增材制造：航空技术自主创新的加速器

图1：广义与狭义增材制造技术内涵示意图

图2：技术群

增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。关桥院士提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念（如图1所示），“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系；而“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等（如图2所示）。以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合、直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，是增材制造领域的重要分支，在工业领域最为常见。在航空航天工业的增材制造技术领域，金属、非金属或金属基复合材料的高能束流快速制造是当前发展最快的研究方向。

经过20多年的发展，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的过程，发展十分迅猛。美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度报告中，对各行业的应用情况进行了分析。在过去的几年中，航空零件制造和医学应用是增长最快的应用领域。2012年产能规模将增长25%至21.4亿美元，2019年将达到60亿美元。增材制造技术正处于发展期，具有旺盛的生命力，还在不断发展；随着技术发展，应用领域也将越来越广泛。

增材制造技术已经成为先进工业国家振兴制造业的战略手段

欧美发达国家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，增材制造技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注。2012年3月，美国白宫宣布了振兴美国制造的新举措，将投资10亿美元帮助美国制造体系的改革。其中，白宫提出实现该项计划的三大背景技术包括了增材制造，强调了通过改善增材制造材料、装备及标准，实现创新设计的小批量、低成本数字化制造。2012年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的14所大学、40余家企业、11家非营利机构和专业协会。

英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费。以前仅有拉夫堡大学一个增材制造研究中心，目前诺丁汉大学, 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，参与机构包括拉夫堡大学、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、研究机构及企业。

除了英美外，其他一些发达国家也积极采取措施，以推动增材制造技术的发展。德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用；法国增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究；在政府资助下，西班牙启动了一项发展增材制造的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容；澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“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；日本政府也很重视增材制造技术的发展，通过优惠政策和大量资金鼓励产学研用紧密结合，有力促进该技术在航空航天等领域的应用。

发展增材制造技术促进航空制造业发展

高速、高机动性、长续航能力、安全高效低成本运行等苛刻服役条件对飞行器结构设计、材料和制造提出了更高要求。轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、结构功能一体化以及低成本运行成为结构设计、材料应用和制造技术共同面临的严峻挑战，这取决于结构设计、结构材料和现代制造技术的进步与创新。

首先，增材制造技术能够满足航空武器装备研制的低成本、短周期需求。随着技术的进步，为了减轻机体重量，提高机体寿命，降低制造成本，飞机结构中大型整体金属构件的使用越来越多。大型整体钛合金结构制造技术已经成为现代飞机制造工艺先进性的重要标志之一。美国F-22后机身加强框、F-14和“狂风”的中央翼盒均采用了整体钛合金结构。大型金属结构传统制造方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的装备较为稀缺，高昂的模具费用和较长的制造周期仍难满足新型号的快速低成本研制的需求；另外，一些大型结构还具有复杂的形状或特殊规格，用锻造方法难以制造。而增量制造技术对零件结构尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、复杂型腔等特殊结构。除了大型结构，还有一些具有极其复杂外形的中小型零件，如带有空间曲面及密集复杂孔道结构等，用其他方法很难制造，而用高能束流选区制造技术可以实现零件的净成形，仅需抛光即可装机使用。传统制造行业中，单件、小批量的超规格产品往往成为制约整机生产的瓶颈，通过增量制造技术能够实现以相对较低的成本提供这类产品。

据统计，目前我国大型航空钛合金零件的材料利用率非常低，平均不超过10 %；同时，模锻、铸造还需要大量的工装模具，由此带来研制成本的上升。通过高能束流增量制造技术，可以节省材料三分之二以上，数控加工时间减少一半以上，同时无须模具，从而能够将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，节省国家宝贵的科研经费。

通过大量使用基于金属粉末和丝材的高能束流增材制造技术生产飞机零件，从而实现结构的整体化，降低成本和周期，达到“快速反应，无模敏捷制造”的目的。随着我国综合国力的提升和科学技术的进步，为了缩小与发达国家的差距，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——金属结构快速成形直接制造技术。

其次，增材制造技术有助于促进设计-生产过程从平面思维向立体思维的转变。传统制造思维是先从使用目的形成三维构想，转化成二维图纸，再制造成三维实体。在空间维度转换过程中，差错、干涉、非最优化等现象一直存在，而对于极度复杂的三维空间结构，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仍然不能完全推演出实际结构的装配特性、物理特征、运动特征等诸多属性。采用增量制造技术，实现三维设计、三维检验与优化，甚至三维直接制造，可以摆脱二维制造思想的束缚，直接面向零件的三维属性进行设计与生产，大大简化设计流程，从而促进产品的技术更新与性能优化。在飞机结构设计时，目前设计者既要考虑结构与功能，还要考虑制造工艺，增材制造的最终目标是解放零件制造对设计者的思想束缚，使飞机结构设计师将精力集中在如何更好实现功能的优化，而非零件的制造上。在以往的大量实践中，利用增量制造技术，快速准确地制造并验证设计思想在飞机关键零部件的研制过程中已经发挥了重要的作用。另一个重要的应用是原型制造，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。

再次，增材制造技术能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。利用增量制造技术提升现有制造技术水平的典型的应用是铸造行业。利用快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升；利用快速制模技术可以三维打印出用于金属制造的砂型，大大提高了生产效率和质量。目前，在铸造行业采用增量制造快速制模已渐成趋势。

促进增材制造技术在我国航空航天制造领域发展的建议

建立“产、学、研、用”联盟，快速提升技术成熟度。国内增材制造技术在航空制造领域的应用还非常少，其中技术成熟度较低是关键技术障碍之一。新材料、新技术在正式装机使用前需要经过大量不同级别和目的考核，单靠技术开发单位无法快速实现技术成熟度的提升。组建包括基础理论研究、应用开发研究、使用验证研究等各方面机构的“产、学、研、用”联盟，加快“开发-考核-改进”循环，可以快速提升技术成熟度，促进增材制造技术在飞机研制中的应用。

加强增材制造专业实验室和工程中心建设。目前，专门从事航空制造领域增材制造技术开发的团队规模还较小，与国际先进研究机构相比，尚有较大差距，有必要成立航空制造领域增材技术实验室和工程中心，整合各方面资源，专门承担学科发展和技术成果的转化和推广。实验室和工程中心以“金属结构的高能束流直接成形制造”为优势和特色，同时拓展研究范围、开发新的技术手段和装备，建成为航空系统乃至全国高能束流增量制造重要技术创新基地、装备开发基地、应用示范基地和技术推广基地。对国家武器装备尤其是先进飞行器的快速研制提供关键技术保障，为航空航天工业的制造技术提升提供关键高端技术与装备。同时实验室和工程中心的建立还将成为新型数字化制造产业技术创新平台，成为航空航天高技术成果向其他行业转化和推广的衍生地和孵化器，引领一批高新技术企业逐步形成促进经济与社会发展的新兴产业。实验室和工程中心的建立对国家航空武器装备的快速研制、更新和促进社会经济的发展具有重要意义。

加强对先进增材制造装备的研究，实现装备国产化。增量制造是一个全新的科学体系，在此之下，衍生出门类繁多的技术群体。而金属零件的高能束流直接制造是其中新发展起来的高端技术。在国外，除用于汽车、医学植入物等民用领域外，更多用于航空航天等高技术领域。例如，电子束熔丝沉积快速制造技术主要为美国航空航天局、波音公司、洛克希德·马丁公司服务，研制飞机、航空发动机大型构件；电子束选区熔化快速制造技术用于火箭发动机喷嘴、叶轮、航空发动机TiAl合金叶片、整体叶盘等；激光选区熔化技术用于火箭发动机复杂流道喷嘴、多层壁超冷空心叶片等。要实现其高能束流增材制造，除了依赖于先进的成型工艺之外，先进制造装备是实现直接成形制造的关键手段。这类进口设备目前价格昂贵，有些型号还对我国禁运。

开发自主装备，既是促进增量制造技术发展的需要，同时也是满足国内市场，形成产业化发展的需要。全方位开发增材制造技术，形成从材料研究、工艺开发到装备制造的一条龙技术体系。在面对客户时，可以形成无障碍技术对接，实现“交钥匙”工程。这对于打破国外技术封锁，满足国家对先进增量制造装备的需求，促进产业发展，带动制造业转型具有重要意义。

作者简介

巩水利，研究员，博士，北京航空制造工程研究所副总工程师，中航工业特种加工技术首席专家，享受国务院政府特贴专家，“国家高等数控机床与基础制造装备”科技重大专项总体组成员，国际焊接学会航空专委会主席，中国焊接学会常务理事、高能束流和特种焊接委员会主任，高能束流加工技术重点实验室常务副主任。中国航空研究院博士生导师、华中科技大学兼职教授、博士生导师，大连理工大学、北京工业大学和沈阳航空航天大学兼职教授。先后承担了国防科工委及总装预研课题、国家重大专项、国家自然科学基金重点项目、重大型号攻关项目等20余项，在高能束流焊接与增材制造机理、力学特性、自动化控制方面进行了大量的工作，尤其是在激光深熔焊接熔池与小孔行为、小孔稳定性与质量相关性方面取得了突破性成果，建成了高能束流深熔焊时焊接质量实时监测系统，阐明了高能束流焊接活性剂与小孔熔池液体金属的相互作用机制，研制开发出适用于钛合金、高强钢焊接的活性剂，并在我国首次将激光焊接技术应用于飞行器结构制造。

图1：广义与狭义增材制造技术内涵示意图

图2：技术群

增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。关桥院士提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念（如图1所示），“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系；而“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等（如图2所示）。以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合、直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，是增材制造领域的重要分支，在工业领域最为常见。在航空航天工业的增材制造技术领域，金属、非金属或金属基复合材料的高能束流快速制造是当前发展最快的研究方向。

经过20多年的发展，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的过程，发展十分迅猛。美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2012年度报告中，对各行业的应用情况进行了分析。在过去的几年中，航空零件制造和医学应用是增长最快的应用领域。2012年产能规模将增长25%至21.4亿美元，2019年将达到60亿美元。增材制造技术正处于发展期，具有旺盛的生命力，还在不断发展；随着技术发展，应用领域也将越来越广泛。

增材制造技术已经成为先进工业国家振兴制造业的战略手段

欧美发达国家纷纷制定了发展和推动增材制造技术的国家战略和规划，增材制造技术已受到政府、研究机构、企业和媒体的广泛关注。2012年3月，美国白宫宣布了振兴美国制造的新举措，将投资10亿美元帮助美国制造体系的改革。其中，白宫提出实现该项计划的三大背景技术包括了增材制造，强调了通过改善增材制造材料、装备及标准，实现创新设计的小批量、低成本数字化制造。2012年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的14所大学、40余家企业、11家非营利机构和专业协会。

英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费。以前仅有拉夫堡大学一个增材制造研究中心，目前诺丁汉大学, 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，参与机构包括拉夫堡大学、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、研究机构及企业。

除了英美外，其他一些发达国家也积极采取措施，以推动增材制造技术的发展。德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用；法国增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究；在政府资助下，西班牙启动了一项发展增材制造的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容；澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“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；日本政府也很重视增材制造技术的发展，通过优惠政策和大量资金鼓励产学研用紧密结合，有力促进该技术在航空航天等领域的应用。

发展增材制造技术促进航空制造业发展

高速、高机动性、长续航能力、安全高效低成本运行等苛刻服役条件对飞行器结构设计、材料和制造提出了更高要求。轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、结构功能一体化以及低成本运行成为结构设计、材料应用和制造技术共同面临的严峻挑战，这取决于结构设计、结构材料和现代制造技术的进步与创新。

首先，增材制造技术能够满足航空武器装备研制的低成本、短周期需求。随着技术的进步，为了减轻机体重量，提高机体寿命，降低制造成本，飞机结构中大型整体金属构件的使用越来越多。大型整体钛合金结构制造技术已经成为现代飞机制造工艺先进性的重要标志之一。美国F-22后机身加强框、F-14和“狂风”的中央翼盒均采用了整体钛合金结构。大型金属结构传统制造方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的装备较为稀缺，高昂的模具费用和较长的制造周期仍难满足新型号的快速低成本研制的需求；另外，一些大型结构还具有复杂的形状或特殊规格，用锻造方法难以制造。而增量制造技术对零件结构尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、复杂型腔等特殊结构。除了大型结构，还有一些具有极其复杂外形的中小型零件，如带有空间曲面及密集复杂孔道结构等，用其他方法很难制造，而用高能束流选区制造技术可以实现零件的净成形，仅需抛光即可装机使用。传统制造行业中，单件、小批量的超规格产品往往成为制约整机生产的瓶颈，通过增量制造技术能够实现以相对较低的成本提供这类产品。

据统计，目前我国大型航空钛合金零件的材料利用率非常低，平均不超过10 %；同时，模锻、铸造还需要大量的工装模具，由此带来研制成本的上升。通过高能束流增量制造技术，可以节省材料三分之二以上，数控加工时间减少一半以上，同时无须模具，从而能够将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，节省国家宝贵的科研经费。

通过大量使用基于金属粉末和丝材的高能束流增材制造技术生产飞机零件，从而实现结构的整体化，降低成本和周期，达到“快速反应，无模敏捷制造”的目的。随着我国综合国力的提升和科学技术的进步，为了缩小与发达国家的差距，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——金属结构快速成形直接制造技术。

其次，增材制造技术有助于促进设计-生产过程从平面思维向立体思维的转变。传统制造思维是先从使用目的形成三维构想，转化成二维图纸，再制造成三维实体。在空间维度转换过程中，差错、干涉、非最优化等现象一直存在，而对于极度复杂的三维空间结构，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仍然不能完全推演出实际结构的装配特性、物理特征、运动特征等诸多属性。采用增量制造技术，实现三维设计、三维检验与优化，甚至三维直接制造，可以摆脱二维制造思想的束缚，直接面向零件的三维属性进行设计与生产，大大简化设计流程，从而促进产品的技术更新与性能优化。在飞机结构设计时，目前设计者既要考虑结构与功能，还要考虑制造工艺，增材制造的最终目标是解放零件制造对设计者的思想束缚，使飞机结构设计师将精力集中在如何更好实现功能的优化，而非零件的制造上。在以往的大量实践中，利用增量制造技术，快速准确地制造并验证设计思想在飞机关键零部件的研制过程中已经发挥了重要的作用。另一个重要的应用是原型制造，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。

再次，增材制造技术能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。利用增量制造技术提升现有制造技术水平的典型的应用是铸造行业。利用快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升；利用快速制模技术可以三维打印出用于金属制造的砂型，大大提高了生产效率和质量。目前，在铸造行业采用增量制造快速制模已渐成趋势。

促进增材制造技术在我国航空航天制造领域发展的建议

建立“产、学、研、用”联盟，快速提升技术成熟度。国内增材制造技术在航空制造领域的应用还非常少，其中技术成熟度较低是关键技术障碍之一。新材料、新技术在正式装机使用前需要经过大量不同级别和目的考核，单靠技术开发单位无法快速实现技术成熟度的提升。组建包括基础理论研究、应用开发研究、使用验证研究等各方面机构的“产、学、研、用”联盟，加快“开发-考核-改进”循环，可以快速提升技术成熟度，促进增材制造技术在飞机研制中的应用。

加强增材制造专业实验室和工程中心建设。目前，专门从事航空制造领域增材制造技术开发的团队规模还较小，与国际先进研究机构相比，尚有较大差距，有必要成立航空制造领域增材技术实验室和工程中心，整合各方面资源，专门承担学科发展和技术成果的转化和推广。实验室和工程中心以“金属结构的高能束流直接成形制造”为优势和特色，同时拓展研究范围、开发新的技术手段和装备，建成为航空系统乃至全国高能束流增量制造重要技术创新基地、装备开发基地、应用示范基地和技术推广基地。对国家武器装备尤其是先进飞行器的快速研制提供关键技术保障，为航空航天工业的制造技术提升提供关键高端技术与装备。同时实验室和工程中心的建立还将成为新型数字化制造产业技术创新平台，成为航空航天高技术成果向其他行业转化和推广的衍生地和孵化器，引领一批高新技术企业逐步形成促进经济与社会发展的新兴产业。实验室和工程中心的建立对国家航空武器装备的快速研制、更新和促进社会经济的发展具有重要意义。

加强对先进增材制造装备的研究，实现装备国产化。增量制造是一个全新的科学体系，在此之下，衍生出门类繁多的技术群体。而金属零件的高能束流直接制造是其中新发展起来的高端技术。在国外，除用于汽车、医学植入物等民用领域外，更多用于航空航天等高技术领域。例如，电子束熔丝沉积快速制造技术主要为美国航空航天局、波音公司、洛克希德·马丁公司服务，研制飞机、航空发动机大型构件；电子束选区熔化快速制造技术用于火箭发动机喷嘴、叶轮、航空发动机TiAl合金叶片、整体叶盘等；激光选区熔化技术用于火箭发动机复杂流道喷嘴、多层壁超冷空心叶片等。要实现其高能束流增材制造，除了依赖于先进的成型工艺之外，先进制造装备是实现直接成形制造的关键手段。这类进口设备目前价格昂贵，有些型号还对我国禁运。

开发自主装备，既是促进增量制造技术发展的需要，同时也是满足国内市场，形成产业化发展的需要。全方位开发增材制造技术，形成从材料研究、工艺开发到装备制造的一条龙技术体系。在面对客户时，可以形成无障碍技术对接，实现“交钥匙”工程。这对于打破国外技术封锁，满足国家对先进增量制造装备的需求，促进产业发展，带动制造业转型具有重要意义。

作者简介

巩水利，研究员，博士，北京航空制造工程研究所副总工程师，中航工业特种加工技术首席专家，享受国务院政府特贴专家，“国家高等数控机床与基础制造装备”科技重大专项总体组成员，国际焊接学会航空专委会主席，中国焊接学会常务理事、高能束流和特种焊接委员会主任，高能束流加工技术重点实验室常务副主任。中国航空研究院博士生导师、华中科技大学兼职教授、博士生导师，大连理工大学、北京工业大学和沈阳航空航天大学兼职教授。先后承担了国防科工委及总装预研课题、国家重大专项、国家自然科学基金重点项目、重大型号攻关项目等20余项，在高能束流焊接与增材制造机理、力学特性、自动化控制方面进行了大量的工作，尤其是在激光深熔焊接熔池与小孔行为、小孔稳定性与质量相关性方面取得了突破性成果，建成了高能束流深熔焊时焊接质量实时监测系统，阐明了高能束流焊接活性剂与小孔熔池液体金属的相互作用机制，研制开发出适用于钛合金、高强钢焊接的活性剂，并在我国首次将激光焊接技术应用于飞行器结构制造。