增材製造

工業化的LSF-V大型激光立體成形裝備所謂數字化增材製造技術就是一種三維實體快速自由成形製造新技術，它綜合了計算機的圖形處理、數字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優勢，學者們對其有多種描述。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室的黃衛東教授稱這種新技術為“數字化增材製造”，中國機械工程學會宋天虎秘書長稱其為“增量化製造”，其實它就是不久前引起社會廣泛關注的“三維列印”技術的一種。西方媒體把這種實體自由成形製造技術譽為將帶來“第三次工業革命”的新技術。

關橋院士提出了“廣義”和“狹義”增材製造的概念（如圖所示），“狹義”的增材製造是指不同的能量源與CAD/CAM技術結合、分層累加材料的技術體系；而“廣義”增材製造則以材料累加為基本特徵，以直接製造零件為目標的大範疇技術群。如果按照加工材料的類型和方式分類，又可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等（如圖所示）。

一是材料單元的控制技術。即如何控制材料單元在堆積過程中的物理與化學變化是一個難點，例如金屬直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控制直接影響製造精度和製件性能。

二是設備的再塗層技術。增材製造的自動化塗層是材料累加的必要工序，再塗層的工藝方法直接決定了零件在累加方向的精度和質量。分層厚度向0.01mm發展，控制更小的層厚及其穩定性是提高製件精度和降低表面粗糙度的關鍵。

三是高效製造技術。增材製造在向大尺寸構件製造技術發展，例如金屬激光直接製造飛機上的鈦合金框睴結構件，框睴結構件長度可達6m，製作時間過長，如何實現多激光束同步製造，提高製造效率，保證同步增材組織之間的一致性和製造結合區域質量是發展的難點。

此外，為提高效率，增材製造與傳統切削製造結合，發展材料累加製造與材料去除製造複合製造技術方法也是發展的方向和關鍵技術。

AM技術不需要傳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，從而實現了零件“自由製造”，解決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。而且產品結構越複雜，其製造速度的作用就越顯著。

歐美髮達國家紛紛制定了發展和推動增材製造技術的國家戰略和規劃，增材製造技術已受到政府、研究機構、企業和媒體的廣泛關注。2012年3月，美國白宮宣布了振興美國製造的新舉措，將投資10億美元幫助美國製造體系的改革。其中，白宮提出實現該項計劃的三大背景技術包括了增材製造，強調了通過改善增材製造材料、裝備及標準，實現創新設計的小批量、低成本數字化製造。2012年8月，美國增材製造創新研究所成立，聯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餘家企業、11家非營利機構和專業協會。

英國政府自2011年開始持續增大對增材製造技術的研發經費。以前僅有拉夫堡大學一個增材製造研究中，諾丁漢大學,謝菲爾德大學、埃克塞特大學和曼徹斯特大學等相繼建立了增材製造研究中心。英國工程與物理科學研究委員會中設有增材製造研究中心，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。

除了英美外，其他一些發達國家也積極採取措施，以推動增材製造技術的發展。德國建立了直接製造研究中心，主要研究和推動增材製造技術在航空航天領域中結構輕量化方面的應用；法國增材製造協會致力於增材製造技術標準的研究；在政府資助下，西班牙啟動了一項發展增材製造的專項，研究內容包括增材製造共性技術、材料、技術交流及商業模式等四方面內容；澳大利亞政府於2012年2月宣布支持一項航空航天領域革命性的項目“微型發動機增材製造技術”，該項目使用增材製造技術製造航空航天領域微型發動機零部件；日本政府也很重視增材製造技術的發展，通過優惠政策和大量資金鼓勵產學研用緊密結合，有力促進該技術在航空航天等領域的應用。

大型整體鈦合金關鍵結構件成形製造技術被國內外公認為是對飛機工業裝備研製與生產具有重要影響的核心關鍵製造技術之一。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室已經建立了系列激光熔覆成形與修復裝備，可滿足大型機械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復和再製造。應用該技術實現了C919 飛機大型鈦合金零件激光立體成形製造。民用飛機越來越多地採用了大型整體金屬結構，飛機零件主要是整體毛坯件和整體薄壁結構件，傳統成形方法非常困難。商飛決定採用先進的激光立體成形技術來解決C919飛機大型複雜薄壁鈦合金結構件的製造。西北工業大學採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，顯著降低生產成本。

北航在金屬直接製造方面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關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術，解決了大型整體金屬構件激光成形過程零件變形與開裂“瓶頸難題”和內部缺陷和內部質量控制及其無損檢驗關鍵技術，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鍵整體構件，並在大型客機C919等多型重點型號飛機研製生產中得到應用。

西安交大以研究光固化快速成型（SL）技術為主，於1997年研製並銷售了國內第一台光固化快速成型機；並分別於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，建立了一套支撐產品快速開發的快速製造系統，研製、生產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，產品遠銷印度、俄羅斯、肯亞等國，成為具有國際競爭力的快速成型設備製造單位。

西安交大在新技術研發方面主要開展了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，研製了一種基於硅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、一體化鑄型等複雜陶瓷零件的快速製造。

西安交大與中國空氣動力研究與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面進行了研究工作。設計了樹脂—金屬複合模型的結構方案，採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，並與金屬模型試驗數據相對比。強度校核試驗顯示，模型的整體性能良好，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。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技術，將低能電子束固化技術與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工藝。

上海理工大學“增材製造國際實驗室”通過整建制引進海外著名科學家（院士）團隊，澳大利亞工程院院士吳鑫華，澳大利亞科學院、工程院院士、中國工程院外籍院士余艾冰，美國科學院院士Rodney R. Boyer，美國工程院院士James C. Williams接受我校聘任，分別擔任我校“增材製造國際實驗室”主任和方向帶頭人。

AM已成為先進位造技術的一個重要的發展方向，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）向組織與結構一體化製造發展。未來需要解決的關鍵技術包括精度控制技術、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。

我國在電子、電氣增材製造技術上取得了重要進展。稱為立體電路技術（SEA，SLS+LDS）。電子電器領域增材技術是建立了現有增材技術之上的一種綠色環保型電路成型技術，有別於傳統二維平面型印製線路板。傳統的印製電路板是電子產業的糧食，一般採用傳統的不環保的減法製造工藝，即金屬導電線路是蝕刻銅箔后形成的，新一代增材製造技術採用加法工藝：用激光先在產品表面鐳射后，再在藥水中浸泡沉積上去。這類技術與激光分層製造的增材製造相結合的一種途徑是：在SLS（激光選擇性燒結）粉體中加入特殊組份，先3D列印（增材製造成型）再用微航3D立體電路激光機沿表面鐳射電路圖案，再化學鍍成金屬線路。

“立體電路製造工藝”涉及的SLS+LDS技術是我國本土企業發明的製造工藝。是增材製造在電子、電器產品領域分支應用技術。也涉及到激光材料、激光機、后處理化學藥水等核心要素。目前立體電路技術已經成為高端智能手機天線主要製造技術，產業界已經崛起了立體電路產業板塊。

以激光束、電子束、等離子或離子束為熱源，加熱材料使之結合、直接製造零件的方法，稱為高能束流快速製造，是增材製造領域的重要分支，在工業領域最為常見。

在航空航天工業的增材製造技術領域，金屬、非金屬或金屬基複合材料的高能束流快速製造是當前發展最快的研究方向。

經過20多年的發展，增材製造經歷了從萌芽到產業化、從原型展示到零件直接製造的過程，發展十分迅猛。美國專門從事增材製造技術諮詢服務的Wohlers協會在2012年度報告中，對各行業的應用情況進行了分析。在過去的幾年中，航空零件製造和醫學應用是增長最快的應用領域。2012年產能規模將增長25%至21.4億美元，2019年將達到60億美元。增材製造技術正處於發展期，具有旺盛的生命力，還在不斷發展；隨著技術發展，應用領域也將越來越廣泛。

高速、高機動性、長續航能力、安全高效低成本運行等苛刻服役條件對飛行器結構設計、材料和製造提出了更高要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結構功能一體化以及低成本運行成為結構設計、材料應用和製造技術共同面臨的嚴峻挑戰，這取決於結構設計、結構材料和現代製造技術的進步與創新。

首先，增材製造技術能夠滿足航空武器裝備研製的低成本、短周期需求。隨著技術的進步，為了減輕機體重量，提高機體壽命，降低製造成本，飛機結構中大型整體金屬構件的使用越來越多。大型整體鈦合金結構製造技術已經成為現代飛機製造工藝先進性的重要標誌之一。美國F-22后機身加強框、F-14和“狂風”的中央翼盒均採用了整體鈦合金結構。大型金屬結構傳統製造方法是鍛造再機械加工，但能用於製造大型或超大型金屬鍛坯的裝備較為稀缺，高昂的模具費用和較長的製造周期仍難滿足新型號的快速低成本研製的需求；另外，一些大型結構還具有複雜的形狀或特殊規格，用鍛造方法難以製造。而增量製造技術對零件結構尺寸不敏感，可以製造超大、超厚、複雜型腔等特殊結構。除了大型結構，還有一些具有極其複雜外形的中小型零件，如帶有空間曲面及密集複雜孔道結構等，用其他方法很難製造，而用高能束流選區製造技術可以實現零件的凈成形，僅需拋光即可裝機使用。傳統製造行業中，單件、小批量的超規格產品往往成為制約整機生產的瓶頸，通過增量製造技術能夠實現以相對較低的成本提供這類產品。

據統計，我國大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過10 %；同時，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來研製成本的上升。通過高能束流增量製造技術，可以節省材料三分之二以上，數控加工時間減少一半以上，同時無須模具，從而能夠將研製成本尤其是首件、小批量的研製成本大大降低，節省國家寶貴的科研經費。

通過大量使用基於金屬粉末和絲材的高能束流增材製造技術生產飛機零件，從而實現結構的整體化，降低成本和周期，達到“快速反應，無模敏捷製造”的目的。隨著我國綜合國力的提升和科學技術的進步，我國經濟體已經處於世界經濟體前列，與發達國家的一樣，保證研製速度、加快裝備更新速度，急需要這種新型無模敏捷製造技術——金屬結構快速成形直接製造技術。

其次，增材製造技術有助於促進設計-生產過程從平面思維向立體思維的轉變。傳統製造思維是先從使用目的形成三維構想，轉化成二維圖紙，再製造成三維實體。在空間維度轉換過程中，差錯、干涉、非最優化等現象一直存在，而對於極度複雜的三維空間結構，無論是三維構想還是二維圖紙化已十分困難。計算機輔助設計（CAD）為三維構想提供了重要工具，但虛擬數字三維構型仍然不能完全推演出實際結構的裝配特性、物理特徵、運動特徵等諸多屬性。採用增量製造技術，實現三維設計、三維檢驗與優化，甚至三維直接製造，可以擺脫二維製造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進行設計與生產，大大簡化設計流程，從而促進產品的技術更新與性能優化。在飛機結構設計時，設計者既要考慮結構與功能，還要考慮製造工藝，增材製造的最終目標是解放零件製造對設計者的思想束縛，使飛機結構設計師將精力集中在如何更好實現功能的優化，而非零件的製造上。在以往的大量實踐中，利用增量製造技術，快速準確地製造並驗證設計思想在飛機關鍵零部件的研製過程中已經發揮了重要的作用。另一個重要的應用是原型製造，即構建模型，用於設計評估，例如風洞模型，通過增材製造迅速生產出模型，可以大大加快“設計-驗證”迭代循環。

再次，增材製造技術能夠改造現有的技術形態，促進位造技術提升。利用增量製造技術提升現有製造技術水平的典型的應用是鑄造行業。利用快速原型技術製造蠟模可以將生產效率提高數十倍，而產品質量和一致性也得到大大提升；利用快速制模技術可以三維列印出用於金屬製造的砂型，大大提高了生產效率和質量。在鑄造行業採用增量製造快速制模已漸成趨勢。

3D列印技術正在成為發達國家實現製造業迴流、提升產業競爭力的重要載體。可以說，新一輪的全球製造業競爭，極有可能是3D列印與機器人等高端裝備的競爭。以3D列印為代表的數字化、智能化製造以及新型材料的應用將重塑製造業和服務業的關係，重塑國家和地區比較優勢，重塑經濟發展格局，加快第三次工業革命的進程。

作為一項正在發展中的製造技術，增材製造的成熟度還遠不能同金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等製造技術相比，還有大量研究工作需要進行，包括激光成型專用合金體系、零件的組織與性能控制、應力變形控制、缺陷的檢測與控制、先進裝備的研發等，涉及到從科學基礎、工程化應用到產業化生產的質量保證各個層次的研究工作。

我國在增材製造技術新設備研發和應用上投入不足，在許多方面落後於國外。相對於美歐國家，我們在新技術的開發上已顯落後，例如三維彩色列印技術缺少研究與開發。在應用上，我們許多行業缺少後續技術研發，例如在快速製造的原型向模具和功能零件轉化方面沒有形成系統技術體系，企業沒有很好地將此技術應用在產品開發方面。

增材製造尤其適合於航空航天產品中的零部件單件小批量的製造，具有成本低和效率高的優點。這體現出了增材製造在複雜曲面和結構製造上的快速性和經濟性優勢。國外快速成型技術在航空領域超過8%的應用量，而我國的應用量則非常低。

在國內，一些3D列印設備製造企業都是各自為政，而且一些研究相關技術的高校及科研院所也是各自為政，這種鬆散型的行業關係，使得國內的快速成型技術發展緩慢，很難與國外技術相抗衡。為此，專家建議政府部門和行業高度關注新技術的發展，並給予政策扶持。除了產業政策和資金支持外，希望可以組成行業聯盟。

專家建議，國家相關政府部門牽頭組織成立行業協會或技術聯盟之類的緊密型組織，整合國內相關資源，發揮科研單位及生產製造企業的各自優勢，揚長補短，真正使國內的增材製造技術趕超國外、3D列印設備製造水平得到提高，建設3D列印創業基地，建立3D列印中心，促進3D列印產業集群集聚發展，使我國增材製造技術快速發展，以引領製造業加快轉型升級。