候，为什么还要费劲制造它？当前，英国经济学人已经开始将它视作“与其她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打印为代表第三次工业革命，以数字化、人工智能化制造与新型材料应用为标志。她直接体现就是工控计算机、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，工业机器人足以在诸多方面代替流水线上工人。但是，要真正走入大众主流视野，3D打印还面临至少三方面考验：一是3D打印材料可用性；二是成本居高不下；三是知识产权保护问题。有关数据记录，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0.02%，但有业内人士预测，到之前，3D打印机将可以从事小规模生产，制造过去劳动密集型工艺品和商品。过去一年，从器官到鲜肉、再到房子、飞机，从某种意义上说，只要3D打印使用耗材足够广泛，她就能创造无限也许。10.3 增材制造技术应用通过20近年发展，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过程，发展十分迅猛。美国专门从事增材制造技术征询服务Wohlers协会在报告中，对各行业应用状况进行了分析。在过去几年中，航空零件制造和医学应用是增长最快应用领域。产能规模将增长25%至21.4亿美元，将达到60亿美元。增材制造技术正处在发展期，具备旺盛生命力，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材料和工艺结合形成了许多增材制造设备，当前已有设备种类达到20各种。这一技术一浮现就获得了迅速发展，在各个领域都得到了广泛应用，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应用。增材制造技术应用，为许多新产业和新技术发展提供了迅速响应制造技术。在生物假体与组织工程上应用，为人工定制化假体制造、三维组织支架制造提供了有效技术手段。为汽车车型迅速开发和飞机外形设计提供了原型迅速制造技术，加快了产品设计速度。例如，国外增材制造技术在航空领域应用量已超过8，而国内应用量则非常低。 美国专门从事增材制造技术征询服务Wohlers协会在报告中，对各行业应用状况进行了分析。其中，消费商品和电子领域仍占主导地位，但是比例却从23.7%减少到20.6%；机动车领域从19.1%减少到17.9%；研究机构为7.9%；医学和牙科领域从13.6%增长到15.9%；工业设备领域为12.9%；航空航天领域为9.9%。在过去几年中，医学和牙科是迅速成形制造技术第三大应用领域。10.3.2 航空领域激光立体成形技术最初重要应用领域是航空、航天等高科技领域，成形材料也重要涉及钛合金、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不断深化，以及激光材料加工技术直接成本不断减少，激光立体成形技术开始逐渐应用于汽车工业、模具设计与制造、医学等更辽阔领域。图10.7为激光立体成形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激光立体成形，解决了老式工艺长期难以解决制造难题，并明显改进了发动机零件之间热性能匹配。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、安全高效低成本运营等苛刻服役条件对飞行器构造设计、材料和制造提出了更高规定。轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、构造功能一体化以及低成本运营成为构造设计、材料应用和制造技术共同面临严峻挑战，这取决于构造设计、构造材料和当代制造技术进步与创新。图10.8为采用“3D”打印技术制造飞机零件。图10.8“3D”打印技术制造飞机零件（1）增材制造技术可以满足航空武器装备研制低成本、短周期需求。 随着技术进步，为了减轻机体重量，提高机体寿命，减少制导致本，飞机构造中大型整体金属构件使用越来越多。大型整体钛合金构造制造技术已经成为当代飞机制造工艺先进性重要标志之一。美国F-22后机身加强框、F-14和“狂风”中央翼盒均采用了整体钛合金构造。大型金属构造老式制造办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装备较为稀缺，高昂模具费用和较长制造周期仍难满足新型号迅速低成本研制需求；此外，某些大型构造还具备复杂形状或特殊规格，用锻造办法难以制造，而增量制造技术对零件构造尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、复杂型腔等特殊构造。除了大型构造，尚有某些具备极其复杂外形中小型零件，如带有空间曲面及密集复杂孔道构造等，用其她办法很难制造，而用高能束流选区制造技术可以实现零件净成形，仅需抛光即可装机使用。老式制造行业中，单件、小批量超规格产品往往成为制约整机生产瓶颈，通过增量制造技术可以实现以相对较低成本提供此类产品。据记录，国内大型航空钛合金零件材料运用率非常低，平均不超过10%；同步，模锻、锻造还需要大量工装模具，由此带来研制成本上升。通过高能束流增量制造技术，可以节约三分之二以上材料，数控加工时间减少一半以上，同步不必模具，从而可以将研制成本特别是首件、小批量研制成本大大减少，节约国家宝贵科研经费。通过大量使用基于金属粉末和丝材高能束流增材制造技术生产飞机零件，从而实现构造整体化，减少成本和周期，达到“迅速反映，无模敏捷制造”目。随着国内综合国力提高和科学技术进步，为了缩小与发达国家差距，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构造迅速成形直接制造技术。（2）增材制造技术有助于增进设计-生产过程从平面思维向立体思维转变。 老式制造思维是先从使用目形成三维构想，转化成二维图纸，再制导致三维实体。在空间维度转换过程中，差错、干涉、非最优化等现象始终存在，而对于极度复杂三维空间构造，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依然不能完全推表演实际构造装配特性、物理特性、运动特性等诸多属性。采用增量制造技术，实现三维设计、三维检查与优化，甚至三维直接制造，可以挣脱二维制造思想束缚，直接面向零件三维属性进行设计与生产，大大简化设计流程，从而增进产品技术更新与性能优化。在飞机构造设计时，设计者既要考虑构造与功能，还要考虑制造工艺，增材制造最后目的是解放零件制造对设计者思想束缚，使飞机构造设计师将精力集中在如何更好实现功能优化，而非零件制造上。在以往大量实践中，运用增量制造技术，迅速精确地制造并验证设计思想在飞机核心零部件研制过程中已经发挥了重要作用。另一种重要应用是原型制造，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）增材制造技术可以改造既有技术形态，增进制造技术提高。运用增量制造技术提高既有制造技术水平典型应用是锻造行业。运用迅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高；运用迅速制模技术可以三维打印出用于金属制造砂型，大大提高了生产效率和质量。在锻造行业采用增量制造迅速制模已渐成趋势。 总之，3D打印技术其实离生活非常近，不但仅是打印立体照片，在医学上也得到应用，例如植入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钛合金关节。10.3.3 在航空航天应用实例(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年以来潜心研究，已奠定了坚实科学理论基本，用大量创造专利和详实实验数据证明了其技术上可用性，用已经达到世界先进水平和中华人民共和国唯一商用化装备技术保证了其实行可行性，在航空、航天、机械、医学等领域大量应用案例激发了科技界和工业界强烈兴趣。然而，相对大飞机应用需求，这些都还只是促使中华人民共和国商飞下决心应用激光立体成形技术“基本”。要在大飞机上真正应用一项新技术，还要跨过诸多关口。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直接根据。 凝固技术国家重点实验室，是国内3D打印技术研发最出众单位之一，重要发展名为“激光立体成形”3D打印技术。该技术通过激光融化金属粉末，几乎可以“打印”任何形状产品。其最大特点是使用材料为金属，“打印”产品具备极高力学性能，能满足各种用途。“随着航空航天技术发展，零件构造越来越复杂，力学性能规定越来越高，重量却规定越来越轻，通过老式工艺很难制造。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打印技术在航空领域应用典型。据简介，中央翼缘条长达3m，如图10.9所示，是大型钛合金构造件，作为机翼核心部件，以国内既有制造能力无法满足需求，如果向国外采购，势必影响大飞机国产化率。西北工业大学与中华人民共和国商用飞机有限公司合伙，应用激光立体成形技术解决了C919飞机钛合金构造件制造问题。“激光立体成形制导致本与国外锻压制导致本差不多，最重要是形成了具备自主知识产权特色新技术。”这项技术在航空航天发动机等核心部件制造上也得到了运用。西北工业大学3D打印技术对零部件修复也独树一帜。航空航天零件构造复杂、成本高昂，一旦浮现瑕疵或缺损，只能整体更换，也许导致数十万、上百万元损失。通过3D打印技术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后性能不受影响，大大节约了时间和金钱。 图10.9 采用“3D”打印构件(a)采用3D打印制造3米长C919飞机钛合金部件；(b)采用3D打印“打印”钛合金镂空球体；(c)采用3D打印制造无人飞机，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构造件制造技术难题，钛合金应用量是当代飞机先进性一种代表性指标，国内在大型钛合金构造件制造技术能力上同欧美相比尚有很大差距，在满足C919飞机需求方面还存在严重技术困难。在这个核心时刻，西北工业大学在大型钛合金构造件激光立体成形技术方面所获得成就，寄但愿于采用这项先进新技术来解决大飞机制造中面临困难，同步形成中华人民共和国大飞机制造具备自主知识产权特色新技术。当前，中华人民共和国商用飞机有限公司已筹划采用激光成形技术制造C919大飞机大型钛合金构造件，不久将用于大型商用飞机，这是绝对安全性规定技术上高度可靠性，容不得技术上有任何含糊，因而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激光成形设备可成形最大零件是1.2m，而中华人民共和国商飞规定制造最大钛合金构造件接近3m，设备尺寸和激光器功率都必要大大扩展。第一种近3mC919飞机中央翼缘条非常美丽地成形出来。成品在放置了一种月之后，最大变形量不大于0.8mm，成形精度和变形控制都达到了极高技术水平。在C919飞机制造中应用激光立体成形新技术，没有了技术上障碍。航空航天和大型机械装备核心零件高性能修复，是激光立体成形技术又一种重要应用领域。在飞机零件加工过程中，不可避免经常由于各种因素形成零件缺陷而导致报废，由于飞机核心零件对性能可靠性规定极高，因而普通不容许修复使用。某些大型零件价格往往上百万元或数百万元，其报废导致经济损失极为高昂。更为要紧是，有核心零件加工周期很长，重新制造将需要很长时间，往往引起飞机研制进度迟延。因而，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。成飞迅即立项，委托实验室研究飞机大型核心零件激光修复。由于激光修复技术价值已得到证明，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她们重要产品专门研制激光修复设备，其中有设备可以修复数米大飞机零件。先进技术离不开装备支持，技术成熟性最后要以工艺和装备完整性和成套性来体现。从最初只是研制实验室必不可少装备，到提供工业公司商用。研制出国内首套商用LSF-型激光立体成形制造装备，迄今已为中华人民共和国航天科工集团、西安航空发动机公司、成都飞机制造公司等5家国内外公司提供商用激光立体成形与修复再制造装备。当前国际上可以提供产业使用激光立体成形装备代表性公司有美国Optomec公司，POM公司，德国Trumpf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当前80%以上居于国际前沿先进装备是自主研发出来。激光立体成形装备毕竟与老式凝固装备不同，特别是涉及到了激光器精准控制、零件三维造型和剖分、环境氛围精准控制、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规定。对于激光立体成形材料送进系统，一方面规定必要具备充分送粉量，这规定送粉管不能太细，另一方面还规定送出粉末流直径要和激光束斑直径相称，并精确投射到激光形成小熔池中，以保证沉积效率、成形几何和表面精度。最初采用热喷涂送粉喷嘴，送粉量足够，但是送出粉末流直径达到了近10mm，近来粉末流直径已从近10mm降到了近1mm，大大提高了送进系统粉末汇聚性和流量稳定精度，使采用该送粉喷嘴制备零件成形精度和表面光洁度达到了国际先进水平。当前，已解决涉及过程监测和反馈控制系统、氛围控制系统、成形CAPP/CAM及集成控制软件等核心问题。所研制装备可以实现各种金属材料，涉及高活性钛合金、锆合金和铝合金复杂构造零件无模具、迅速、近净成形以及修复再制造。(2) 中华人民共和国初次用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构造件激光直接制造技术领域也获得令人瞩目成绩，并且在航空航天装备应用中获得了重要突破。1) 从“减法”到“加法”实现质奔腾高性能金属构件激光成形技术是以合金粉末为原料，通过激光熔化逐级堆积(生长)，从零件数模一步完毕高性能大型复杂构件“近净成形”。这一技术1992年在美国一方面提出并迅速发展。由于高性能金属构件激光成形技术对大型钛合金高性能构造件短周期、低成本成形制造具备突出优势，在航空航天等装备研制和生产中具备辽阔应用前景，受到政府和业界高度关注。从老式大型钛合金构造件制造办法，如整体锻造、切削技术，到这种新型激光直接制造技术，实现了加工技术由“减法”到“加法”质奔腾。采用整体锻造等老式办法制造大型钛合金构造件，是一种做“减法”过程，零件加工除去量非常大。例如，美国F-22飞机中尺寸最大Ti6Al4V钛合金整体加强框，所需毛坯模锻件重达2796公斤，而实际成形零件重量局限性144公斤，材料运用率不到4. 90%，这势必导致大量原材料损耗。与此同步，在锻造毛坯模锻件过程中会消耗大量能源，也减少了加工制造效率。并且老式办法对制造技术及装备规定高，普通需要大规格锻坯加工及大型锻造模具制造、万吨级以上重型液压锻造装备，制造工艺相称复杂，生产周期长、制导致本高。相较于老式大型钛合金构造件整体锻造，激光直接制造是一种做“加法”加工技术，重要用高功率激光束对粉末丝材进行熔化，往上堆积，实现材料逐级添加，直接依照构件CAD模型一次加工成形。激光直接制造得到零件微观组织很细，力学性能较好，也可以实现各种材料锻造。综合来讲，这种技术优势重要体现为：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、材料运用率高、生产周期短；加工过程实现构造件“近净成形”，只需一步完毕；加工设计灵活度高，可以实现特殊功能零部件“原位”锻造；所制备零件具备优秀综合力学性能等。这样就大大减少了制导致本，提高了制造效率与加工质量。大型钛合金构造件激光直接制造技术的确是一种带有变革性，短流程、低成本数字化制造技术，其被国内外公以为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具备重要影响核心核心制造技术之一。2) 产学研相结合助力“近净成形”构造件飞上蓝天正是大型钛合金构造件激光直接制造技术所具备短流程、低成本特性和辽阔应用前景，引起了国内高度关注。从起，国内钛合金构造件激光迅速成形技术研究开始受到有关科技管理部门高度注重，总装备部、国防科工局、国家自然科学基金委员会、国家“973”筹划、国家“863”筹划等重要科技研究筹划，均将钛合金激光直接成形制造技术作为重点项目予以持续资助。采用“产学研”相结合方式，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伙，通过持续十几年艰辛努力，在突破飞机钛合金小型次承力构造件激光迅速成形及应用核心技术基本上，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、技术原则建立及应用核心技术，使国内成为迄今国际上唯一实现激光成形钛合金大型主承力核心构件在飞机上实际应用国家。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瓶颈，在飞机钛合金大型整体主承力构造件激光迅速成形工艺研究、工程化成套装备研发与装机应用核心技术攻关等方面获得了突破性进展，有效解决了激光迅速成形钛合金大型整体主承力构造件变形开裂防止、凝固组织和内部缺陷控制等问题。详细技术突破涉及几种方面： “热应力离散控制”办法，为解决大型钛合金主承力构造件激光迅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；另一方面创造了激光迅速成形双相钛合金特种热解决新工艺，获得了综合力学性能优秀显微组织新形态，使激光迅速成形钛合金综合力学性能得到明显提高，为提高飞机等钛合金主承力构件使用安全性和损伤容限性能找到了一种新解决办法；再次，突破了激光迅速成形TA15钛合金大型构造件内部缺陷和内部质量控制及其无损检查核心技术，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目。7月某科研团队成功实现激光迅速成形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构造件在3种飞机上装机应用，零件材料运用率提高了5倍、周期缩短了2/3、成本减少了1/2以上；制造出了迄今世界尺寸最大飞机钛合金大型构造件激光迅速成形工程化成套设备，其零件激光融化沉积真空腔尺寸达4000mm3000mmmm；运用激光迅速成形技术制造出国内自主研发大型客机C919主风挡窗框，在此之前只有欧洲一家公司可以做，仅每件模具费就高达50万美元，运用激光迅速成形技术制作零件成本不及模具1/10；运用激光直接制造C919中央翼根肋，老式锻件毛坯重达1607kg，美国使用3D打印技术制造小型钛合金零件成形技术制造精坯重量仅为136kg节约了91.5%材料，并且通过性能测试，其性能比老式锻件还要好。当前制约大型钛合金构造件激光直接制造技术进一步发展重要问题，依然是激光成形过程“内应力控制及零件变形开裂防止”、“内部质量保障及力学性能控制”、“技术原则体系”等瓶颈难题，这些难题存在是由于该技术发展时间还不长，各方面研究工作仍处在摸索阶段；对于该技术核心性基本问题研究和把握不够，涉及大型金属构件激光迅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。只有夯实基本，才干稳步迈进；惟有理清大型钛合金构造件激光成形技术内部机理，才干让“近净成形”构造件飞得更高。10.3.4高性能激光修复 由于激光立体成形逐点增材制造特性，只要把缺损零件看作一种特殊基材，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恢复。由于激光能量在功率密度和时空分布上可控性远远高于其她能源，因而可以最大限度地减小修复加热过程对被修复零件带来负面影响，如变形、热影响区等等。特别是老式上对于不同技术制造零件进行修复时，由于制造工艺和老式修复工艺普通差别很大，因而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普通会有所下降。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，因而可以通过控制修复区成分、组织而使修复区与零件本体性能保持高度一致，从而实现高性能匹配修复。 高性能修复一大难题是热解决限制，已修复损伤零件不能同制造新件同样自由拟定热解决工艺，使得修复区金属材料难以通过热解决来调节其性能。针对这一难题，西北工业大学重点研究了如何在激光沉积态获得高性能，并对各种合金，达到了在激光沉积态实现锻件力学性能目的，零件修复完毕后只需做恰当退火热解决消除应力，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激光成形修复。图10.12为激光成形修复汽轮机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基本上，通过对零件在修复中局部应力及变形控制，实现了零件几何性能和力学性能良好修复。图10.10 激光成形修复损伤叶片（a）高温合金叶片,（b）钛合金叶片图10.11 激光成形修复误加工或有缺陷零件（a）钛合金接头,（b）钛合金机匣，（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增材制造技术为锻造业带来机遇 增材制造技术为锻造业带来机遇重要有如下几方面：10.4.1 迅速制造锻造模型增材制造技术为锻造业带来益处