圖1 西北工業(ye) 大學激光立體(ti) 成形C919飛機翼肋緣條。

　　1892年，一個(ge) 立體(ti) 地形模型製造的美國專(zhuan) 利首創了疊層製造原理，在其後的一百年間，類似的疊層製造專(zhuan) 利有數百個(ge) 之多，實踐中的技術探索也層出不窮。但以立體(ti) 光刻技術的誕生為(wei) 標誌，以快速滿足柔性化需求為(wei) 主要應用目標的現代增材製造技術才真正形成。可以說，如果沒有CAD實體(ti) 模型和對其進行分層剖分的軟件技術，沒有能夠控製激光束按任意設定軌跡運動的振鏡技術、數控機床或機器手，增材製造技術的柔性化特征就隻能停留在一種理想的原理上。因此，增材製造技術應該被稱為(wei) 信息化增材製造技術或數字化增材製造技術。作為(wei) 信息化時代的代表性製造技術，增材製造技術是應該得到大力支持的前沿技術，是使我國在信息化時代，特別是當前回歸實體(ti) 製造業(ye) 的世界潮流中占領製造技術領域國際製高點的優(you) 先發展方向。

　　激光立體(ti) 成形是能夠滿足成形

　　成性一體(ti) 化極限需求的增材製造技術

　　自立體(ti) 光刻技術誕生以來，產(chan) 生了很多構思奇妙的增材成形製造技術，對社會(hui) 生產(chan) 力的發展起到了極大的推動作用。但大多數增材成形技術主要是應用於(yu) 快速原型製造，所以一度被冠以“快速原型”技術的名稱。但增材成形原理絕非隻能用於(yu) 成形，也可以解決(jue) 高性能的需求。激光立體(ti) 成形技術就是一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體(ti) 化製造技術。激光立體(ti) 成形技術是將增材成形原理與(yu) 激光熔覆技術相結合，集激光技術、計算機技術、數控技術和材料技術諸多現代先進技術於(yu) 一體(ti) 的一項實現高性能致密金屬零件快速自由成形的增材製造技術。

　　20世紀90年代以來，材料加工技術發展前沿呈現了一個(ge) 明顯的趨勢，即追求短流程、低消耗、高柔性、環境友好、成形與(yu) 組織性能控製一體(ti) 化的先進技術。這種趨勢反映的是需求的極限化要求，即同時滿足多方麵高端需求。這種極限化的需求在很多領域反映出來，而尤以航空航天領域為(wei) 典型。航空航天領域的金屬材料加工技術的典型前沿需求是兼顧高精度、高性能、高柔性與(yu) 快速反應，成形結構十分複雜的薄壁金屬零件。盡管鑄、鍛、焊、粉末冶金等各種傳(chuan) 統技術都被努力發揮到近於(yu) 極限，但由於(yu) 其各自的技術原理所帶來的根本性限製，依然難以滿足這種極限化需求，這常常成為(wei) 製約航空航天整體(ti) 技術發展的瓶頸。激光立體(ti) 成形技術，作為(wei) 一種快速自由成形高性能致密金屬零件的新技術，為(wei) 解決(jue) 同時滿足上述多方麵高端需求的難題提供了一條全新的技術途徑。這項技術在醫學植入體(ti) 、船舶、機械、能源、動力領域複雜整體(ti) 構件的高性能直接成形和快速修複等領域也都有廣闊的應用前景。

　　同批量化製造相比，滿足多樣化需求的個(ge) 性化製造本質上是高成本的。信息化增材製造與(yu) 采用常規製造技術來滿足多樣化和個(ge) 性化需求相比，成本已經得到了極大的降低，但同批量化製造相比其成本仍然更高。因此，除了在新品研製和航空航天等可以承受較高製造成本的高端領域外，激光立體(ti) 成形技術在其他領域的應用發展還受到較大的限製。但任何新技術的發展都有一個(ge) 從(cong) 初期的高成本逐漸降至低成本的過程。激光立體(ti) 成形有進一步降低製造成本的廣闊空間。一方麵，激光器及其運行成本在不斷降低；另一方麵，隨著人力成本越來越高，激光立體(ti) 成形相對於(yu) 需要大量人力的傳(chuan) 統加工技術的成本會(hui) 變得越來越低。在現階段，激光立體(ti) 成形還主要是在要求高性能、小批量、快速反應的零件生產(chan) 的場合具有競爭(zheng) 力，而未來在批量生產(chan) 領域的競爭(zheng) 力也會(hui) 逐漸增強。

　　增材製造/激光立體(ti) 成形技術

　　的發展現狀與(yu) 趨勢

　　近年來，激光立體(ti) 成形技術得到發達國家政府、大企業(ye) 和研究機構的高度重視。作為(wei) 美國製造業(ye) 振興(xing) 計劃 “We Can， t Wait”項目的一部分,美國政府於(yu) 2013年8月高調宣布成立國家增材製造創新研究所（NAMII ：National Additive Manufacturing Innovation Institute ），其第一階段的政府和民間投資為(wei) 7000萬(wan) 美元。奧巴馬總統強調這個(ge) 研究所的成立是強化美國製造業(ye) 的步驟。在空客於(yu) 2006年啟動的集成機翼計劃（Integrated Wing ATVP，第一階段總經費3400萬(wan) 英鎊）中，英國焊接研究所（TWI）承擔起落架激光成形研發工作，經費400萬(wan) 英鎊，TWI為(wei) 此建立了兩(liang) 套激光成形裝備。南非科技與(yu) 工業(ye) 研究院（CSIR）下屬的國家激光中心與(yu) 南非航空製造公司Aerosud將合作開展Aeroswift項目研究。Aeroswift的目標是，自主開發高速度、大體(ti) 積的高性能金屬零件激光添加材料製造（LAM）係統，為(wei) 全球航空工業(ye) 製造鈦金屬材料配件，並力爭(zheng) 在未來三年內(nei) ，使Aerosud成為(wei) 全球航空結構材料製造領域的領軍(jun) 者。Aeroswift的目標是直接加工2m×0.5m×0.5m的零件。為(wei) 此，南非科技部已經投入了2800萬(wan) 蘭(lan) 特（約合1712萬(wan) 元人民幣），並且預計他們(men) 的LAM製造體(ti) 係將在2012年底至2013年初完成組建和試驗工作，然後開始優(you) 化和工藝鑒定，希望從(cong) 2015年開始全麵生產(chan) 。

　　美國波音公司、洛克希德·馬丁公司、通用電氣航空發動機公司、Sandia國家實驗室和Los Alomos國家實驗室、歐洲EADS公司、英國羅羅公司、法國SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大國家研究院、澳大利亞(ya) 國家科學研究中心等大型公司和國家研究機構都對激光立體(ti) 成形技術及其在航空航天領域的應用開展了大量研究工作。參與(yu) 這項研究的世界著名大學更是數不勝數。

　　值得注意的是，美國軍(jun) 方對這項技術的發展給予了相當大的關(guan) 注，在其直接支持下，美國於(yu) 2000年率先將這一先進技術實用化。應用目標包括先進飛機承力結構件如鈦合金支架、吊耳、框、梁等，航空發動機零件如鎳基高溫合金單晶葉片，戰術導彈、人造衛星、超音速飛行器的薄壁結構件如導彈製導部外殼座、導彈姿態控製係統的錸燃燒室等。2002年10月該公司獲得美國國防部後勤局（U. S. Defense Logistics Agency）出資1940萬(wan) 美元，資助AeroMet公司由單純的技術研究開發到成為(wei) 軍(jun) 用及民用飛機的通過認證的、性能可靠的鈦合金結構件激光立體(ti) 成形製造供應商的轉變。

　　我國在激光立體(ti) 成形技術領域處於(yu) 世界先進水平。西北工業(ye) 大學於(yu) 1995年開始在國內(nei) 率先提出以獲得極高（相當於(yu) 鍛件）性能構件為(wei) 目標的激光立體(ti) 成形的技術構思，並在迄今17年的時間裏持續進行了激光立體(ti) 成形技術的係統化研究工作，形成了包括材料、工藝、裝備和應用技術在內(nei) 的完整的技術體(ti) 係。針對航空航天等高技術領域對結構件高性能、輕量化、整體(ti) 化、精密成形技術的迫切需求，開展了鈦合金、高溫合金、超高強度鋼和梯度材料激光立體(ti) 成形工藝研究，突破結構件的輕質、高剛度、高強度、整體(ti) 化成形，應力變形與(yu) 冶金質量控製，成形件組織性能優(you) 化等關(guan) 鍵技術。激光成形和修複了大量飛機中關(guan) 鍵結構件，解決(jue) 了飛機任務研製過程中迫切需要解決(jue) 的關(guan) 鍵技術難題，為(wei) 飛機研製與(yu) 生產(chan) 提供了有力的技術保障。針對大型鈦合金構件的激光立體(ti) 成形，解決(jue) 了大型構件變形控製、幾何尺寸控製、冶金質量控製、係統裝備等方麵的一係列難題，並試製成功C919大飛機翼肋TC4上、下緣條構件，該類零件尺寸達450mm×350mm×3000mm（圖1），成形後長時間放置後的最大變形量小於(yu) 1mm，靜載力學性能的穩定性優(you) 於(yu) 1%，疲勞性能也優(you) 於(yu) 同類鍛件的性能。#p#分頁標題#e#而專(zhuan) 用於(yu) 先進飛機結構件的激光成形修複裝備可以修複尺寸達5000mm×600mm×3000mm的零件。激光組合製造和成形修複在航空工業(ye) 中得到廣泛應用。該技術的研究和應用還包括大型機械裝備關(guan) 鍵零件的高性能快速修複和口腔金屬植入體(ti) 的成形和醫學臨(lin) 床研究。在激光立體(ti) 成形工藝裝備建設方麵取得重大突破，實現我國商用激光立體(ti) 成形工藝裝備製造的零突破。截至2012年，西工大向航空航天領域內(nei) 國家大型企業(ye) 和研究院所，以及GE中國研究中心提供了5台激光立體(ti) 成形與(yu) 修複裝備，在領域內(nei) 形成較大影響力。在激光立體(ti) 成形裝備方麵，國內(nei) 除西工大外，目前沒有其他單位提供過商用化激光立體(ti) 成形裝備。目前，西北工業(ye) 大學已經開發出了係列固定式和移動式激光立體(ti) 成形工藝裝備。針對不同應用特點，分別采用CO2氣體(ti) 激光器，YAG固體(ti) 激光器，光纖激光器和半導體(ti) 激光器，成形氣氛中氧含量可控製在10ppm以內(nei) ，具有熔池溫度、尺寸和沉積層高度的實時監測和反饋控製係統，配備自主開發的材料送進裝置、成形CAPP/CAM及集成控製軟件，能夠實現各種金屬材料，包括高活性的鈦合金、鋁合金和鋯合金複雜結構零件的無模具、快速、近淨成形以及修複再製造。圖2顯示了西北工業(ye) 大學所研發的LSF-V型激光立體(ti) 成形與(yu) 修複再製造商用裝備。表1比較了目前國際上技術成熟度比較高的商業(ye) 化激光立體(ti) 成形裝備的主要特性。可以看到，西北工業(ye) 大學所研製的LSF係列激光立體(ti) 成形裝備多項指標處於(yu) 國際領先水平。

　　成形修複是激光立體(ti) 成形技術受到高度重視的發展方向。有一個(ge) 十分值得關(guan) 注的趨勢是成形修複技術。雖然激光立體(ti) 成形技術最初主要是作為(wei) 一種致密金屬零件的高性能快速製造技術而發展起來的，但工業(ye) 界卻越來越關(guan) 注它作為(wei) 一種高性能成形修複技術的巨大技術優(you) 勢。除了航空航天領域外，機械、能源、船舶等領域的大型裝備的高性能快速修複都對激光立體(ti) 成形技術提出了迫切的需求。據報道，美國采用激光立體(ti) 成形技術維護的軍(jun) 事裝備資產(chan) 達40億(yi) 美元/年，其包括飛機、陸基和海基係統都配備了激光立體(ti) 成形係統。以製造成本高昂的整體(ti) 葉盤為(wei) 例，近幾年來包括美國GE公司、美國H&R Technology 公司、Optomec公司以及德國Fraunhofer激光技術研究所在內(nei) 的多個(ge) 研究機構開展了整體(ti) 葉盤的激光成形修複技術研究。2009年3月，作為(wei) 美國激光修複技術商用化推進領頭羊的Optomec公司宣稱其采用激光成形修複技術修複的T700整體(ti) 葉盤通過了軍(jun) 方的振動疲勞驗證試驗。美軍(jun) 已經在其“野戰零件醫院”中列裝了激光立體(ti) 成形裝備，用於(yu) 在靠近現場需要位置快速製造戰損裝備所需金屬零件。這些激光立體(ti) 成形裝備已分別布置在科威特、伊拉克和阿富汗的軍(jun) 事基地。

　　基於(yu) 激光立體(ti) 成形的激光組合製造技術是重要的技術發展方向。同鍛造、鑄造和機械加工等傳(chuan) 統製造技術結合，形成激光組合製造技術，是激光立體(ti) 成形技術一個(ge) 十分重要的技術發展方向。沒有任何一項技術是十全十美，足以覆蓋任何工藝需求的，而相互結合，取長補短則是最適當的選擇。激光立體(ti) 成形技術的工藝靈活性和柔性化的特點，使得以其為(wei) 基礎發展激光組合製造技術具有十分重要的實用價(jia) 值。最為(wei) 重要的是，激光立體(ti) 成形技術可以把異質材料結合成一個(ge) 高性能的整體(ti) 構件，這是激光組合製造的技術思路具有實用性的必要基礎。美國Sandia國家實驗室采用激光立體(ti) 成形技術開展了“Feature Addition”（可理解為(wei) “特征結構生長製造”）研究，在機械加工的盤上激光直接沉積薄壁複雜結構，實現了電子裝置支架的激光複合製造。對於(yu) 此類結構複雜構件，傳(chuan) 統的鑄造成形工藝存在的以下幾個(ge) 主要問題：由於(yu) 結構複雜，鑄造本身工藝困難；製造周期長，如電子裝置支架的鑄造周期長達52周；製造成本高。采用激光組合製造後該結構件的製造周期縮短為(wei) 3周，成本降低65%，同時結構件的重量得以減輕。

　　進一步深化激光立體(ti) 成形技術在材料、工藝和裝備等方麵的基礎性研究，對於(yu) 支撐激光立體(ti) 成形技術的進一步快速發展和大規模應用具有重要作用。這一特點同激光立體(ti) 成形是一個(ge) 涉及到激光、機械、數控、材料的多學科交叉的新技術有關(guan) 。通過整合形成一支具備上述多學科能力的高水平研究團隊，針對影響激光立體(ti) 成形進一步發展的關(guan) 鍵科學和技術問題開展深入係統的研究，這對於(yu) 激光立體(ti) 成形技術的發展具有重要意義(yi) 。

　　優(you) 先發展領域或重點研究方向建議

　　激光立體(ti) 成形的材料、工藝的基礎研究和工程化研究。激光立體(ti) 成形是一個(ge) 涉及激光、機械、數控、材料等的多學科交叉新技術，並且發展時間很短，相對於(yu) 鑄、鍛、焊、粉末冶金、機械加工等傳(chuan) 統的製造技術而言，其技術成熟度還有顯著差距，需要開展係統深入的基礎研究和工程化研究工作，這是使激光立體(ti) 成形技術得以在工業(ye) 與(yu) 科技實踐中廣泛應用的必要基礎，也是使我國在這項占據戰略製高點的新技術方麵與(yu) 西方發達國家長期競爭(zheng) 發展中保持同步以至於(yu) 爭(zheng) 取領先所必須堅持的。

　　先進裝備技術。任何先進的工業(ye) 技術必然以先進的裝備技術作為(wei) 其集中體(ti) 現。激光立體(ti) 成形裝備涉及到激光、機械、數控、工藝軟件設計、溫度與(yu) 化學環境檢測與(yu) 控製、成形材料特性等許多方麵因素的交互作用與(yu) 技術集成，需要高度專(zhuan) 業(ye) 化的團隊與(yu) 技術條件的密切協同，才能設計製造出高水平的裝備。具備高水平激光立體(ti) 成形裝備設計與(yu) 製造技術，也是我國必須在增材製造技術領域必須發展的核心競爭(zheng) 力。

　　高性能激光成形修複再製造技術。高性能激光成形修複再製造的市場需求可能比直接成形的市場需求要廣闊得多，未來的社會(hui) 發展必然越來越強調材料、資源的高度節約與(yu) 循環利用，這方麵的發展需要及早規劃安排。

　　激光組合製造技術。激光組合製造能夠更充分發揮增材製造技術作為(wei) 信息化時代的代表性技術的特征。如果我們(men) 以激光立體(ti) 成形技術為(wei) 核心，結合各種傳(chuan) 統製造技術的優(you) 勢，回避各種技術的短處，必將迎來信息化時代製造技術的跨越式發展。