增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除－切削加工技術，是一種“自下而上”的制造方法。近二十年來，AM技術取得了快速的發展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三維打印(3D Printing )”、“實體自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”之類各異的叫法分別從不同側面表達了這一技術的特點。AM技術不需要傳統的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現了零件“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產品結構越復雜，其制造速度的作用就越顯著。 

   航空器生產是一個復雜的設計制造系統，其中各種零部件多達數萬個，設計與制造過程相互交錯，制造速度響應性直接制約飛機的研制和生產周期。AM技術直接由CAD 數據制成三維實體，使成本下降為數控加工的1/3～1/5，周期縮短為1/5～1/10。它能夠適應復雜結構和單件或小批量產品的制造，是目前國際航空制造技術的一個發展方向。 

   國外發展狀況 

   目前，通過將AM的原理與不同的材料和工藝相結合已形成了20多種AM設備，這一技術被廣泛應用于各個領域，如消費電子產品、汽車、航天航空、醫療、軍工、地理信息、藝術設計等領。美國Wohlers協會統計，在快速成型技術應用的產業領域中，航空航天領域應用從2003年的7%增加到了2011年的9.9%。該領域應用最為廣泛的是航空零部件的快速制造，包括快速精鑄技術、金屬直接制造零部件、風洞模型的制造。這些技術可以有效提高飛機設計與制造速度，促進航空航天新產品的研發。 

   國外主要的航空企業都在應用AM技術研制新型航空器。例如，美國軍用和商用航空發動機制造商Sundstrand公司使用AM技術為一個新型燃氣輪發動機的進風口外殼（高250mm、直徑為300mm、壁厚僅1.5mm）制作原型（圖1），節省了4個多月的加工制造時間和超過8.8萬美元的費用。美國波音公司用快速成型技術制造飛機的一些復雜結構體，如用光固化原型鑄造的駕駛員座艙系統和隔扇控制閥。空客公司在一些非關鍵零部件上采用了AM技術來制造，包括A380飛機上的零部件。在復雜的航空零部件設計方面也有非常多的用途，例如在設計航空發動機渦輪葉片時，使用快速成型技術制造葉片，評價氣膜孔的冷卻效果。 

   金屬直接制造是一個主要的發展趨勢，國外在這方面開展了大量的研究工作，在航空零部件制作上取得了很好的應用。德國弗勞恩霍夫激光技術學會于2010年4月報道，航空發動機引擎中的葉片可以用激光直接制造技術快速制造Inconel 718 鎳基高溫合金葉片。未來更進一步的發展是“控形控性一體化”發展，即在制造外形的同時，控制組織尺寸和方向，以獲得性能良好的組織。2009年POM公司與密歇根大學聯合報道可以用直接金屬成形工藝來制造渦輪葉片，提出了一種在工藝中控制葉片組織的方法，該系統利用感應線圈加熱成形過程中的葉片，控制葉片各部位溫度梯度，以獲得定向晶組織。 

    美國空軍研究實驗室利用AM技術制造了全樹脂的E-8C預警機全機剛性模型。該研究小組利用快速成型技術在加工上的靈活性，制造了有/無雷達整流罩、有/無尾舵偏角、有/無翼稍小翼的系列模型，同時AM技術良好的制造精度也保證了系列模型之間的實驗數據對比性，通過該系列模型的風洞實驗數據，為后續的研究提供了基準數據，將快速成型技術應用到了型號飛機的研制中。研究表明，利用快速成型技術制造的風洞模型可滿足飛行器預研階段的實驗要求，從而加快飛行器研制進度。 

    美國波音公司Aero/Noise/Propulsion實驗室將AM作為提高風洞試驗效率、降低成本的兩項革命性技術之一。該實驗室主要通過金屬選區燒結（SLS）工藝、塑料快速成型零件金屬鍍膜工藝、直接金屬熔融工藝加工制造風洞模型，該實驗室稱快速成型工藝代替傳統加工手段能夠將模型的制造成本降低1個數量級，周期縮短3倍，將設計人員從煩瑣的模型加工中解放出來，提高該實驗室的工作效率。 

   意大利Politenico Ditorino的G. Romeo、美國Clarkson大學的P. Marzocca和美國Alabama大學的Illhan Tuzcu等人，用光固化快速成型技術制造了大展弦比彈性機翼的外殼，供低速顫振實驗使用。 

    國內發展狀況 

    大型整體鈦合金關鍵結構件成形制造技術被國內外公認為是對飛機工業裝備研制與生產具有重要影響的核心關鍵制造技術之一。西北工大凝固技術國家重點實驗室已經建立了系列激光熔覆成形與修復裝備，可滿足大型機械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復和再制造。應用該技術實現了C919 飛機大型鈦合金零件激光立體成形制造。目前民用飛機越來越多地采用了大型整體金屬結構，飛機零件主要是整體毛坯件和整體薄壁結構件，傳統成形方法非常困難。商飛決定采用先進的激光立體成形技術來解決C919飛機大型復雜薄壁鈦合金結構件的制造。西北工大采用激光成形技術制造了最大尺寸達2.83m的機翼緣條零件，最大變形量<1mm，實現了大型鈦合金復雜薄壁結構件的精密成形技術，相比現有技術可大大加快制造效率和精度，顯著降低生產成本。 

    北航在金屬直接制造方面開展了長期的研究工作，突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術，解決了大型整體金屬構件激光成形過程零件變形與開裂“瓶頸難題”和內部缺陷和內部質量控制及其無損檢驗關鍵技術，飛機構件綜合力學性能達到或超過鈦合金模鍛件，已研制生產出了我國飛機裝備中迄今尺寸最大、結構最復雜的鈦合金及超高強度鋼等高性能關鍵整體構件，并在大型客機C919等多型重點型號飛機研制生產中得到應用。 

   西安交大以研究光固化快速成型（SL）技術為主，于1997年研制并銷售了國內第一臺光固化快速成型機；并分別于2000年、2007年成立了教育部快速成形制造工程研究中心和快速制造國家工程研究中心，建立了一套支撐產品快速開發的快速制造系統，研制、生產和銷售多種型號的激光快速成型設備、快速模具設備及三維反求設備，產品遠銷印度、俄羅斯、肯尼亞等國，成為具有國際競爭力的快速成型設備制造單位。 

   西安交大在新技術研發方面主要開展了LED紫外快速成型機技術、陶瓷零件光固化制造技術，鑄型制造技術、生物組織制造技術、金屬熔覆制造技術和復合材料制造技術的研究。在陶瓷零件制造的研究中，研制了一種基于硅溶膠的水基陶瓷漿料光固化快速成型工藝，實現了光子晶體、一體化鑄型等復雜陶瓷零件的快速制造。 

   西安交大與中國空氣動力研究與發展中心及成都飛機設計研究所合作開展了風洞模型制造技術的研究，圍繞測壓模型、測力模型、顫振模型和氣彈模型等方面進行了研究工作。設計了樹脂—金屬復合模型的結構方案，采用有限元方法計算校核樹脂—金屬復合模型的強度、剛度以及固有頻率。通過低速風洞試驗，研究了復合模型的氣動特性，并與金屬模型試驗數據相對比。強度校核試驗顯示，模型的整體性能良好，滿足低速風洞的試驗要求，研制的復合模型在低速風洞試驗下具有良好的前景。 #p#分頁標題#e#

   復合材料構件是航空制造技術未來的發展方向，西安交大研究了大型復合材料構件低能電子束原位固化纖維鋪放制造設備與技術，將低能電子束固化技術與纖維自動鋪放技術相結合，研究開發了一種無需熱壓罐的大型復合材料構件高效率綠色制造方法，可使制造過程能耗降低70%，節省原材料15%，并提高了復合材料成型制造過程的可控性、可重復性，為我國復合材料構件綠色制造提供了新的自動化制造方法與工藝。 

   結語 

   AM已成為先進制造技術的一個重要的發展方向，在航空航天領域有著廣闊的應用發展前景，其發展趨勢有三：（1）復雜零件的精密鑄造技術應用；（2）金屬零件直接制造方向發展，制造大尺寸航空零部件；（3）向組織與結構一體化制造發展。未來需要解決的關鍵技術包括精度控制技術、大尺寸構件高效制造技術、復合材料零件制造技術。AM技術的發展將有力地提高航空制造的創新能力，支撐我國由制造大國向制造強國發展。

                                                                  作者：李滌塵 盧秉恒 張征宇