電弧增材制造：比激光增材更有發(fā)展前景,？

導(dǎo)讀： 增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術(shù)是基于離散- 堆積原理,，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù),。
OFweek激光網(wǎng)訊：增材制造（Additive Manufacturing,AM）技術(shù)是基于離散-堆積原理,，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù),。該成形方法最大優(yōu)勢(shì)是無(wú)需傳統(tǒng)的刀具即可成形,、降低工序、縮短產(chǎn)品制造周期,，尤其適于低成本小批量產(chǎn)品制造,，而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料附加值高的產(chǎn)品,，其快速高效成形的優(yōu)勢(shì)越顯著,，在航空航天、生物醫(yī)學(xué),、能源化工,、微納制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

面對(duì)新型飛行器低成本,、高可靠性的要求,，其零部件逐漸向大型化、整體化發(fā)展,。增材制造技術(shù)無(wú)需模具,，可直接低成本一體化制造復(fù)雜構(gòu)件，并有望基于增材制造技術(shù)在構(gòu)型能力上的優(yōu)勢(shì),，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)飛行器零部件結(jié)構(gòu),，提高結(jié)構(gòu)效率，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化,、高性能化,。由于簡(jiǎn)化或省略了傳統(tǒng)制造中的工藝準(zhǔn)備、模具設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié),，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造,、分析高度一體化,，能夠顯著縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本。

金屬增材制造技術(shù)按熱源類(lèi)型可分為3類(lèi)：激光,、電子束和電弧,。過(guò)去20年主要研究以激光、電子束為熱源的粉基金屬增材制造技術(shù),，通過(guò)不斷熔化或燒結(jié)金屬粉來(lái)連續(xù)逐層制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件,，現(xiàn)已應(yīng)用于航空航天,、國(guó)防軍工、能源動(dòng)力等高精尖技術(shù)領(lǐng)域部分關(guān)鍵零部件,，但由于其原材料,、熱源特點(diǎn)，金屬粉基激光,、電子束增材制造技術(shù)在成形某些特定結(jié)構(gòu)或特定成分構(gòu)件時(shí)受到一定限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)或即使可以成形,，其原材料、時(shí)間成本很高,，具有諸多不足之處：（1）對(duì)于激光熱源,，其成形速率慢、鋁合金對(duì)激光的吸收率低等,；（2）對(duì)于電子束熱源,，真空爐體尺寸對(duì)構(gòu)件體積的限制；（3）粉基金屬原材料制備成本較高,、易受污染,、利用率低等均增加了原料成本。

基于上述原因,，現(xiàn)有的技術(shù)成形大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時(shí)表現(xiàn)出一定的局限性,，為了應(yīng)對(duì)大型化、整體化航天結(jié)構(gòu)件的增材制造需求,，基于堆焊技術(shù)發(fā)展起來(lái)的低成本,、高效率電弧增材制造技術(shù)受到部分學(xué)者關(guān)注。電弧增材制造技術(shù)（Wireand Arc Additive Manufacture,WAAM）以電弧為載能束,，采用逐層堆焊的方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件,，該技術(shù)主要基于TIG、MIG,、SAW等焊接技術(shù)發(fā)展而來(lái),，成形零件由全焊縫構(gòu)成，化學(xué)成分均勻,、致密度高,，開(kāi)放的成形環(huán)境對(duì)成形件尺寸無(wú)限制，成形速率可達(dá)幾kg/h,，但電弧增材制造的零件表面波動(dòng)較大,，成形件表面質(zhì)量較低，一般需要二次表面機(jī)加工,，相比激光,、電子束增材制造，電弧增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用目標(biāo)是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本,、高效快速近凈成形,。本文主要介紹電弧增材制造技術(shù)現(xiàn)狀,，分析現(xiàn)階段該技術(shù)研究的不足之處，探討其可能的發(fā)展方向,，闡述該技術(shù)在大型化,、整體化高端航空零部件制造中的應(yīng)用。

WAAM技術(shù)現(xiàn)狀

1WAAM裝備系統(tǒng)：1.1基本硬件構(gòu)成及特征
電弧增材制造是數(shù)字化連續(xù)堆焊成形過(guò)程,，其基本成形硬件系統(tǒng)應(yīng)包括成形熱源,、送絲系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電弧增材制造三維實(shí)體零件依賴(lài)于逐點(diǎn)控制的熔池在線(xiàn),、面,、體的重復(fù)再現(xiàn)，若從載能束的特征考慮,，其電弧越穩(wěn)定越有利于成形過(guò)程控制,，即成形形貌的連續(xù)一致性。因此,，電弧穩(wěn)定,、無(wú)飛濺的非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG）和基于熔化極惰性/活性氣體保護(hù)焊（MIG/MAG）開(kāi)發(fā)出冷金屬過(guò)渡（Cold Metal Transfer,CMT）技術(shù)成為目前主要使用的熱源提供方式。

作為由點(diǎn)向三維方向擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),，其位移與速度,、位置的重復(fù)定位精度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等對(duì)成形件尺寸精度的影響至關(guān)重要,，目前使用較多的是數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人,。數(shù)控機(jī)床多作為形狀簡(jiǎn)單、尺寸較大的大型構(gòu)件成形,，機(jī)器人具有更多的運(yùn)動(dòng)自由度,，與數(shù)控變位機(jī)配合，在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)及形狀上更具優(yōu)勢(shì),，但基于TIG的側(cè)向填絲電弧增材制造因絲與弧非同軸,，如果不能保證送絲與運(yùn)動(dòng)方向的相位關(guān)系，高自由度的機(jī)器人可能并不適合,，所以機(jī)器人多與MIG/MAG,、CMT、TOP-TIG等絲弧同軸的焊接電源配合搭建電弧增材成形平臺(tái),。在國(guó)內(nèi)外電弧增材相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的報(bào)道中,，所采用的成形系統(tǒng)如表1所示。相比TIG,、MIG/MAG、PAW等,，CMT具有低熱輸入,、無(wú)飛濺等特點(diǎn),。此外，其送絲運(yùn)動(dòng)與熔滴過(guò)渡過(guò)程可進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào),，在物質(zhì)輸入方面具有更高的可操控性,，可能會(huì)成為將來(lái)電弧增材制造的主要熱源方式。

總體而言,，電弧增材制造載能束具有熱流密度低,、加熱半徑大、熱源強(qiáng)度高等特征,，成形過(guò)程中往復(fù)移動(dòng)的瞬時(shí)點(diǎn)熱源與成形環(huán)境強(qiáng)烈相互作用,，其熱邊界條件具有非線(xiàn)性時(shí)變特征，故成形過(guò)程穩(wěn)定性控制是獲得連續(xù)一致成形形貌的難點(diǎn),，尤其對(duì)大尺寸構(gòu)件而言,，熱積累引起的環(huán)境變量變化更顯著，達(dá)到定態(tài)熔池需要更長(zhǎng)的過(guò)渡時(shí)間,。針對(duì)熱積累導(dǎo)致的環(huán)境變化,，如何實(shí)現(xiàn)過(guò)程穩(wěn)定性控制以保證成形尺寸精度是現(xiàn)階段電弧增材制造的研究熱點(diǎn)�,；�于視覺(jué)傳感系統(tǒng)的焊接質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)首先被移植應(yīng)用于該領(lǐng)域,，并取得了一定成果。

1.2成形過(guò)程穩(wěn)定性硬件系統(tǒng)

電弧增材成形采用逐層累加的方式構(gòu)建三維實(shí)體零件,，保證形狀,、尺寸精度，需要單層成形尺寸與三維數(shù)字化模型建立的分層切片數(shù)據(jù)一致,，但在實(shí)際成形過(guò)程中,，熱積累作用導(dǎo)致熔池體系熱邊界環(huán)境非線(xiàn)性時(shí)變，故實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電弧增材制造系統(tǒng)除了以上的基本成形硬件條件外,，還需要能夠?qū)γ恳怀练e層的表面形貌,、質(zhì)量及尺寸精度進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制。

WAAM增材制造是以高溫液態(tài)金屬熔滴過(guò)渡的方法通過(guò)逐層累積的方式成形的,，成形過(guò)程中隨著堆焊層數(shù)的增加,，成形件熱積累嚴(yán)重、散熱條件變差,，以至于熔池凝固時(shí)間增加,，熔池形狀難于控制，尤其是在零件邊緣,，由于液態(tài)熔池的存在,，邊緣形貌與成形尺寸的控制更加困難，即熱積累作用導(dǎo)致熔池體系熱邊界環(huán)境非線(xiàn)性時(shí)變,，故實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電弧增材制造系統(tǒng)除了以上的基本成形硬件條件外,，還需要能夠?qū)γ恳怀练e層的表面形貌,、質(zhì)量及尺寸精度進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制。在焊槍處安裝紅外溫度傳感器的被動(dòng)反饋式層間溫度控制方式,，強(qiáng)烈依賴(lài)于人為目標(biāo)參數(shù)的設(shè)置,，而直接以熔覆層的形貌尺寸特征作為信號(hào)源，通過(guò)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)尺寸信息,，實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)可能更可取,。如圖1所示，美國(guó)Tufts大學(xué)Kwak等建立了利用MIG焊槍進(jìn)行堆焊成形,，等離子槍在線(xiàn)熱處理,，通過(guò)兩套結(jié)構(gòu)光傳感器對(duì)熔覆層形貌特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及一套紅外攝像機(jī)用于成形件表面溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的雙輸入輸出閉環(huán)控制系統(tǒng),，以焊速和送絲速度作為控制變量,，熔覆堆高和層寬作為被控變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形過(guò)程中成形尺寸的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制,。

　　

國(guó)內(nèi)張廣軍等設(shè)計(jì)了一套用于焊道特征尺寸控制的雙被動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng),，如圖2所示，可同時(shí)獲得熔敷層寬度和焊槍到熔敷層表面的高度圖像,，實(shí)現(xiàn)了熔敷層有效寬度,、堆高等參數(shù)的在線(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)，并以熔敷層有效寬度為被控變量,，焊速為控制變量,，設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制器，通過(guò)模擬仿真和干擾試驗(yàn)驗(yàn)證了控制器性能,。參數(shù)自學(xué)習(xí)PSD控制器在熔敷層定高度,、變高度控制中均可獲得良好的控制效果，同時(shí)通過(guò)對(duì)熔敷層表面到焊槍噴嘴的距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制,，滿(mǎn)足了WAAM成形穩(wěn)定性的要求,。

WAAM載能束熱輸入高、熱源半徑大,、金屬熔體短程流動(dòng)等特征決定了成形尺寸對(duì)工藝參數(shù)具有較弱的響應(yīng)靈敏度,，而且溫度越高越顯著，與焊接過(guò)程焊縫質(zhì)量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)目的不同,，WAAM過(guò)程的監(jiān)測(cè)與反饋控制目的在于控形,，而其寬泛的工藝規(guī)范帶使得這一反饋控制可能無(wú)法取得立竿見(jiàn)影的效果，故在提高成形精度上不能行之有效,。WAAM的應(yīng)用是“近凈成形”,、“原型制造”，其追求的是低成本、高效率而非高精度,，所以對(duì)成形精度要求并不苛刻（需要2次機(jī)加工）,。此外，該系統(tǒng)需在焊槍周?chē)�輔助復(fù)雜的光路系統(tǒng),，光路干涉嚴(yán)重約束了焊槍的可達(dá)性，而從該技術(shù)自身特征出發(fā),，通過(guò)揭示成形機(jī)理,，優(yōu)化工藝，可能更適于簡(jiǎn)單,、高效,、低成本的電弧增材制造。

2成形過(guò)程穩(wěn)定性的工藝控制

不同于激光及電子束,，電弧增材制造的熔池體積較大,，而且成形過(guò)程中因冷態(tài)原材料、電弧力等擾動(dòng)因素的存在,，使得熔池成為一個(gè)不穩(wěn)定的體系,，但WAAM能夠成為增材制造的先決條件是成形過(guò)程必須使得熔池體系具備穩(wěn)定的重復(fù)再現(xiàn)能力。在初期試驗(yàn)規(guī)律性研究階段,，主要基于電弧焊接技術(shù),，針對(duì)不同材料體系匹配不同的焊接方法及成形系統(tǒng)，甄選出關(guān)鍵影響因子,，采用試驗(yàn)方法研究單層單道焊縫形狀與最終成形零件表面質(zhì)量的關(guān)系,，建立起成形質(zhì)量與焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)的關(guān)系，如焊速（TS）,、焊絲直徑（WD）,、送絲速度（WFS）、導(dǎo)電嘴端面與工件距離（CTWD）,、層間溫度,、電流、電壓等,。

在基于TIG的堆焊成形過(guò)程中,，熔滴向熔池過(guò)渡的穩(wěn)定性對(duì)于成形質(zhì)量至關(guān)重要，電弧挺度弱于激光,、電子束等高能束,，已堆焊沉積層形貌質(zhì)量對(duì)下道次的堆焊表面影響較大，上一道次形貌特征在WAAM成形技術(shù)中表現(xiàn)出特定時(shí),、空非連續(xù)“遺傳”特性,，尤其是首道次成形，因基板的表面質(zhì)量、清潔度,、加工狀態(tài)等不盡相同,，因此首道次成形時(shí)應(yīng)采用“強(qiáng)工藝規(guī)范”來(lái)弱化基板對(duì)成形質(zhì)量的影響。圖3對(duì)比分析了在大電流,、相對(duì)較高的送絲速度下首道次TC4合金成形形貌特征,，送絲速度WFS=10m/min時(shí)，首道次成形表面的“隆起”,、“凹陷”缺陷較弱,，成形寬度方向的波動(dòng)性較低�,；�于“��(qiáng)工藝規(guī)范”的首道次成形時(shí),，因不必考慮熔池內(nèi)熔融金屬向兩側(cè)漫流，即重力對(duì)成形性的影響,，向熔池內(nèi)持續(xù)地高速率物質(zhì)輸入以弱化表面張力作用,，使得成形體系成為以熔融態(tài)金屬重力支配作用下的熔覆為主，可能會(huì)降低成形穩(wěn)定性對(duì)基板特征的敏感程度而獲得連續(xù),、穩(wěn)定一致的成形形貌,。

　　

TIG電弧增材制造因其弧、絲的非同軸性,，在成形路徑復(fù)雜多變時(shí),，送絲方向與堆焊方向的相位關(guān)系保持依賴(lài)于行走機(jī)構(gòu)，往往增大了成形,、控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,。基于MIG焊的WAAM雖然熱輸入較高,，但成形速率更快,，而且以焊絲作為電極，弧,、絲具有同軸性,，不存在如TIG電弧增材成形的送絲方向與焊接方向的相位關(guān)系，成形位置的可達(dá)性更高,。Fronius公司基于MIG/MAG開(kāi)發(fā)出冷金屬過(guò)渡（ColdMetalTransfer,，CMT）技術(shù)，因其具有超低熱輸入,、熔滴過(guò)渡無(wú)飛濺,、電弧穩(wěn)定等不同于MIG/MAG的特征，克服了MIG增材成形的諸多弊端而在WAAM成形領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),。2012年英國(guó)Cranfield大學(xué)研究人員系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù),，如焊速,、送絲速度、焊絲直徑等對(duì)基于CMT方法的WAAM技術(shù)成形形貌（有效寬度,、表面波動(dòng)性等）的影響規(guī)律,，以WFS/TS作為歸一化變量，通過(guò)該比值協(xié)調(diào)調(diào)整焊速及送絲速度,，使得在研究工藝與成形形貌的相互關(guān)系時(shí),，工藝參數(shù)的變化水平具有可表征性，以WFS/TS=30時(shí)為例,，不同TS水平下成形形貌如圖3所示,。作者并未探討不同的WFS/TS水平下成形件有效寬度的變化規(guī)律，該參量或許可作為有效寬度定量表征的參考量,，因該系數(shù)直接聯(lián)系于單位時(shí)間內(nèi)熔池物質(zhì)輸入效率，而成形的“隆起”,、“凹陷”缺陷應(yīng)與焊速或送絲速度水平相關(guān),，正如圖3中的成形形貌變化特征，其調(diào)整的參考量應(yīng)為焊接熱輸入,，其成形形貌的變化特征與基于TIG的WAAM技術(shù)類(lèi)似,，增大焊速、降低送絲速度,、減小焊絲直徑均可降低成形件的有效寬度,。

近幾年，我國(guó)西北工業(yè)大學(xué),、哈爾濱工業(yè)大學(xué),、南昌大學(xué)、天津大學(xué)等部分高�,？蒲袡C(jī)構(gòu)也相繼開(kāi)展了WAAM成形技術(shù)的工藝與控制研究工作,，但均處于試驗(yàn)規(guī)律性描述和成形形貌、表面質(zhì)量控制方法研究階段,。增材制造以個(gè)性化,、復(fù)雜化需求為導(dǎo)向，WAAM獨(dú)特的載能束特征及其強(qiáng)烈的載能束與熱邊界相互作用,，決定了針對(duì)不同的材料體系,、結(jié)構(gòu)特征、尺寸,、熱沉條件等,，WAAM成形工藝也不一而同，可能無(wú)法如其他材料加工技術(shù)那樣制定加工圖或工藝規(guī)范帶,，這意味著以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)方法難以面面俱到,，更需要通過(guò)探討WAAM成形物理過(guò)程，深入認(rèn)識(shí)其成形基礎(chǔ)理論，在材料,、結(jié)構(gòu),、形狀、路徑改變時(shí),，成形工藝參數(shù)設(shè)計(jì)有“據(jù)”可依,，以適于自由多變靈活的WAAM成形過(guò)程。目前,，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的探討WAAM成形基礎(chǔ)理論問(wèn)題的文章較少,，僅涉及到成形過(guò)程溫度場(chǎng)的演變及應(yīng)力分布規(guī)律研究[27]，從溫度場(chǎng)演變規(guī)律出發(fā),，析出熔池?zé)徇吔缫恢滦缘目刂品椒�,，可能�?duì)于工藝控形更具意義，并進(jìn)一步從電弧參數(shù)和材料送進(jìn)對(duì)成形過(guò)程的影響,、熔池動(dòng)力學(xué),、成形表面形貌演化動(dòng)力學(xué)等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，揭示電弧增材成形的物理過(guò)程,，應(yīng)成為該領(lǐng)域研究工作的核心,。

3WAAM成形件性能

相比激光、電子束增材制造技術(shù)而言,，電弧的熱輸入較高,，WAAM成形過(guò)程中熔池和熱影響區(qū)的尺寸較大，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)已成形構(gòu)件將受到移動(dòng)的電弧熱源往復(fù)后熱作用,，而且隨著成形高度增大,，基體熱沉作用減弱，熱耗散條件也發(fā)生變化,，每一層的熱歷程不盡相同,，因此，基于連續(xù)成形過(guò)程中溫度場(chǎng)演變規(guī)律,，研究凝固織構(gòu)的晶體學(xué)特征及周期性,，表征不同熱歷程條件下成形件的力學(xué)性能，成為控性的基礎(chǔ),。

　 　

電弧增材成形的本質(zhì)是微鑄自由熔積成形,，逐點(diǎn)控制熔池的凝固組織可減少或避免成分偏析、縮孔,、凝固裂紋等缺陷的形成,。在圖4TC4鈦合金成形件組織形貌中，可明顯觀察到貫穿于整個(gè)成形件的粗大柱狀初生β晶粒,。初生β晶粒由底層熔池底部外延生長(zhǎng)直至距離頂部1~2mm的位置,，粗大柱狀晶的顏色差異源于不同晶粒的晶體取向差別,，晶粒長(zhǎng)大方向幾乎垂直于基體，這種組織的形成可能是源于首道次堆焊時(shí),，因采用TC4基體,，熔合線(xiàn)附近的基板組織發(fā)生α相向β轉(zhuǎn)變，在熔合線(xiàn)附近形成完全的β相組織,，然后β相作為形核點(diǎn)經(jīng)外延生長(zhǎng)而快速長(zhǎng)大,，下道次成形時(shí)，在熔合線(xiàn)附近β晶粒繼續(xù)外延長(zhǎng)大,，而在熱影響區(qū)內(nèi),，發(fā)生粗化，周而復(fù)始最終形成圖4左側(cè)所示的宏觀粗大柱狀β晶粒,。

Wang等沿不同方向在TC4單壁成形件不同位置取樣,，并與鍛件對(duì)比，評(píng)價(jià)沿成形方向及垂直于成形方向上成形件力學(xué)性能,。在優(yōu)化工藝參數(shù)下,，雖然沿成形方向和垂直于成形方向抗拉強(qiáng)度存在一定差異，但強(qiáng)度差異并不顯著,。垂直于成形方向的塑性（沿柱狀初生β晶粒方向）顯著優(yōu)于沿成形方向，比鍛件高30%左右,。在本課題組有關(guān)5A06鋁合金電弧增材成形的性能研究中,，獲得了類(lèi)似結(jié)論，成形件抗拉強(qiáng)度與鍛件基本持平,，但塑性顯著提高,。鋁合金組織中并未出現(xiàn)圖4中貫穿整個(gè)構(gòu)件的宏觀柱狀組織，織構(gòu)擇優(yōu)取向特征可能并非導(dǎo)致塑性提高的誘因,，或許與成形過(guò)程中各層熔接特征相關(guān),，這一猜想有待進(jìn)一步驗(yàn)證。增材制造最大的優(yōu)勢(shì)在于其復(fù)雜形狀的構(gòu)型能力,，現(xiàn)階段的研究工作主要聚焦于控形,，而性能的研究?jī)H限于表征其性能水平。成形過(guò)程受往復(fù)移動(dòng)瞬時(shí)點(diǎn)熱源的前熱,、后熱作用,，凝固織構(gòu)的取向、分布,、晶粒度等必然與成形的熱物理過(guò)程相關(guān),，因此以溫度場(chǎng)演變特征為契機(jī)，實(shí)現(xiàn)形性一體化控制是增材制造有別于傳統(tǒng)減材,、等材加工方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì),。

WAAM在航空制造中應(yīng)用前景

隨輕量化,、高機(jī)動(dòng)性先進(jìn)航空飛行器的發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件也向著輕量化,、大型化,、整體化改進(jìn)，低成本高效地制造高可靠性,、功能結(jié)構(gòu)一體化的大型航空結(jié)構(gòu)件成為航空制造技術(shù)發(fā)展的新挑戰(zhàn),。電弧增材制造以連續(xù)“線(xiàn)”作為基本構(gòu)型單元，適于機(jī)體內(nèi)部框架,、加強(qiáng)肋及壁板結(jié)構(gòu)的快速成形,。目前，大型整體鈦,、鋁合金結(jié)構(gòu)在飛行器上的應(yīng)用越來(lái)越多,，雖然大型一體化結(jié)構(gòu)件可顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，但這種結(jié)構(gòu)給傳統(tǒng)減材,、等材加工制造帶來(lái)巨大困難,。如美國(guó)F35的主承力構(gòu)件仍需幾萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)壓制成形，后期需要大量繁瑣的銑削,、打磨等工序,，制造周期長(zhǎng)。大型框架,、整體筋板加強(qiáng)筋和加強(qiáng)肋的增材制造等強(qiáng)烈依賴(lài)于機(jī)加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)件采用增材制造,，可逾越國(guó)外對(duì)我國(guó)大噸位、高自由度機(jī)加工設(shè)備的技術(shù)封鎖,，推進(jìn)我國(guó)先進(jìn)航空飛行器研發(fā)進(jìn)度,。

此外，受限于傳統(tǒng)加工技術(shù),，現(xiàn)代飛機(jī)零部件可能在結(jié)構(gòu),、重量、形狀等諸多方面有所妥協(xié),，以便于加工制造,。基于增材制造技術(shù)在構(gòu)型能力上的優(yōu)勢(shì),，面向電弧增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),，具有更大的設(shè)計(jì)自由度，可顯著降低結(jié)構(gòu)重量,。EADS公司為空客激光增材制造了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)翼支架,，比使用鑄造的支架減重約40%，踐行了面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思路,，尤其面對(duì)大型結(jié)構(gòu)件,，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可能會(huì)在減重方面具有更顯著的效果,。

2015年11月，紐約州已與Norsk Titanium達(dá)成“公,、私合作協(xié)議”,，紐約州將投資1.25億美元建工業(yè)規(guī)模的3D打印工廠，廠址設(shè)在紐約州Plattsburgh市,。其主要成形技術(shù)為電弧填絲增材制造,，預(yù)計(jì)2016年竣工，該增材制造工廠首要目標(biāo)是改變目前航空結(jié)構(gòu)件大余量的鈦金屬去除狀況,，實(shí)現(xiàn)高效,、低成本、高材料利用率地制造航空零部件,。Norsk Titanium公司制造的某電弧增材成形零件成本可降低50%~70%,，可縮短75%的產(chǎn)品上市時(shí)間。

發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

不論是替代傳統(tǒng)加工制造的部分環(huán)節(jié),，還是基于靈活的構(gòu)型能力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu),，電弧增材制造技術(shù)付諸實(shí)踐還需經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的發(fā)展完善過(guò)程。2012年3月,，美國(guó)白宮宣布振興美國(guó)制造的新舉措,，投資10億美金幫助美國(guó)制造進(jìn)行體系改革，增材制造作為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)計(jì)劃的三大背景技術(shù)之一,，旨在通過(guò)改善增材制造材料,、裝備及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的小批量,、低成本數(shù)字化制造。英,、德,、法等國(guó)家也相繼推出相關(guān)措施，推動(dòng)本國(guó)增材制造技術(shù)的發(fā)展,。英國(guó)在電弧增材制造研究領(lǐng)域處于國(guó)際前沿,，以Cranfield大學(xué)為代表的一批研究機(jī)構(gòu)在政府立項(xiàng)、企業(yè)出資參與下,，針對(duì)電弧增材自動(dòng)化控制,、成形件力學(xué)性能研究、殘余應(yīng)力及變形控制,、復(fù)雜形狀構(gòu)件成形路徑規(guī)劃和工業(yè)化應(yīng)用準(zhǔn)則等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究,，并逐步建立起政府、企業(yè),、科研機(jī)構(gòu)的多層次研團(tuán)隊(duì)梯隊(duì),，與Airbus,、Rolls-Royce、BAESystem,、BombardierAerospace,、Astrium、EADS等一大批航空航天企業(yè)建立并開(kāi)展廣泛研究合作,，研究目標(biāo)對(duì)接工業(yè)化應(yīng)用,。增材制造的優(yōu)勢(shì)就在于工序簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)直接面對(duì)客戶(hù)的制造,，可省略其中環(huán)節(jié)而極大縮短研發(fā)周期,。對(duì)增材制造而言，建立多層次多結(jié)構(gòu)的研發(fā)體系,，客戶(hù)直接參與到制造中才能盡其所能地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),。

我國(guó)正處于推進(jìn)“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變時(shí)期，增材制造技術(shù)對(duì)增強(qiáng)我國(guó)產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力,，實(shí)現(xiàn)從“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”邁進(jìn)有重要意義,。增材制造技術(shù)及產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、汽車(chē),、生物醫(yī)療,、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，涌現(xiàn)出一批具備一定競(jìng)爭(zhēng)力的骨干企業(yè),。但我國(guó)電弧增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段,，與先進(jìn)國(guó)家相比還存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系,，離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,、工程化應(yīng)用還有一定距離。關(guān)鍵核心技術(shù)有待突破,，裝備及核心器件,、成形材料、工藝及軟件等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱,，政策與標(biāo)準(zhǔn)體系有待建立,，缺乏有效的協(xié)調(diào)推進(jìn)機(jī)制。尤其對(duì)我國(guó)電弧增材制造技術(shù)而言,，其系統(tǒng)的研究工作起步相對(duì)較晚,，較英國(guó)有一定的差距，應(yīng)該在加快提升電弧增材制造技術(shù)水平的同時(shí),，加速發(fā)展其必備的核心器件,，并就建立和完善產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系等方面加快推進(jìn)計(jì)劃，以政府及國(guó)家規(guī)劃為導(dǎo)向,，鼓勵(lì)更多的直接面向客戶(hù)的企業(yè)參與其中,，力爭(zhēng)在短期內(nèi)初步建立較為完善的產(chǎn)業(yè)體系,，整體技術(shù)水平保持與國(guó)際同步，在航空航天等制造領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,。


來(lái)源：航空制造網(wǎng)