廣義增材制造：新的科技發展大趨勢

2012年12月13至16日，增材制造技術國際論壇暨第六屆全國增材制造技術學術會議在武漢華工科技園舉行。本次會議由中國工程院、工業和信息化部、中國機械工程學會和美、英機械工程師學會共同主辦，是增材制造領域中最高規格的國際會議。中國工程院盧秉恒、關橋、李培根等八位院士及來自海內外200多位相關領域的專家齊聚一堂，共同探討增材制造技術的最新發展趨勢。會議學術委員會主任關橋院士應邀在會上做了“基于送絲、送粉和塊體組焊的廣義增材制造技術”的報告，引起了廣泛關注，也使“廣義增材制造”成為業內專家熱議的話題。近日，本刊特約記者圍繞廣義增材制造這一主題走訪了關橋院士。

記者：2012年12月增材制造國際論壇中，您首次在學術會議上提出“廣義增材制造”的概念。請您談談廣義增材與狹義增材制造的內涵。

關橋：“增材”的概念與“減材”相對。如果用人類構建居所作比喻，砌磚蓋房就是“增材制造”，而掘鑿窯洞就是“減材制造”。在現代機械工程與材料加工成形中，我們已經習以為常的用電焊條手工堆焊成形就是最原始的金屬增材制造方法，而金屬銑切加工則是減材制造的典型例子。

我把圖1上的內圓示意為狹義增材制造，主要是以高能束流（電子束、激光束）作為特種能源的增材制造技術；而廣義增材制造除利用電子束、激光束外，還有更廣泛的能源，如：其他電能、化學能、電化學能、光能、機械能等，如圖1外圈橢圓所示。廣義增材制造包含了狹義增材制造，適用的材料范圍也很廣泛，包括金屬、非金屬、生物組織等；相關新方法和前沿技術的發展呈現突飛猛進、日新月異的態勢。

在過去20年間，增材制造技術得以迅猛發展的技術基礎是高能束流（電子束、激光束）作為特種熱源的技術進步和把增材制造應用于金屬材料直接成形構件的突破。

記者：如何理解增材制造與金屬材料直接成形構件的關系？

關橋：如果要給“增材制造”一個定義，我認為，增材制造就是采用高能束流（電子束、激光束）或其他能源，借助CAD/CAM技術將材料（絲、粉、塊體）熔敷沉積或組合焊接，逐步累積形成實體構件的制造方法。具體而言，高能束流極具柔性，具有熱輸入能量可精確控制，可聚焦、長焦距、可掃描、易偏轉的特性；因此，高能束流的柔性與CAD/CAM技術相結合，在真空室內或惰性氣體保護的環境中，向聚焦加熱區填送金屬絲材或鋪送金屬粉料，使材料逐層熔化、凝固堆積，這就構成無模具的快速近凈成形，亦可稱為“金屬直接成形增材制造技術”。

廣義增材制造可以從三個技術層面進行分類，見圖2所示：第一個層面是以材料類別劃分為：金屬構件、非金屬制品、生物模型的直接成形制造；第二個層面是以增材制造方法劃分為：熔敷沉積、氣相沉積、塊體組焊、液相沉積、光固化等；第三個層面是以可采用的能源劃分為：電能（高能束等）、機械能、化學能、光能等。

記者：我國正處在由制造大國向創造強國跨越的戰略機遇期。請您談談伴隨增材制造技術異軍突起，將會對我國，特別是航空工業產生什么樣的重要意義。

關橋：相比較傳統的金屬銑削/切除減材制造的劣勢：需用模具制坯，留有較大加工余量，去除余量銑切工作量大，材料有效利用率低，制造周期長，成本高等；增材制造具有諸多難以匹敵的優勢：用于金屬材料，可以直接生產出近凈成形的零件，是一種柔性制造技術；與鍛鑄相比，無需模具 ；減少銑切加工，節省原材料；降低成本，縮短制造周期 ，是快速反應的敏捷制造；同時，通過調控絲材、粉材的成份和成形熱過程工藝參數及后處理，可以獲得性能優良，組織致密的實體構件。

增材制造融合了計算機輔助設計/制造技術（CAD/CAM）和高能束流材料加工與成形（ Power Beam Processes ）等技術，為創新驅動制造，彰顯出新的科技發展大趨勢。增材制造雨后春筍般的創新發展，正在強勁地驅動著新興產業技術群的快速崛起，也會引領設計/制造/材料三位一體發展模式的轉型，從傳統的大批量生產模式向定制式制造模式轉變，帶動提升自主創新能力，整合制造、設計、材料等資源，促進產業結構調整升級。

航空工業對增材制造技術，特別是采用電子束、激光束、摩擦熱等能源增材制造技術的發展有很強的市場牽引力；尤其是把增材制造應用于新型飛行器結構設計改進，制造的快速反應方面，具有重要戰略意義。

記者：據悉，近年來，中航工業制造所擁有的高能束流加工技術科技重點實驗室在增材制造技術開發與應用研究方面開展了卓有成效的工作，請您談談現已取得了哪些研究成果。

關橋：廣義增材制造技術的開發在制造所可以追溯到上世紀50年代末期，采用電化學液相沉積方法制造成功不同規格的黃銅波紋管，并批量生產。60年代激光束開始用于航空材料和零件的加工，而電子束主要用于飛機和噴氣發動機重要結構的焊接制造。這為90年代初建立高能束流加工技術重點實驗室奠定了基礎。

在隨后的建設中，重點實驗室開展了激光、電子束、等離子體和離子束多學科交叉融合的開發與應用研究。制造所憑借其在高能束流加工技術領域的優勢，為重點實驗室開展增材制造科學研究和技術開發創造了良好的技術資源與人才環境；幾乎與國外同步開始電子束增材制造技術的研究。在短短的幾年內，滿足了研制新型飛機重要鈦合金承力結構件的快速反應制造。

中航工業制造所在高能束流增材制造方面重點開展了三個方向的研究。一是基于送絲的電子束增材制造，原理示意于圖3a，即在真空環境中，電子束按CAD模型沿CAM設定的路徑，熔化金屬絲材，層層堆積，直接制造出毛坯或近凈成形的構件。現已能制造出如圖3b所示的重要承力鈦合金構件。此外，為滿足飛機鈦合金重要承力結構的設計技術要求，中航工業制造所還專門研制了絲材合金體系，可設計、調控合金體系及材料性能， 其綜合力學性能與鈦合金鍛件相當；優化了電子束參數和工藝過程，調控逐層熔敷的殘余應力與變形；研究制定了對近凈成形構件的后處理規范。

二是鋪粉電子束選區熔敷增材制造。這是一種精密增材制造，粉材的粒度和鋪層的厚度以及電子束聚焦掃描精準性決定著構件成形的精度，成形后的構件即為最終成品。現已制造出鈦合金復雜空間結構（見圖4）。

三是激光選區熔敷增材制造（原理見圖5）。在惰性氣體艙內，激光按CAD模型沿CAM設定的路徑軌跡掃描選區熔敷已經鋪好的一層金屬粉材后，成形缸下降一個步長，即層厚，同時右側料缸上升一個步長，刮板將金屬粉材推向成形區，均勻鋪層，預熱后激光再次掃描選區熔敷，逐層堆積，周而復始，完成構件的選區熔敷增材制造。激光束的品質、粉材的顆粒度、層厚的尺度、過程工藝參數控制等因素決定著激光選區熔敷增材制造的精準程度。復雜空間構件成形后經表面拋光即為成品，這是其他成形加工方法所不及。激光選區熔敷增材制造技術將在新型飛機結構中得到應用。

在重點實驗室的激光增材制造研究開發中，把技術與裝備研發相結合，基于機械手的激光直接成形裝備，集同軸送粉直接成形、鋪粉選區熔敷成形、送絲熔化成形于一體，具備溫控、除氧、除塵等功能。

記者：除以電子束和激光束為熱源的狹義增材制造技術群的研發外，請問制造所在廣義增材制造方面正在開展哪些研究及工程化工作？

關橋：制造所正在研究與工程化應用開發相關的廣義增材制造技術有：采用激光焊或攪拌摩擦焊將擠壓型材筋條組合焊接在蒙皮上，這就是用塊體組焊方法制造鋁合金、鈦合金飛機帶筋整體壁板，替代傳統預拉伸厚板銑切加工的減材制造。相比之下，帶筋整體壁板的塊體組焊增材制造可以使原材料的利用率從10%提高到95%，從而大幅度地降低了銑切加工工時，縮短制造周期，降低成本，滿足新型飛機研制的快速反應制造。這類鋁合金帶筋整體壁板攪拌摩擦焊的塊體組焊固相增材制造工程化批量生產，在我國造船、航天、高速列車等其他產業部門的推廣應用方面已獲得顯著的技術經濟效益。

另829a1b6800ea0d4aca78b3cc5a71c0746c0f6f7130066ff660c378f05ae4cee7外我想再舉兩個例子。一是采用線性摩擦焊制造航空發動機整體葉盤，這是基于塊體組焊固相增材制造技術的典型實例； 線性摩擦焊增材制造整體葉盤，接頭為固相連接的金相組織結構（見圖6），“固相增材制造”由此而得名，以區別于“熔敷”或“熔化”增材制造。高性能航空發動機為提高推重比，必須減輕自身的重量，最有效的途徑之一就是把壓氣機葉片與盤的榫頭連接改為焊接整體葉盤（Blisk）， 可減重50%。相對于由整體鍛坯數控加工的減材制造而言，采用線性摩擦焊制造整體葉盤是增材制造（見圖7），大幅降低了銑切加工，節材、節時，降低成本，還可實現空心葉片的整體葉盤制造。此外，裝備是工藝技術的載體，為了新技術的工程化應用，根據連接的面積和材料特性，制造所還自主研制了線性摩擦焊設備。

第二個例子是電子束物理氣相沉積增材制造技術。電子束物理氣相沉積是在真空中，利用高能電子束大束斑對靶材進行轟擊并使之熔化、沸騰、蒸發，蒸汽原子或粒子流在基體或零件表面凝結、形成新沉積層的物理過程；可以有若干個電子槍和相對應的靶材同時進行氣相沉積，不僅提高效率，還用以制造不同功能的沉積層或梯度材料。制造所已經采用電子束物理氣相沉積增材制造技術研制了超級冷卻渦輪葉片試驗件：在骨架上制備氣冷通道，借助填充材料，形成葉型；在真空室內將靶材蒸汽沉積其上，逐漸堆積達到葉片成品的要求。此外，在航空發動機葉片缺損的修復工程中，電子束物理氣相沉積增材制造也正在展現出潛在的市場前景。

后記：

黨的十八大提出“推動戰略性新興產業、先進制造業的健康發展”，這既是增強我國經濟社會可持續發展能力、優化產業結構的戰略舉措，也是構建產業競爭優勢、培育新的經濟增長點、掌握未來發展主動權的必然選擇。面向未來發展和全球競爭，國家需要廣義增材制造這樣的關鍵核心技術。更重要的是，從關橋院士的敘述中可以看到，廣義增材制造不是一花一木，而是一片森林，其背后是一個新興產業技術群的崛起，就像一臺發動機，驅動著工藝方法、材料體系、裝備制造、后處理等技術體系的發展壯大。相信在關橋院士等一代又一代科技人員的努力下，廣義增材制造技術將為開啟我國成為“創造強國”的一扇大門作出貢獻，為“中國夢”的早日實現邁開堅實的步伐。