【解析】國外高能束增材制造技術(shù)應(yīng)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(shù),。其中以激光束,、電子束為能量源的高能束增材制造技術(shù)是該技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向,，該類技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景,，國內(nèi)外都非常重視,。  增材制造技術(shù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(zhì)量優(yōu)越，有時可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重,；無需借助刀具和模具就可以直接制造出產(chǎn)品,，響應(yīng)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(xué)、研”的方式進行增材制造技術(shù)的研究應(yīng)用工作,，并已取得了長足的進展,。  

  
國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀   
金屬材料增材制造技術(shù)是在航空航天領(lǐng)域關(guān)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(xué),、40余家企業(yè)，把航空航天應(yīng)用需求作為增材制造的優(yōu)先研究目標(biāo),。 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(diào)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(xué)研究委員會（EPSRC）在諾丁漢大學(xué)成立增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心；2013年1月歐空局（ESA）啟動一項增材制造技術(shù)研究計劃,；澳大利亞也制定了增材制造技術(shù)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(shù)的研發(fā)經(jīng)費。英國工程與物理科學(xué)研究委員會中設(shè)有增材制造研究中心,，參與機構(gòu)包括拉夫堡大學(xué),、伯明翰大學(xué)、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(xué),、研究機構(gòu)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(shù)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(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應(yīng)用,；法國增材制造協(xié)會致力于增材制造技術(shù)標(biāo)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(nèi)容包括增材制造共性技術(shù)、材料,、技術(shù)交流及商業(yè)模式等四方面內(nèi)容,；澳大利亞政府于2012年2月宣布支持一項航空航天領(lǐng)域革命性的項目“微型發(fā)動機增材制造技術(shù)”，該項目使用增材制造技術(shù)制造航空航天領(lǐng)域微型發(fā)動機零部件,，有力促進該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用,。   

高能束增材制造技術(shù)研究應(yīng)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(yù)鋪粉和同步送粉或送絲兩種,，結(jié)合激光,、電子束兩種高能束能量源，預(yù)鋪粉的增材制造技術(shù)具體可分為激光選區(qū)熔化增材制造（SLM）技術(shù)以及選區(qū)電子束熔化增材制造（EBM）技術(shù),，同步送粉或送絲增材制造技術(shù)主要可分為激光熔化沉積（LMD）技術(shù)以及電子束熔絲沉積（EBFF）技術(shù)兩種,。

激光選區(qū)熔化（SLM）制造技術(shù)  
激光選區(qū)熔化制造技術(shù)是將零部件CAD模型分層切片，采用預(yù)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(gòu)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(zhì)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(fù)雜結(jié)構(gòu)件（尤其是復(fù)雜薄壁型腔結(jié)構(gòu)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(shè)備,。近年來，德國EOS,、Concept Laser,、SLM Solutions、英國Renishaw等技術(shù)公司在激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)與設(shè)備方面取得了長足的進步,。SLM設(shè)備采用的激光器幾乎都采用高光束質(zhì)量維護性好,、光電轉(zhuǎn)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(shù)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(shè)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(fù)雜構(gòu)件的應(yīng)用需求。  在應(yīng)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(shù)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(yù)計19個燃油噴嘴,。GE公司在未來三年內(nèi)預(yù)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(xué)家和工程師們于2012年采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造了復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)果表明SLM制造的零件可完全滿足發(fā)動機零件的設(shè)計使用要求,。  美國加利福尼亞大學(xué)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(shù)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(shù)  
LMD技術(shù)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(fù)雜的大型金屬構(gòu)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(shù),，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(shù)制造標(biāo)準-3（SM3）導(dǎo)彈三維導(dǎo)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(shù)在高性能金屬零件直接成形方面的優(yōu)勢,。            

由于該技術(shù)在大型鈦合金結(jié)構(gòu)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(yīng)用前景，高性能鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光快速成形研究一直是該領(lǐng)域的研究重點,。  美國加利福尼亞先進結(jié)構(gòu)研究院設(shè)計了一種MX3D機器人（圖3）用于大型結(jié)構(gòu)件制造,，可實現(xiàn)大坡度結(jié)構(gòu)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(shù)  
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(yù)定的加工路徑,，在真空室內(nèi)熔化材料,，逐層堆積,，最終實現(xiàn)金屬零件成形的技術(shù)。  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(xué)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(shù)  
研究選區(qū)電子束熔化制造技術(shù)較好的是瑞典Arcam公司，該公司掌握了EBM關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備專利,。由于該技術(shù)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(xué),、英國華威大學(xué),、德國紐倫堡大學(xué)、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(guān)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(shù)  
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(shè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shè)備   

復(fù)合材料增材制造技術(shù)
近幾年美國NASA非常重視復(fù)合材料增材制造技術(shù),，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(shè)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(shè)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(shè)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(shù),。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(shù)發(fā)展趨勢   
1  激光束和電子束增材制造技術(shù)將會協(xié)調(diào)發(fā)展  
以激光束和電子束作為能量源的增材制造技術(shù),，二者各自特點的不同，都是先進的增材制造技術(shù),，在航空,、航天等國防科技工業(yè)領(lǐng)域?qū)�會得到協(xié)調(diào)發(fā)展。

2  SLM技術(shù)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(fù)雜薄壁型腔構(gòu)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(nèi)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(yīng)用仍然存在較多基礎(chǔ)問題需要解決，未來需要在使用粉末技術(shù)條件,、成形表面球化,、內(nèi)部缺陷形成機理、組織性能與高精度協(xié)同調(diào)控等方面開展深入的技術(shù)基礎(chǔ)研究,。  SLM除在鈦合金,、高溫合金材料上應(yīng)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(yīng)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(shè)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(fù)雜構(gòu)件的整體制造,。但從航空,、航天型號需求來看，對較大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的需求比較迫切,，因此未來SLM設(shè)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(shù)的工程應(yīng)用將得到進一步拓展和推廣
國內(nèi)歷經(jīng)十余年的基礎(chǔ)研究,、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，解決了技術(shù)關(guān)鍵,，并已實現(xiàn)成功應(yīng)用,，技術(shù)相對較成熟,。LMD技術(shù)可以拓展用于“零件修復(fù)”。

4  電子束增材制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�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(shè)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(xué)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，在航空領(lǐng)域也有少量的的應(yīng)用,，電子束增材制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�會進一步擴大,。  

5  高能束增材制造設(shè)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(shù),，都有一家或數(shù)家成熟的商業(yè)設(shè)備制造商,，形成了系列化的增材制造裝備。同時,，國外的設(shè)備制造商除了硬件設(shè)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(shù),，形成較為完備的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫,。面對應(yīng)用需求的日益擴大，高能束增材制造設(shè)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(shù)》


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