【解析】國外高能束增材制造技術應用現(xiàn)狀與最新發(fā)展

3D打印是近年來迅速發(fā)展起來的高端數(shù)字化制造技術。其中以激光束、電子束為能量源的高能束增材制造技術是該技術領域的重要發(fā)展方向，該類技術在航空航天領域有良好的應用前景，國內外都非常重視。  增材制造技術的共同特點是：容易實現(xiàn)三維數(shù)字化制造，尤其適合難加工材料、復雜結構零件的研制生產(chǎn)；原材料利用率高，符合綠色制造理念；增材制造后的性能及質量優(yōu)越，有時可以實現(xiàn)結構減重；無需借助刀具和模具就可以直接制造出產(chǎn)品，響應速度快。  美國政府及歐盟都已通過政府資助、企業(yè)R＆D資金等方式投入了大量的研發(fā)經(jīng)費，支持馬歇爾宇航 中心、波音、洛克希德-馬丁、通用電氣以及歐洲的EADS、羅爾-羅伊斯等為代表的大型航空航天軍工企業(yè)，采用“產(chǎn)、學、研”的方式進行增材制造技術的研究應用工作，并已取得了長足的進展。  

  
國外技術發(fā)展現(xiàn)狀   
金屬材料增材制造技術是在航空航天領域關鍵件研制需求的牽引下誕生的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，增材制造經(jīng)歷了從萌芽到產(chǎn)業(yè)化、從原型展示到零件直接制造的過程，發(fā)展十分迅猛。  2012年8月，美國增材制造創(chuàng)新研究院成立，聯(lián)合了賓夕法尼亞州西部、俄亥俄州東部和弗吉尼亞州西部的14所大學、40余家企業(yè)，把航空航天應用需求作為增材制造的優(yōu)先研究目標。 作為美國制造業(yè)振興計劃項目的一部分，2012年8月美國政府高調宣布成立國家增材制造創(chuàng)新研究院（NAMII）；2011年3月英國工程和自然科學研究委員會（EPSRC）在諾丁漢大學成立增材制造技術創(chuàng)新中心；2013年1月歐空局（ESA）啟動一項增材制造技術研究計劃；澳大利亞也制定了增材制造技術發(fā)展路線圖。  英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術的研發(fā)經(jīng)費。英國工程與物理科學研究委員會中設有增材制造研究中心，參與機構包括拉夫堡大學、伯明翰大學、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學、研究機構及企業(yè)。  

除了英美外，其它一些發(fā)達國家也積極采取措施，以推動增材制造技術的發(fā)展。德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推動增材制造技術在航空航天領域中結構輕量化方面的應用；法國增材制造協(xié)會致力于增材制造技術標準的研究；在政府資助下，西班牙啟動了一項發(fā)展增材制造的專項，研究內容包括增材制造共性技術、材料、技術交流及商業(yè)模式等四方面內容；澳大利亞政府于2012年2月宣布支持一項航空航天領域革命性的項目“微型發(fā)動機增材制造技術”，該項目使用增材制造技術制造航空航天領域微型發(fā)動機零部件，有力促進該技術在航空航天等領域的應用。   

高能束增材制造技術研究應用現(xiàn)狀   
根據(jù)填充材料方式的不同，高能束增材制造可以分為預鋪粉和同步送粉或送絲兩種，結合激光、電子束兩種高能束能量源，預鋪粉的增材制造技術具體可分為激光選區(qū)熔化增材制造（SLM）技術以及選區(qū)電子束熔化增材制造（EBM）技術，同步送粉或送絲增材制造技術主要可分為激光熔化沉積（LMD）技術以及電子束熔絲沉積（EBFF）技術兩種。

激光選區(qū)熔化（SLM）制造技術  
激光選區(qū)熔化制造技術是將零部件CAD模型分層切片，采用預鋪粉的方式，掃描振鏡帶動激光束在計算機控制下沿圖形軌跡掃描選定區(qū)域的合金粉末層，使其熔化并沉積出與切片厚度一致、形狀為零件某個橫截面的金屬薄層，直到制造出與構件CAD模型一致的金屬零件。  SLM制造激光功率一般在數(shù)百瓦級，精度高（最高可達0.05mm）、質量好，加工余量很小或無加工余 量。除精密的配合面之外，制造的產(chǎn)品一般經(jīng)噴砂或拋光等后續(xù)簡單處理就可直接使用。適合中、小型復雜結構件（尤其是復雜薄壁型腔結構件）的高精度整體快速制造。  

2003 年底德國推出了世界上第一臺SLM 設備。近年來，德國EOS、Concept Laser、SLM Solutions、英國Renishaw等技術公司在激光選區(qū)熔化增材制造技術與設備方面取得了長足的進步。SLM設備采用的激光器幾乎都采用高光束質量維護性好、光電轉化效率高的光纖激光器。  為了進一步提高激光選區(qū)熔化增材制造技術的沉積效率，2012年11月，德國SLM-Solutions公司采用兩臺激光器/兩臺掃描振鏡組成激光選區(qū)熔化增材制造成形系統(tǒng)，設備成形尺寸范圍為500mm×280mm×325mm,兩臺激光掃描裝置可以單獨工作，也可以同時工作，能滿足大型復雜構件的應用需求。  在應用方面，美國GE公司在各大型企業(yè)中率先成立金屬材料激光熔化增材制造研發(fā)團隊，并于2012年收購了Morris 和RQM兩家專業(yè)從事SLM制造技術的公司。GE公司將在LEAP噴氣發(fā)動機中采用SLM制造燃油噴嘴。每臺發(fā)動機預計19個燃油噴嘴。GE公司在未來三年內預計每年生產(chǎn)25000個燃油噴嘴，共計約10萬個燃油噴嘴。     

美國NASA馬歇爾航天飛行中心的科學家和工程師們于2012年采用激光選區(qū)熔化成形技術制造了復雜結構金屬零部件樣件，用于“太空發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭。  NASA認為這項技術可以極大地降低制造零件所需的時間，在一些情況下甚至將制造時間從數(shù)月降低至數(shù)周，提高了經(jīng)濟可承受性。由于不再需要把零部件焊接到一起，其結構強度得到提高，變得更加可靠，使整體火箭更加安全。NASA目前暫定在2017年第一次“太空發(fā)射系統(tǒng)”飛行試驗中使用由激光選區(qū)熔化技術制造的零部件。  

2013年8月，NASA對SLM制造的J-2X發(fā)動機噴注器樣件進行了熱試車，如圖1所示，結果表明SLM制造的零件可完全滿足發(fā)動機零件的設計使用要求。  美國加利福尼亞大學圣迭戈分校太空發(fā)展探索團隊用3D打印方法制造火箭發(fā)動機推力室組件（圖2）。相對于傳統(tǒng)制造方法，3D打印技術為火箭發(fā)動機提供一種全新的制造方法。


激光熔化沉積（LMD）制造技術  
LMD技術是采用同步輸送的金屬原料方法，按照CAD分層生成的圖形文件，逐層沉積出三維金屬零件實體的工藝過程。  LMD的主要特點是同軸送粉、光斑直徑大、激光功率大（數(shù)千瓦級）、粉末完全熔化、成形效率高，成形精度1～3mm。適用一般用于形狀相對復雜的大型金屬構件毛坯的制備，零件在使用前需進行加工，加工余量較大。  在美國能源部研究計劃支持下，Sandia及Los Alomos國家實驗室率先發(fā)展出稱為LENS及LMD的技術，研究了不銹鋼、鎳基合金、鈦合金、難熔金屬等材料的組織及性能，并采用該項技術制造標準-3（SM3）導彈三維導向和姿態(tài)控制系統(tǒng)中的錸零件，可降低50%的制造成本和制造周期，顯示出該技術在高性能金屬零件直接成形方面的優(yōu)勢。            

由于該技術在大型鈦合金結構件直接成形方面的突出優(yōu)勢及其在飛機等裝備研究生產(chǎn)中的廣闊應用前景，高性能鈦合金結構件的激光快速成形研究一直是該領域的研究重點。  美國加利福尼亞先進結構研究院設計了一種MX3D機器人（圖3）用于大型結構件制造，可實現(xiàn)大坡度結構件的制造。      

AirBus公司的A300機型和A350XWB機型已經(jīng)開始使用3D打印的零件，有些支架類零件可以減重30%～55%，節(jié)省大量地原材料。

電子束增材制造技術  
電子束增材制造是指利用計算機把零件的三維CAD模型進行分層處理，獲得各層截面的二維輪廓信息并生成加工路徑，以高能量密度的電子束作為熱源，按照預定的加工路徑，在真空室內熔化材料，逐層堆積，最終實現(xiàn)金屬零件成形的技術。  電子束增材制造主要優(yōu)點表現(xiàn)如下：在真空環(huán)境中進行，對處于高溫狀態(tài)的金屬材料的保護效果更好，不易氧化，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工；電子束容易達到幾十千瓦級功率輸出；零件綜合力學性能好，尤其對鈦合金材料制造的合金元素成分的保持性較好。

選區(qū)電子束熔化（EBM）制造技術  
研究選區(qū)電子束熔化制造技術較好的是瑞典Arcam公司，該公司掌握了EBM關鍵技術及設備專利。由于該技術在粉末近凈成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的獨特優(yōu)勢，電子束快速成形的研究在國外發(fā)展很快。美國北卡羅來納州大學、英國華威大學、德國紐倫堡大學、波音公司、美國Synergeering集團、德國Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO
公司積極開展了相關研究工作。 選區(qū)電子束熔化制造精度在0.3mm左右，電子束最大掃描速度可達7km/s，還可以實現(xiàn)多電子束同時掃描成形制造。
  
電子束熔絲（EBFF）制造技術  
電子束熔絲增材制造主要采用送絲的方式實現(xiàn)材料的添加。美國Sciaky公司開發(fā)的電子束熔絲增材制造設備，如圖4所示。  電子束熔絲增材制造的功率可達幾十千瓦級，制造精度約2～4mm，對提高復雜結構大型工件的生產(chǎn)效率具有重要意義。    圖4  電子束熔絲增材制造設備   

復合材料增材制造技術
近幾年美國NASA非常重視復合材料增材制造技術，先后在國際空間站宇航員用工具以及衛(wèi)星巨型燃料箱的3D打印上取得了重要進展。據(jù)報道，NASA計劃于2014年向國際空間站發(fā)射一臺3D打印設備用于宇航員工作用的非金屬材料工具以及生活用餐具（圖5）的現(xiàn)場制造，以取代額外的儀器及硬件。  

為了完善衛(wèi)星設計、提高衛(wèi)星載荷和有效利用空間，美國洛·馬公司對衛(wèi)星設計制造的一個重要變化 是巨型燃料箱（圖6）采用了3D打印技術。據(jù)報道該燃料箱長約15英尺（約合4.572m），材料為聚碳酸酯，兩周的時間可以打印一件大型燃料箱。       圖5  3D打印的國際空間站非金屬材料工具及餐具      圖6  3D打印的衛(wèi)星大型燃料箱   

技術發(fā)展趨勢   
1  激光束和電子束增材制造技術將會協(xié)調發(fā)展  
以激光束和電子束作為能量源的增材制造技術，二者各自特點的不同，都是先進的增材制造技術，在航空、航天等國防科技工業(yè)領域將會得到協(xié)調發(fā)展。

2  SLM技術發(fā)展趨勢  
SLM工藝向近無缺陷、高精度、新材料成形方向發(fā)展
SLM制造精度最高，在鈦合金、高溫合金等典型航天材料復雜薄壁型腔構件的高性能、高精度制造中具有一定的優(yōu)勢，是近年來國內外研究的熱點。根據(jù)目前檢索到資料，SLM離實現(xiàn)工程化應用仍然存在較多基礎問題需要解決，未來需要在使用粉末技術條件、成形表面球化、內部缺陷形成機理、組織性能與高精度協(xié)同調控等方面開展深入的技術基礎研究。  SLM除在鈦合金、高溫合金材料上應用外，還將向高熔點合金（如鎢合金、錸銥合金等）以及陶瓷材料方向應用延伸。  

SLM裝備向多光束、大成形尺寸、高制造效率方向發(fā)展  
現(xiàn)有的單光束SLM成形設備的適用范圍較小，生產(chǎn)效率還較低，不能滿足較大尺寸復雜構件的整體制造。但從航空、航天型號需求來看，對較大尺寸復雜構件的需求比較迫切，因此未來SLM設備將會向多光束、大成形尺寸、高制造效率方向發(fā)展。

3  LMD技術的工程應用將得到進一步拓展和推廣
國內歷經(jīng)十余年的基礎研究、關鍵技術攻關，解決了技術關鍵，并已實現(xiàn)成功應用，技術相對較成熟。LMD技術可以拓展用于“零件修復”。

4  電子束增材制造技術應用領域將會進一步擴大  
從目前掌握的資料來看，國際上從事EBM裝備制造廠商主要是瑞典的Arcam公司，該公司除了設備制造外，還掌握了鈦合金、鈦鋁合金等材料的EBM制造工藝，在醫(yī)學領域有一定的應用，在航空領域也有少量的的應用，電子束增材制造技術應用領域將會進一步擴大。  

5  高能束增材制造設備研制將會進一步商業(yè)化  
從國外的發(fā)展情況來看，對于每一項增材制造技術，都有一家或數(shù)家成熟的商業(yè)設備制造商，形成了系列化的增材制造裝備。同時，國外的設備制造商除了硬件設備制造外，還進行了大量典型材料成形工藝與材料性能的研究，掌握典型材料成形工藝核心技術，形成較為完備的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。面對應用需求的日益擴大，高能束增材制造設備研制將會進一步商業(yè)化。

作者：陳濟輪 , 楊潔 , 于海靜來源：《航天制造技術》


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