增材制造在航空航天领域的应用——重庆大学航空航天学院王新筑教授专访

近年来，由于增材制造技术的出现，制造业可谓出现了一股增材制造的狂潮。德勤预测，大型上市公司 ( 包括企业 3D 打印机、材料和服务 ) 与增材制造相关的销售额将在 2019 年超过 27 亿美元，2020 年将超过 30 亿美元。增材制造行业每年的增长率约为 12.5%， 是 2015 年前的两倍多。

而其它研究机构对增材制造的预测更为明朗，IDC 预计 2019 年起全球支出将超过 140 亿美元，比 2018 增长 23.2%，在预计 2022 年将达到 230 亿美元。

而从领域来看，航空航天无疑是增材制造最关键的应用领域之一。本期，我们有幸采访到了重庆大学航空航天学院王新筑教授。请他为我们分享增材制造技术在航空航天领域的应用以及未来的发展趋势。

增材制造（俗称：3D 打印，Additive Manufacturing）技术是基于离散或堆积原理的直接加工原型或零件的一个制造过程，是近年发展起来的直接根据 CAD 模型快速生产样件或零件的成组技术总称。它集成了 CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

目前，增材制造主要使用三种方法：光聚合—立体光 刻技术（SL），它是一种液态单体通过光聚合凝固的工业 应用技术；选择性激光烧结 / 熔化（SLS/SLM），这项技 术由于由于优异的复杂结构构造能力和加工件性能成为金 属 3D 打印的热点技术。第三是熔融沉积（FDM）。

王教授指出，增材制造技术需要依托多个学科领域 的尖端技术，包括：信息技术、精密机械和材料科学。 “首先它需要有先进的设计软件及数字化工具，其次， 它需要高精度的 3D 打印设备，像选择性激光烧结 / 熔化 就需要有一个优质的激光环；最后，无论是高分子打印， 还是金属打印，都必须需要实现原材料的液化、粉末化 和丝化。”

航空航天工业现在正越来越多地采用金属增材制造技 术来制备飞行器和发动机上的关键零件和一些非关键性零 件。使用该方法能得到更短的开发周期，更快的产品市场 投放，该方法还有助于实现一些早期难以实现的设计意图。 比如打印航空发动机零部件，目前一台发动机的生产周期 要 2-3 周，而巨大的市场需求和订单量要求我们达到一周 7 台的产能。利用增材制造技术一次成型 3D 打印复杂的发 动机部件，避免了传统工艺中连接、热处理、加工和组装 等繁琐步骤，能显著提升生产效率，缩短交货时间。

“当设计工程师不再受到传统制造工艺的束缚，我们就能够利用增材制造技术产出最接近‘大自然产物’的发动机部件。它可以实现常规制造过程无法完成的复杂形状， 帮助我们针对任何需求制造出最合适的部件。增材制造技术使我们能在设计 / 制造过程中的几乎任意一点做出修改， 节省了制造时间和加工成本。将材料仅用于需要的地方，而无需对每个部件进行成本高昂的专业加工，从而提升了产品性能。利用增材制造技术，工程师只需将所需部件的几何文 件上传到 3D 打印机，便可立即打印出来。这显著减少部件 库存和不必要的运输时间，从而缩短交付周期，使我们的航空发动机能够尽快投入服务。” 王新筑教授说。

与传统机加工的减材制造相比，增材制造的优势还在于 无切削浪费，特别为国家战略性贵重材料零部件的制造提供有效手段。比如发动机上的钛合金叶片，从最开始的一个钛合金的毛坯，经过多道的精加工，最后变成一个很薄的航空 发动机叶片的话，它所切掉的费用量的话，要超过整体机的 95%。

其次，3D 打印使得复杂内部结构构造的能力加强。为 实现零部件进一步轻量化和节材提供手段；“举一个最简单的例子，目前中国的航空发动机上都有一个燃油喷嘴，那么采用传统的机加工方法的话，这个喷嘴是需要 35 个左右的零件，然后最后组合成一个喷嘴。如果使用 3D 打印的方法，只需要把三个零件最后就能组合成一个喷嘴。并 且我们可以看到在钛合金的发动机叶片里头，和传统的加工方法相比，它可以实现结构的多的灵活性设计，比如说这种隔山状的，它同时具有多功能性，比如说散热。”王新筑教授说道。

但应该看到，目前打印出来的结构件的精度还比较低， 经常需要后续加工才能满足使用要求，这与最初增材制造宣 传的打印精度高的突出特征不相符，此外，目前打印的尺寸 还受到极大的限制，特别是金属材质。

“目前金属 3D 打印还存在以下五点瓶颈：第一是大型重载工作平台的精密控制难题；第二是大型装备的大面积平铺粉的质量和效率问题。金属 3D 打印机一般是通过激光熔融，打印腔里面充满了惰性气体，在激光在烧结的时候，非常容易激起粉尘，影响打印质量的。如果这些粉尘掺杂到打印的零部件里面，就会造成零部件的缺陷；第三是材料方面目前可以打印的材料种类比较少，特别是基础材料，目前主流的主要有三种，一种是铝合金，还有不锈钢或者说模具钢。 那么第三种就是钛合金，像我们常用的钛合金，然后它的 粉末的制造工艺较繁琐，难度大，目前还不是很普及，目 前国内在金属 3D 打印粉末方向做的跟国外的差距比较大， 我们第一个粉末的颗粒度不够好，然后性能要求也达不到， 价格还贵，所以目前我们用的所有的金属粉末都是国外进口；第四，工业级 3D 打印成本还比较高，也给进一步普及带来了一定困难；第五，3D 打印仍需要多学科的人共同协作才能完成。此外，打印出来的零部件，目前在国内的话还没有一个行业标准，打印出来的质量如何来进行评估， 目前还缺乏检测标准，相应的知识产权保护方面也比较薄弱，维修以及后续的服务的相关人员，目前对 3D 打印认知不足。 ”

在王新筑教授看来，未来增材制造将向着高精度、高效率、大尺寸、低成本的方向发展。“我们国家在 2017 年发布了一个增材制造的产业的一个发展和行动计划，目标是到 2020 年我国增材制造产业营收年销售收入的话要超过 200 亿，年增速要在 30% 以上。要实现利用增材制造技术，实现无模设计制造，从而缩短开发周期，实现复杂关键零部件的轻量化，一定要在专用的材料以及相应的打印的工艺装备等方面实现与国际同步。”