主流金属增材制造技术及其航空应用分析

    中国工程院2015年院士增选工作经过两轮评审会议，参与制造运-20、C-919等大飞机，歼-15、歼-31等新型战斗机钛合金部件，有"中国3D打印带头人"称号的王华明教授当选中国工程院信息与电子工程学部院士。

    王华明院士研制的金属构件激光熔化沉积增材制造技术自2005年以来已在歼-15、运-20、歼-11B、歼-31和东风XX等3种导弹、遥感24等2种卫星、FWS13等3种航空发动机等重点型号发挥出关键作用。

    那么到底什么是3D打印呢？据了解，3D打印基本原理是将零件数字化模型进行空间网格化，通过像素化分解成为一个个空间点阵，然后利用金属微量熔融或烧结的沉积技术，将零件一层层堆积而成。

    目前激光增材制造在航空航天领域应用广泛，那么代表性金属3D打印技术有哪些？优势如何？

金属材料增材制造分类及基本原理

1、LMD技术基本原理

    LMD技术作为增材制造技术的一种，是通过快速成型（RapidPrototyping，RP）技术和激光熔覆技术有机结合，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。整个LMD系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。

    LMD快速成型技术的基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等，并转换成相应的计算机数字控制程序；第三，将激光溶化沉积腔抽真空，并充入一定压力的惰性保护气体，防止粉末熔化时被氧化；第四，计算机控制送粉系统向工作台上的基板喷粉，同时激光器在计算机指令控制下，按照预先设置的扫描程序进行扫描，溶化喷洒出来的粉末，熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层；最后，激光阵镜、同轴送粉喷嘴等整体上移（或工作台下移）一个切片厚度并重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的形状，加工出所需的金属零件。

2、SLM技术基本原理

    SLM技术作为增材制造技术的另外一种实施方式，由粉床选区激光烧结技术（SLS）发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。整个SLM设备包括激光器、激光阵镜、粉末碾轮、粉末储存室、零件成型室等。

    SLM快速成型技术的基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等，并转换成相应的计算机数字控制程序；第三，将激光溶化沉积腔抽真空，并充入一定压力的惰性保护气体，防止粉末熔化时被氧化；第四，计算机控制可升降系统上升，粉末碾轮将粉末从粉末储存室推送到零件成型室工作台上的基板，同时激光器在计算机指令控制下，按照预先设置的扫描程序进行扫描，溶化铺洒在基板上的粉末，熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层；最后，粉末储存室上移而零件成型室下移一个切片厚度并重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的零件。

航空制造领域增材制造优势：

    （1）采用增材制造，可以使飞机重量减轻，这样或是降低飞机的燃油消耗，或是增加飞机载重量；

    （2）采用增材制造，在早期阶段就可能生产出与批量化生产零件结构类似的功能样件，意味着可以在设计阶段早期就识别出设计错误，以及对工艺过程进行优化。之前预计开发这种零部件需要约6个月，实际只花费了1个月；

    （3）采用增材制造可实现绿色制造，用铣削等机加方法加工飞机零部件制造会导致95%的原材料浪费，而采用激光熔融工艺，浪费大约只有5%左右。

    （4）采用增材制造，对中小批量零件的制造成本具有积极影响。为实现规模经济，相比大批量制造，飞机制造中的批量因素更加至关重要。相比传统制造工艺，增材制造技术不仅消除了工具成本，还具有更高的设计自由度。

    （5）采用增材制造技术还能够开发诸多涉及安全的零部件，比目前使用的零部件更经久耐用。因为采用增材制造技术的零部件配以合适的热处理技术后，零部件具有更高刚度、更低韧性。

    （6）在未来，采用增材制造技术使得在不同的地点按需制造备件也成为可能。一旦遇到零部件失效，备件可以在当地直接生产。这种分散化生产网络可以减少运输距离和交付时间，另外，飞机中与维护相关的停机时间和检测时间也可缩短。

    （7）增材制造技术可以生产出及其精细的骨骼、多孔类零部件，使得未来飞机制造中，将增材制造与仿生学结合，实现飞机零部件的仿真学设计制造，进一步提高飞机安全性。

    未来发展

    金属材料增材制造技术以金属粉末等为原料，以激光束作为刀具，通过激光逐层熔化沉积，实现了零件的"近终成形"。增材制造技术实现了零件的无模具制造，具有材料利用率高、机械加工量小、数控加工时间短、生产成本低、制造周期短、柔性高效等点，给机械加工带来巨大变革，将传统的"制造引导设计、制造性优先设计、经验性设计"的设计加工思路引领到全新的"设计引导制造、功能性优先设计、最优化设计"设计加工领域，给未来的零件设计加工带来了更宽广的明天。随着增材制造技术的不断发展及技术的不断突破，研制零件的力学性能、疲劳性能等不断提高，其在工业领域，特别是航空航天领域必将具有非常广阔的应用前景。

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