（中航工業(yè)沈陽飛機設計研究所，沈陽 110035）

增材制造技術近幾年發(fā)展迅猛，特別是從2012年以來，全球范圍內的增材制造技術步入發(fā)展快車道,出現了大量關于增材制造研究的文獻報道[1-4]。我國也在該領域持續(xù)加大了投入，2015年發(fā)布的國家重點研發(fā)計劃更將增材制造作為重要專項列入指南，在“增材制造與激光制造”專項中發(fā)布了7個方向共29個項目，涵蓋了增材制造工藝、關鍵器件、成套裝備、創(chuàng)新應用等多個方面。

在工程應用方面，增材制造的應用范圍也在逐步拓寬，覆蓋了醫(yī)療、汽車、機械、航空、航天、化工、能源、藝術等眾多領域，可制造的材料從各種非金屬、鈦合金、鋁合金、鋼、金屬間化合物到高溫合金，甚至到陶瓷材料和復合材料。盡管如此，當前該技術在航空領域仍然大多用于飛機原型驗證階段，作為貨架商品批量供應的零件較少，其技術潛力尚未完全發(fā)揮。制約其潛力發(fā)揮的因素涉及從設計到應用的各個環(huán)節(jié)，復雜的綜合因素交織導致增材制造的深化應用受到制約。

增材制造技術在航空領域的應用現狀與特點

增材制造之所以能夠在航空裝備領域快速實現工程化，與其制造工藝特點密不可分。構型復雜、性能要求高、多品種小批量、制造精度嚴格是航空零件制造的典型特征。為實現這些目標，航空零件的制造集合了各種先進技術，而增材制造的技術特征與航空零件的特性高度契合，因而在航空零件制造中扮演了重要角色。過去幾年，增材制造已經在航空裝備研制與生產領域實現應用，且覆蓋面越來越寬，從機體結構到系統(tǒng)功能再到發(fā)動機零件，涵蓋了數十種結構門類的上百種零件，尺寸規(guī)格也從毫米級到米級不等。

在飛機機體結構方面，增材制造的應用包括框類、梁類、接頭類及格柵類等，其中框類、梁類、接頭類等承力部件主要采用激光/電子束送粉/絲成形技術。這類結構的特點是尺寸規(guī)格較大，有些復雜的框段結構無法直接通過鍛造方式制造，而傳統(tǒng)的制造方式是多段拼接，這樣使得結構的疲勞性能降低，使用增材制造后可一體化成形整體構件，大幅度提升綜合性能。格柵類結構因其形狀復雜，尺寸較小，主要采用選區(qū)熔化技術。系統(tǒng)功能部件的應用包括各類支座、異型導管、機匣等，這些結構多為具有復雜內腔的小型結構，一般采用選區(qū)熔化技術；發(fā)動機部件以葉片、噴管、燃燒室等結構為主，一般采用選區(qū)熔化技術。使用選區(qū)熔化制備的上述零件很多情況下是傳統(tǒng)制造技術無法實現的，所以結構設計時只能放棄部分性能來滿足制造要求，而利用選區(qū)熔化技術在滿足性能要求的情況下實現制造，效果明顯。圖1歸納了國內外增材制造構件在飛機上的使用情況[5-8]。

從圖1的統(tǒng)計可以看出，雖然增材制造的應用范圍較廣，但其制造的零件構型基本都是傳統(tǒng)構型，大部分為構型復雜、難以用傳統(tǒng)制造技術加工或利用傳統(tǒng)制造技術加工成本高昂、成品率低的結構，其構型也并沒有因制造技術的改變而發(fā)生變化。也就是說，構型是傳統(tǒng)的，工藝是增材制造是當前該技術應用的主要特征。

圖1 國內外增材制造構件的應用Fig.1 Applications of additive manufacturing structures

增材制造技術在航空領域的應用發(fā)展趨勢

1 增材制造技術在航空領域的應用方向

（1）技術瓶頸突破與技術創(chuàng)新。

“輕質高效、長壽命、多功能、低成本”一直是飛機結構設計追求的目標。隨著航空科技的進步和飛機性能要求的不斷提升，飛機結構構型發(fā)生著巨大的變化，主要表現在兩個方面：一方面是為了進一步實現減重，引入拓撲優(yōu)化概念，結構構型朝著具有仿生特征的拓撲構型發(fā)展，這類結構使用傳統(tǒng)的制造技術幾乎無法實現。另一方面，結構功能一體化需求逐漸增加，不僅要求結構具有良好的承載特性，還需要集成防熱、隱身、減阻等功能，這導致結構構型非常復雜，傳統(tǒng)制造技術無能為力。除此之外，還有一些低成品率結構，比如某些帶有復雜構型的薄壁結構、腔體結構等，這類結構制造工藝難度大，鍛造方式無法完成，而鑄造成品率較低，成本高昂，生產周期漫長。結構技術的上述發(fā)展方向使得制造技術出現極限，而增材制造可以很好地發(fā)揮其技術優(yōu)勢，突破制造極限，實現上述結構制造。

（2）新機研制過程中的原型快速試制。

飛機是當代各學科最先進技術的綜合集成，是一項極其復雜的系統(tǒng)工程。在錯綜復雜的耦合環(huán)境下，各系統(tǒng)性能/功能的實現以及系統(tǒng)之間的協(xié)調與融合是飛機研制過程中需要重點解決的問題。為實現飛機各系統(tǒng)的協(xié)調運行，考核各單項技術的正確性、適用性及與其他技術的相容性，驗證綜合技術方案的可行性，飛機研制階段的通行做法是采用技術驗證機來對各項技術進行綜合驗證。例如，美國軍用飛機研制機構洛克希德·馬丁公司的臭鼬工作隊先后研制的X-35及YF-22技術驗證機，最終發(fā)展成先進的第四代戰(zhàn)斗機F-35及 F-22。

飛機結構平臺的快速試制是技術驗證機研制的前提與基礎。為提高效費比、縮短研制周期，技術驗證機需要在集成大量新技術的前提下，利用少量資金，實現技術驗證機“見效快、性能好、成本廉”的目標，這給技術驗證機結構平臺的實現帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。由于技術驗證機的高風險性決定了并不是所有驗證機都能成功轉化為型號，采用傳統(tǒng)制造技術耗費的人力物力可想而知，在目前型號種類繁多、研制周期異常緊張的狀態(tài)下，依據傳統(tǒng)制造技術制造飛機結構平臺已經無法適應飛機研制的需求。因此，為提高研制效費比、縮短研制周期，必須發(fā)展更加經濟有效的結構平臺快速試制技術體系。

增材制造技術在大型復雜結構制造領域的獨特優(yōu)勢及其利用數字化技術直接對結構數模進行制造的特性，給技術驗證機的快速試制找到了一條高效的技術途徑。該項技術不需要使用大型工裝磨具等基礎設施即可完成構件制造，而是直接通過數字模型完成加工，具有高度設計/制造一體化特征，可滿足飛機結構平臺快速試制要求，在現代飛機快速試制環(huán)節(jié)中具有顯著優(yōu)勢。

2 增材制造結構的技術發(fā)展方向

（1）大型整體拓撲結構。

大型整體拓撲結構是指區(qū)別于傳統(tǒng)制造工藝，具有典型增材制造工藝特點的大型整體結構，且這類結構的設計理念已經摒棄了傳統(tǒng)制造工藝的影響（例如，傳統(tǒng)機加的框梁結構都是由“腹板+緣條”組合構成，便于機加），使用拓撲優(yōu)化技術設計的結構具有最優(yōu)承載特性。這類結構的尺寸規(guī)格明顯大于現有的拓撲優(yōu)化接頭等局部結構，其尺寸甚至超過了傳統(tǒng)的框梁結構，形成具有明顯拓撲優(yōu)化特征的大型整體結構。其優(yōu)勢在于，首先將傳統(tǒng)的裝配結構一體制造，實現融合區(qū)域結構減重，減少疲勞薄弱環(huán)節(jié)，提高壽命，改善結構動力學品質，縮短制造周期，降低制造成本；其次，由于采用的拓撲優(yōu)化設計傳力路徑最優(yōu)，結構效率最高，使性能和效益實現最大化。這類結構是飛機機體平臺未來的重要發(fā)展方向，也是增材制造特別是激光同步送粉和電子束送絲成形技術在未來的重要研究對象（見圖2）[9]。

圖2 空客公司飛機大型整體拓撲結構概念圖Fig.2 Conceptual design of large integral topology structure by Airbus

（2） 復雜功能一體化結構。

功能一體化結構是指區(qū)別于傳統(tǒng)承載結構和功能結構，將兩者有機融合的新型結構。在傳統(tǒng)制造模式中，飛機的結構和功能是兩個獨立的系統(tǒng)，分別進行制造和試驗驗證，最后通過裝配組合在一起。二者線性累加，出現重量冗余，不僅導致重量超標，而且制造周期長、可靠性低、成本高。增材制造技術為實現功能結構一體化提供了技術途徑，使吸波隱身、減振降噪、耐熱抗蝕、自潔除冰等功能結構一體化成為可能。在飛機性能要求越來越高的大環(huán)境下，滿足性能與功能融合要求的復雜功能一體化結構將成為飛機研制的又一個重要發(fā)展方向，而這正是增材制造技術特別是選區(qū)熔化技術發(fā)揮潛力的重要領域（見圖 3）[8,10]。

圖3 復雜功能一體化結構Fig.3 Complex multi-function structures

（3） 異質材料梯度結構。

所謂異質材料梯度結構就是將兩種或兩種以上的材料通過增材制造技術制造成一個整體構件。與焊接結構不同，不同材料制件的連接區(qū)不是材料成分和顯微組織的突變，而是具有一定梯度特性的漸變，即成分和顯微組織逐漸從A狀態(tài)變到B狀態(tài)。這種結構同單一金屬結構件相比，減重效率在5%以上，疲勞壽命增益10%以上，而且可兼顧耐熱、抗蝕、耐磨等功能。研究結果表明，梯度過渡區(qū)的靜力與疲勞性能介于兩種復合的金屬材料之間[11]。更重要的是，梯度結構可以根據設計意圖，通過仿真優(yōu)化對材料進行布局設計（圖4）[8]，實現“好鋼用在刀刃上”?，F代航空的發(fā)展時常要求同一結構的不同部位在不同環(huán)境下服役，同時為實現減重增效，甚至要求同一零件的不同部位具有不同的強度，基于增材制造技術的異質材料梯度結構為實現上述性能提供了有效的解決途徑，將成為航空裝備研制中的重要技術方向。

圖4 異質材料梯度結構Fig.4 Gradient structure of dissimilar materials

增材制造深化應用過程中的若干關鍵問題

1 結構設計技術

（1）面向增材制造技術的結構設計理念與思想。

盡管增材制造技術在航空裝備研制與生產領域具有較大優(yōu)勢，但受制于設計師的慣性思維，目前的飛機結構設計思路仍是按照傳統(tǒng)制造工藝約束來進行優(yōu)化和設計。對于具有高度設計/制造一體化特征的新興技術，增材制造的深化應用核心是設計創(chuàng)新。增材制造在各種復雜結構實現上具有明顯優(yōu)勢，可以充分發(fā)揮設計師的想象力，釋放其創(chuàng)新活力。針對增材制造技術的工藝特征有針對性地開展結構創(chuàng)新設計及后續(xù)系列性能考核，將增材制造的技術優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，從而進一步促進航空裝備研制的設計思想轉型和研制模式創(chuàng)新，才是增材制造技術的主要發(fā)展方向。例如，傳統(tǒng)的飛機結構大類主要包括框、梁、接頭、長桁等，這幾類結構具有一些共性特征（如框結構由腹板和緣條兩個基本要素組成），這是由這些結構的制造工藝決定的。如果擯棄這些固有的約束，通過數值仿真探尋最優(yōu)結構，將會出現各種構型奇藝的結構，而這些結構是傳統(tǒng)制造工藝無法加工的。也就是說,基于傳統(tǒng)工藝約束，設計師是“想得到、做不到”，基于增材制造，可以實現“想得到、做得到”。所以，若要深化增材制造在航空裝備研制中的應用，應從源頭抓起，下大力氣扭轉設計師的固有設計理念，拓寬其可設計域，激發(fā)設計師的創(chuàng)新活力，使設計師掌握增材制造在創(chuàng)新結構物理實現中的巨大優(yōu)勢，進而逐漸接受和采用這一新興制造技術。這不僅對增材制造，同時對飛機研制技術的創(chuàng)新也具有重要意義。

（2）面向構型設計的增材制造基礎數據。

傳統(tǒng)鍛造等制造工藝生產的零件精度通過后期的機加工保證，加工前的毛坯材料基本組織均勻性、各向異性等基本上是確定的，同樣的鍛造毛坯可以用來加工不同的零件，其性能差異不會太大。而增材制造是一項高度設計/制造一體化技術，為保證性能水平，不同結構構型的制造工藝不同，在工藝優(yōu)化時需要針對結構構型的特點進行匹配。反過來說，結構構型的變化顯著影響著增材制造的制造工藝策略，從而影響著構件的性能表現。這其中構型特征與材料組織及結構性能之間存在著普適關系。所以，在結構優(yōu)化設計時將增材制造的工藝特征融入優(yōu)化過程，同時在制造前期有針對性地開展性能仿真分析，將有效指導結構設計師設計出更加適合增材制造工藝的高效結構。而這一目標的實現需要建立結構構型與材料組織及性能之間的內部聯(lián)系，形成龐大的基礎數據庫并將其反饋到結構優(yōu)化設計終端，形成可操作的結構設計手段。這需要進行大量的基礎研究工作，積累基本數據，找出結構構型與制件性能的共性關系，破解面向構型的增材制造工藝“基因圖譜”。而目前這類工作尚屬空白，迫切需要深入開展研究。

（3）高效的復雜增材制造結構工程化優(yōu)化設計手段。

現行的飛機結構設計手段有很多，包括CATIA、AutoCAD、UG、ProE、Solidworks等，但無一例外，這些軟件的設計理念都是基于傳統(tǒng)的制造工藝（鍛造、鑄造、鈑金等），使用這些軟件設計的結構具有典型的傳統(tǒng)制造工藝特征，甚至部分適用于增材制造的新結構無法設計出來。例如，大規(guī)格的多孔結構，其設計運算數據量龐大，會導致計算機運算時直接死機；復雜非周期性結構具有大量曲面結構，其設計量龐大，不可能一個一個曲面完成設計。這些都需要在數字化軟件領域下足功夫，針對增材制造特點開發(fā)相應的結構設計軟件。這類軟件需要實現集合光、電、力、熱、聲等復雜耦合因素的協(xié)同優(yōu)化能力，實現在復雜服役環(huán)境下使用的各種創(chuàng)新結構的精準優(yōu)化與設計。

2 專用材料技術

（1）原材料的性能補償仿真與配方設計技術。

增材制造原材料是指金屬粉末、絲材、非金屬尼龍粉末、光敏樹脂等，是增材制造的基礎。這些材料的成分、粒徑、流動性等指標直接關系著增材制造構件的性能。增材制造過程中，受激光的高能量束影響，原材料的成分與構件的成分比例會有一定偏差，這是由于原材料的相結構在遭受高密度能量轟擊后會出現相變及組織轉變行為，這具有一定的共性規(guī)律，可以通過熱力學理論計算來獲得一般性結論。原材料的狀態(tài)在很大尺度上決定了制件的物理狀態(tài)，所以通過研究材料的凝固特性，判斷原材料在增材制造前后的成分變化與相變規(guī)律，并形成可供工程化應用的性能補償仿真分析軟件，建立具有共性規(guī)律的配方設計數據庫，從源頭上提高增材制造構件的性能水平及批次穩(wěn)定性，是解決增材制造技術工藝窗口狹窄的重要技術途徑。當前，包括達索公司在內的國內外部分大型企業(yè)已經投入力量開展相關研究工作，這些工作對增材制造構件的深化應用具有重要促進作用。

（2）原材料的低成本制造技術。

增材制造構件成本居高不下的重要原因之一是原材料成本高昂，這已成為制約增材制造技術推廣應用的重要因素。特別是隨著全球范圍內航空工業(yè)競爭的加劇，成本控制成為航空裝備研制的重要因素，要求飛機設計師們在實現飛機性能的同時控制零件的制造成本。增材制造居高不下的成本使得飛機設計師們對這項技術望而生畏，盡量使用其他技術替代，所以降低原材料的成本已成為當務之急。通過控制原材料的制造工藝過程，優(yōu)化制粉環(huán)節(jié)，切實降低粉末等原料的生產成本，對增材制造技術的應用推廣具有極為重要的現實意義。

（3）原材料的重復利用規(guī)律與性能控制技術。

當前，增材制造的成本偏高，嚴重制約了該技術的推廣應用，一些學者正在研究通過粉末的重復利用來分攤使用成本。但是粉末經過高能束加工后，其性能較初始狀態(tài)有較大變化，重復利用后的制件性能及調控方法，成為制約原材料重復利用的主要技術壁壘，這其中蘊含著眾多的關鍵基礎問題。西北有色金屬研究院Tang等[12]利用電子束選區(qū)熔化快速成形設備研究了鈦合金粉末的重復使用問題，認為如果工藝控制恰當，粉末的前幾次重復利用可以保證制件性能。這些研究具有積極意義，為原材料的規(guī)?；貜屠玫於思夹g基礎。但是目前的研究尚未形成具有工程化指導意義的試驗數據體系，研究結論尚不能支撐飛機設計部門的工程化應用決策，還需要開展大量的基礎研究工作。

3 制造工藝技術

（1）增材制造的材料控形控性技術。

增材制造零件的控形控性是研究最多和最深入的問題，學者們花費了大量精力研究增材制造零件的材料性能及其調控技術。王華明[13]、黃衛(wèi)東[14]等從激光/金屬交互作用、內部缺陷形成機理、移動熔池快速凝固行為、非穩(wěn)態(tài)循環(huán)固態(tài)相變行為與組織形成規(guī)律、內應力演化機制及構件變形開裂預防方法等多個角度對增材制造材料的控形控性基礎問題進行了深入研究，掌握了較為有效的性能控制措施，但材料內部質量分散性、大型構件的變形開裂、構件批次穩(wěn)定性等問題尚需進一步研究。

（2）基于構型的增材制造構件性能預測與工藝仿真技術。

增材制造技術工藝窗口狹窄已經是共性認識[8]。受制于沉積過程中的掃描策略影響，即使使用相同的工藝參數，不同結構構型的構件性能也會出現偏差。當前的處理方式是強化工程化應用考核流程，對每一種結構都進行充分的工程化驗證，即通過“小試、中試、大試”3個過程的考核與測試，分別考核材料和工藝屬性、結構與功能極端性能、產品有效性測試與評估。這造成每一種結構的裝機應用都需要經歷嚴酷而繁雜的驗證過程，人力物力需求巨大，制約了增材制造技術的應用推廣。研究增材制造工藝的一般性規(guī)律，建立針對各種構型的工藝數據庫，同時從基本理論上突破對增材制造結構的性能預測，做到制造工藝的精準仿真，從原理上控制增材制造構件的性能一致性，是解決增材制造工藝窗口窄的重要技術途徑。

（3）大型/復雜增材制造結構的后處理技術。

增材制造是通過逐層堆積成形的制造技術。在制造過程中，其層疊效應將在構件表面明顯顯現，這些粗糙表面對構件的性能特別是疲勞性能影響嚴重。使用同步送粉/送絲工藝制造的大型構件可以通過后期的數控加工方法將表面層去除，得到滿足要求的光滑表面。但是，使用激光/電子束選區(qū)熔化成形的構件往往結構非常復雜，不可能通過增加余量成形、后期機加去除的方式實現光滑表面，一般只進行簡單的吹砂、打磨處理。這類結構的表面狀態(tài)難以滿足性能要求（圖5），已經成為制約其應用的重要原因。研究行之有效的表面處理技術，實現復雜結構的任意表面處理，是增材制造后處理技術發(fā)展的目標。

圖5 復雜多孔增材制造結構的原始表面狀態(tài)Fig.5 Surface roughness of additive manufactural complex porous structure

4 性能驗證技術

（1）增材制造結構的性能驗證方法與失效判據。

增材制造技術拓寬了飛機結構設計師的可設計域，釋放了飛機設計者的創(chuàng)新活力，使他們可設計出各種高效率結構。但如何測試這些復雜異型結構的性能（力學與功能特性），判斷它們在服役環(huán)境下的性能表現，掌握其失效模式，建立失效判據，給出是否可用的結論已成為一大難點。建立行之有效的結構性能驗證技術體系成為增材制造技術深化應用的又一個關鍵問題。

（2）復雜增材制造結構的無損檢測技術。

隨著技術進步，無損檢測技術得到了突飛猛進的發(fā)展，并表現出明顯的“由定性向定量”、“在線自動化與智能化”、“結合斷裂力學的構件壽命評價”、“結合材料性能的工藝指導”等特征。但是，面對增材制造結構特別是帶多孔結構的復雜構型，無損檢測技術出現明顯短板，迫切需要針對這類結構研究開發(fā)相適應的無損檢測技術。

（3）增材制造技術規(guī)范與標準體系。

標準體系的構建是任何一種制造工藝走向規(guī)?；瘧玫谋亟浿罚鼘刂飘a品的性能品質及穩(wěn)定性生產具有重要意義。在增材制造領域，美國汽車工程協(xié)會（SAE）、美國材料與試驗學會（ASTM）、國際標準化組織（ISO）等組織先后制定了一系列增材制造相關標準，涵蓋了術語、方法、工藝、材料、性能、試驗等環(huán)節(jié)（表1），并在以較快的速度覆蓋增材制造各個環(huán)節(jié)[15]。

我國增材制造技術正處于快速發(fā)展中，但與之配套的增材制造技術標準的發(fā)展相對落后，沒能與技術發(fā)展水平保持同步。現有的依據標準均是各研究所和企業(yè)根據實際情況定制的技術條件和規(guī)范，具有較大的個性化特征，且要求參差不齊。這些技術條件和規(guī)范呈現零星散點分布狀態(tài)，沒有形成從設計、材料、工藝、裝備到驗證的全產業(yè)鏈標準體系。這已成為制約我國增材制造技術規(guī)范化發(fā)展的重要瓶頸，因此迫切需要開展增材制造技術的標準化工作，依托我國優(yōu)勢單位的海量試驗數據，共同制定體系化的增材制造標準。

表1 國外增材制造技術相關標準

結束語

增材制造是一項“變革性”技術，在諸多領域具有重大應用潛力。它也是一項新興技術，盡管它已經在航空裝備研制過程中發(fā)揮了重要作用，并取得較大收益，但由于該技術具有高度的設計/制造一體化特征，需要從設計、材料、設備、工藝、驗證等各個環(huán)節(jié)全面突破，任何一個環(huán)節(jié)成為短板都將制約該技術的優(yōu)勢與潛力發(fā)揮。

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