增材製造（Additive Manufacturing，AM）技術是采用材料逐漸累加的方法製造實體(ti) 零件的技術，相對於(yu) 傳(chuan) 統的材料去除－切削加工技術，是一種“自下而上”的製造方法。近二十年來，AM技術取得了快速的發展，“快速原型製造（Rapid Prototyping）”、“三維打印(3D Printing )”、“實體(ti) 自由製造(Solid Free-form Fabrication) ”之類各異的叫法分別從(cong) 不同側(ce) 麵表達了這一技術的特點。AM技術不需要傳(chuan) 統的刀具和夾具以及多道加工工序，在一台設備上可快速精密地製造出任意複雜形狀的零件，從(cong) 而實現了零件“自由製造”，解決(jue) 了許多複雜結構零件的成形，並大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產(chan) 品結構越複雜，其製造速度的作用就越顯著。 

   航空器生產(chan) 是一個(ge) 複雜的設計製造係統，其中各種零部件多達數萬(wan) 個(ge) ，設計與(yu) 製造過程相互交錯，製造速度響應性直接製約飛機的研製和生產(chan) 周期。AM技術直接由CAD 數據製成三維實體(ti) ，使成本下降為(wei) 數控加工的1/3～1/5，周期縮短為(wei) 1/5～1/10。它能夠適應複雜結構和單件或小批量產(chan) 品的製造，是目前國際航空製造技術的一個(ge) 發展方向。 

   國外發展狀況 

   目前，通過將AM的原理與(yu) 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於(yu) 各個(ge) 領域，如消費電子產(chan) 品、汽車、航天航空、醫療、軍(jun) 工、地理信息、藝術設計等領。美國Wohlers協會(hui) 統計，在快速成型技術應用的產(chan) 業(ye) 領域中，航空航天領域應用從(cong) 2003年的7%增加到了2011年的9.9%。該領域應用最為(wei) 廣泛的是航空零部件的快速製造，包括快速精鑄技術、金屬直接製造零部件、風洞模型的製造。這些技術可以有效提高飛機設計與(yu) 製造速度，促進航空航天新產(chan) 品的研發。 

   國外主要的航空企業(ye) 都在應用AM技術研製新型航空器。例如，美國軍(jun) 用和商用航空發動機製造商Sundstrand公司使用AM技術為(wei) 一個(ge) 新型燃氣輪發動機的進風口外殼（高250mm、直徑為(wei) 300mm、壁厚僅(jin) 1.5mm）製作原型（圖1），節省了4個(ge) 多月的加工製造時間和超過8.8萬(wan) 美元的費用。美國波音公司用快速成型技術製造飛機的一些複雜結構體(ti) ，如用光固化原型鑄造的駕駛員座艙係統和隔扇控製閥。空客公司在一些非關(guan) 鍵零部件上采用了AM技術來製造，包括A380飛機上的零部件。在複雜的航空零部件設計方麵也有非常多的用途，例如在設計航空發動機渦輪葉片時，使用快速成型技術製造葉片，評價(jia) 氣膜孔的冷卻效果。 

   金屬直接製造是一個(ge) 主要的發展趨勢，國外在這方麵開展了大量的研究工作，在航空零部件製作上取得了很好的應用。德國弗勞恩霍夫激光技術學會(hui) 於(yu) 2010年4月報道，航空發動機引擎中的葉片可以用激光直接製造技術快速製造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(ti) 化”發展，即在製造外形的同時，控製組織尺寸和方向，以獲得性能良好的組織。2009年POM公司與(yu) 密歇根大學聯合報道可以用直接金屬成形工藝來製造渦輪葉片，提出了一種在工藝中控製葉片組織的方法，該係統利用感應線圈加熱成形過程中的葉片，控製葉片各部位溫度梯度，以獲得定向晶組織。 

    美國空軍(jun) 研究實驗室利用AM技術製造了全樹脂的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，製造了有/無雷達整流罩、有/無尾舵偏角、有/無翼稍小翼的係列模型，同時AM技術良好的製造精度也保證了係列模型之間的實驗數據對比性，通過該係列模型的風洞實驗數據，為(wei) 後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製中。研究表明，利用快速成型技術製造的風洞模型可滿足飛行器預研階段的實驗要求，從(cong) 而加快飛行器研製進度。 

    美國波音公司Aero/Noise/Propulsion實驗室將AM作為(wei) 提高風洞試驗效率、降低成本的兩(liang) 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製造風洞模型，該實驗室稱快速成型工藝代替傳(chuan) 統加工手段能夠將模型的製造成本降低1個(ge) 數量級，周期縮短3倍，將設計人員從(cong) 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製造了大展弦比彈性機翼的外殼，供低速顫振實驗使用。 

    國內(nei) 發展狀況 

    大型整體(ti) 鈦合金關(guan) 鍵結構件成形製造技術被國內(nei) 外公認為(wei) 是對飛機工業(ye) 裝備研製與(yu) 生產(chan) 具有重要影響的核心關(guan) 鍵製造技術之一。西北工大凝固技術國家重點實驗室已經建立了係列激光熔覆成形與(yu) 修複裝備，可滿足大型機械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修複和再製造。應用該技術實現了C919 飛機大型鈦合金零件激光立體(ti) 成形製造。目前民用飛機越來越多地采用了大型整體(ti) 金屬結構，飛機零件主要是整體(ti) 毛坯件和整體(ti) 薄壁結構件，傳(chuan) 統成形方法非常困難。商飛決(jue) 定采用先進的激光立體(ti) 成形技術來解決(jue) C919飛機大型複雜薄壁鈦合金結構件的製造。西北工大采用激光成形技術製造了最大尺寸達2.83m的機翼緣條零件，最大變形量<1mm，實現了大型鈦合金複雜薄壁結構件的精密成形技術，相比現有技術可大大加快製造效率和精度，顯著降低生產(chan) 成本。 

    北航在金屬直接製造方麵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(ti) 關(guan) 鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關(guan) 鍵技術，解決(jue) 了大型整體(ti) 金屬構件激光成形過程零件變形與(yu) 開裂“瓶頸難題”和內(nei) 部缺陷和內(nei) 部質量控製及其無損檢驗關(guan) 鍵技術，飛機構件綜合力學性能達到或超過鈦合金模鍛件，已研製生產(chan) 出了我國飛機裝備中迄今尺寸最大、結構最複雜的鈦合金及超高強度鋼等高性能關(guan) 鍵整體(ti) 構件，並在大型客機C919等多型重點型號飛機研製生產(chan) 中得到應用。 

   西安交大以研究光固化快速成型（SL）技術為(wei) 主，於(yu) 1997年研製並銷售了國內(nei) 第一台光固化快速成型機；並分別於(yu) 2000年、2007年成立了教育部快速成形製造工程研究中心和快速製造國家工程研究中心，建立了一套支撐產(chan) 品快速開發的快速製造係統，研製、生產(chan) 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(chan) 品遠銷印度、俄羅斯、肯尼亞(ya) 等國，成為(wei) 具有國際競爭(zheng) 力的快速成型設備製造單位。 

   西安交大在新技術研發方麵主要開展了LED紫外快速成型機技術、陶瓷零件光固化製造技術，鑄型製造技術、生物組織製造技術、金屬熔覆製造技術和複合材料製造技術的研究。在陶瓷零件製造的研究中，研製了一種基於(yu) 矽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(ti) 、一體(ti) 化鑄型等複雜陶瓷零件的快速製造。 

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

   複合材料構件是航空製造技術未來的發展方向，西安交大研究了大型複合材料構件低能電子束原位固化纖維鋪放製造設備與(yu) 技術，將低能電子束固化技術與(yu) 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複合材料構件高效率綠色製造方法，可使製造過程能耗降低70%，節省原材料15%，並提高了複合材料成型製造過程的可控性、可重複性，為(wei) 我國複合材料構件綠色製造提供了新的自動化製造方法與(yu) 工藝。 

   結語 

   AM已成為(wei) 先進製造技術的一個(ge) 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）複雜零件的精密鑄造技術應用；（2）金屬零件直接製造方向發展，製造大尺寸航空零部件；（3）向組織與(yu) 結構一體(ti) 化製造發展。未來需要解決(jue) 的關(guan) 鍵技術包括精度控製技術、大尺寸構件高效製造技術、複合材料零件製造技術。AM技術的發展將有力地提高航空製造的創新能力，支撐我國由製造大國向製造強國發展。

                                                                  作者：李滌塵 盧秉恒 張征宇