增材制造技術在航空航天領域的應用

徐愛國 （達索系統公司）

增材制造技術在航空航天領域的應用

徐愛國 （達索系統公司）

1　行業背景

隨著全球航空航天國防預算自2013年開始呈現下降趨勢，各國政府部門在預算壓力下都在考慮低成本的替代方案，包括引入民營商業公司，更多地采納民用成熟技術，型號中應用更多的商用現貨（COTS）等策略、手段應運而生。在此背景下，美國太空探索技術公司（SpaceX）及一網公司（OneWeb）等一批私營企業的崛起，給整個行業的市場競爭格局和研發生產模式帶來了顛覆性變化。太空探索技術公司的低成本研發和低成本發射服務，使其快速占據市場份額，也使得中國在商業發射領域依托低成本和可靠性取得的優勢面臨挑戰。在美國一些智庫預測中國制造業無論低端還是高端，都會在未來10～20年全面超越美國的背景下，太空探索技術公司創始人伊隆·馬斯克卻以“獵鷹”（Falcon）火箭和“龍”（Dragon）飛船為例，宣稱這是一個創新戰勝勞動力成本的一個實例。同樣，一網公司在2016年4月正式宣布，其與空客防務與航天公司（ADS）在佛羅里達的合資工廠將吸收飛機制造業的量產經驗，采用自動化生產線進行批產和測試，實現每周15顆衛星的批產和交付速率，并將每顆衛星的成本控制在50萬美元以下，這同樣顛覆了衛星價格高、小批訂制的傳統印象。

在這種全球化競爭、市場劇烈變化、技術快速演進以及信息網絡帶來新業務模式變化的背景下，每一個行業參與者都感受到了重重壓力。這種變化不僅不會停下來，而且會愈演愈烈，從業者如果不能快速響應并做出對策，必然在競爭中被淘汰。與其在這種變化中掙扎，不如主動求變，去擁抱這種市場變化，利用技術變革改變游戲規則，以求在競爭中脫穎而出。

增材制造被認為是有潛力成為改變航空航天制造業的一項技術變革，在未來可能會給整個行業帶來顛覆性的變化。增材制造也被稱作3D打印，理想的增材制造技術目標是實現成本低廉而且快速的按需制造，并且進入大規模工業應用。目前，增材制造尚不能達到理想目標，但已經不再停留在概念原型方面的應用。隨著關鍵技術的突破，整個工業界對其前景愈加樂觀，不斷加大投入開展相關方面研究。

近年來，隨著歐美發達國家對制造業的重視，制造業振興成為國家戰略，相應的增材制造技術研究也成為其中重要的一項內容，美國總統奧巴馬將增材制造作為美國制造業回歸的重要方向，歐美發達國家紛紛制定了發展推動增材制造技術的國家戰略和項目，各航空航天企業也密集投入開展增材制造研究應用。

2　研究方向

增材制造在航空航天領域的研究方向主要包含創新設計，材料研究，大尺寸、高性能部件制造研究，標準化，應力控制，生產速率與質量的平衡等。

創新設計

增材制造打破了設計受限于傳統制造的約束，對設計理念將產生大的顛覆。一方面，可為產品結構創新設計帶來廣闊的自由空間。另一方面，不再受限于單一勻質材料的設計理念，考慮功能驅動的多材料結構設計方法，宏微觀一體化設計及智能化工藝集成開拓了新的研究方向。如何利用增材制造的這些優勢開展創新研發，是當前航空航天制造業一個重要研究方向。空客集團（Airbus Group）、賽峰集團（SAFRAN）、美國航空航天局（NASA）、洛馬公司（LM）、通用電氣公司（GE）等均在這個領域開展了大量研究，有些已經進入了實際應用，如通用電氣公司采用增材制造噴嘴，用一個零件取代傳統20多個零組件，空客集團、波音公司（Boeing）也在大量開展零件空間拓撲優化，以實現減輕質量的目標。

創新設計帶來的產品變革

材料研究

材料研究是增材制造的基礎，目前在增材制造領域尚有諸多的材料瓶頸需要突破，材料問題對增材制造的成本、質量控制、工藝、可靠性、制造效率及規模化生產均具有直接的關系。目前材料方面的挑戰來自材料成本居高不下、材料可選擇范圍窄，以及受限的多種材料同時打印等問題。

航空航天領域增材制造采用的材料范圍主要是高分子聚合物及金屬粉末，這些材料的成本遠遠高于傳統制造中同類材料成本，例如，增材制造中采用的熱塑材料價格2013年約為200美元/kg，而在傳統注塑工藝中僅約為2美元/kg。同樣，增材制造中使用的不銹鋼材料價格約為8美元/cm2，超過了傳統加工不銹鋼價格的100倍。總體來說，增材制造中采用的金屬粉末價格至少為傳統制造的10倍以上。

相較傳統加工制造方法，增材制造中材料的選擇范圍較窄也是當前面臨的一個問題。另外，一個零件采用多材料同時打印可顯著提升設計靈活度，例如，根據產品或部件需滿足的多個功能特性要求將耐高溫與耐腐蝕材料一起打印，輕質材料與阻燃特性材料在一起打印。但目前支持多種材料打印的系統還較少。

相信在不遠的將來，隨著材料科學的進展、對材料微觀宏觀研究的深入，以及新材料的不斷涌現，上述這些問題會得到大幅改善。

大尺寸、高性能部件制造研究

當前，相比較傳統制造，受限于設備及工藝，在大尺寸部件制造上，增材制造面臨諸多挑戰，洛馬公司與美國橡樹嶺國家實驗室合作研究在開放環境中多頭打印大尺寸部件，其稱為“大區域增材制造系統”（BAAM），北京航空航天大學與國內航空研究所合作，在大尺寸、高性能鈦合金部件增材制造領域取得了不少突破，目前最大可以打印4m×3m×2m的大型鈦合金部件，并且在一些國防項目及C919民機型號上都已經有了成功的型號應用。這個領域的研究仍在不斷深入，隨著材料研究突破、內應力的預防控制及設備工藝的不斷升級，尺寸限制及構件性能方面都會有不斷的突破，可以預見，未來會越來越多地采用增材制造手段來制造大尺寸、長周期的關鍵受力件甚至整機產品。

洛馬公司構想的未來3D打印飛機制造工廠

標準化

標準化是增材制造大規模工業化的前提，缺少對增材工藝過程的表征、控制和認證批準，增材制造技術的大范圍工業應用將受到制約。從2002年國際自動機工程師協會（SAE International）發布的第1份增材制造技術標準宇航材料規范AMS4999《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產品》開始，到2011年國際標準化組織（ISO）制定17296《增材制造—快速技術（快速原型制造）》，標準包括術語，方法、工藝和材料，試驗方法，以及數據處理四個分標準。頒布的標準集中在Ti-6Al-4V鈦合金，工藝方法也只包括直接沉積法和鋪粉熔覆法，這也是因為鈦合金技術相對成熟，并且在航空航天領域得到廣泛應用。針對其他高溫合金及工藝方法的標準制定仍在研究中，尚未成熟。另外，國內增材制造技術標準化工作也相對落后，已經裝機使用的增材制造產品均采用各企業的技術條件和規范。需要組織開展增材制造技術標準體系規劃，積極參加國際標準化組織增材制造技術委員會的活動，開展相關基礎標準的制訂工作。

應力控制

內應力一直是增材制造的一個關鍵問題，由于增材制造的特點，打印過程中一直處于熱沖擊狀態，溫度處于劇烈的循環變化中，溫度梯度很大，熱應力問題比較突出。另外，由于固態相變不均勻以及凝固冷卻速度快，帶來組織應力和凝固應力等問題。內應力控制不好，將會導致打印零件變形、裂紋等問題產生，進而嚴重影響零件的力學性能，這也是增材制造一直在大型關鍵受力件工程應用上的瓶頸。針對這個問題，目前已經開展了大量的研究，針對材料的微觀組織研究，工藝參數如溫度、速度、支撐、方向對內部組織的影響，缺陷特征及檢測方法研究等，這些研究是增材制造的工程應用以及尋找增材制造新材料非常關鍵的一環。

生產速率與質量的平衡

生產速率問題也是增材制造大規模應用的一個瓶頸，如何平衡打印速度與質量也是需要研究的課題，打印速度快往往導致應力集中問題，進而帶來變形開裂，而打印速度慢又帶來批產生產速率和成本問題。

其他研究方向

航空航天企業要利用增材制造技術取得競爭優勢，除了上述的研究方向，仍然有很多方面需要開展研究，包括∶

1）技術路線制定。導入成熟度的制定，如何制定導入路線圖？如何與傳統制造方法相結合開展工程應用推進工作？

2）供應鏈。在增材制造模式下合作模式會發生什么樣的變化？分布式生產會帶來什么影響？部件自制還是外包？備品、備件策略如何制定？對物流和倉儲會帶來什么變化？

3）人力資源。對增材制造對人力資源的組成和規模影響變化開展分析，工程師角色及職責會發生哪些變化？例如，企業是否需要建立材料研究團隊，研發中心是否要吸收材料工程師等新的角色加入。

4）財務。綜合考慮增材制造帶來的制造、運營、物流、倉儲等因素，比較分析增材與傳統制造的固定成本與變動成本，針對不同類型零件的特點、用途和生命周期成本，分析采用傳統方法與增材制造的優劣勢，例如，對用量小的備件，研究采用增材制造方式按需現場打印，降低物流和倉儲成本。

5）lT。對IT而言，涉及到CAD/CAM軟件的新的評估標準，如上所述，突破傳統制造約束的設計方式發生變化，功能驅動的多材料，宏微觀一體化設計理念變化都對設計軟件提出了新的要求，軟件如何滿足增材制造技術帶來的研制流程變化，滿足設計、分析仿真、工藝、質量等要求？設計制造集成數字化平臺如何改進升級因增材制造帶來的新要求，都是需要在軟件選型時考慮的因素。

6）知識產權保護。增材制造帶來全新研發和生產合作模式的同時，也帶來了新的知識產權保護問題，主制造商與合作伙伴的數字IP信息如何進行封裝、交換？以及對各國法規的理解，都是需要研究的課題。

3　　航空航天工業應用趨勢

增材制造在航空航天領域的應用也正在發生著改變，早期主要進行一些快速原型，概念產品研制，小尺寸復雜零件及非關鍵受力件的開發研制，采用高強度輕質材料，優化結構拓撲進行減重研究。未來，越來越多的應用，包括嵌入電子電路直接打印，復雜發動機部件，復雜結構承力件，停產機型的備品備件，太空中按需打印零件/備件，突破運載火箭尺寸限制開展太空中大結構直接打印，等等。來自硅谷的創新公司太空制造公司（Made in Space）于2014年與NASA合作將零重力環境的3D打印機送入“國際空間站”開展太空打印研究。2015年11月，NASA選擇太空制造公司承擔1份為期2年、價值2000萬美元的合同，項目命名為“阿克納特”（Archinaut），目標是制造一臺帶有機械臂的3D打印機并將其安裝在“國際空間站”外部的一個分離艙上，在無需艙外航天員介入的情況下，利用增材制造技術進行太空中大型復雜結構制造及組裝能力的研究。該項目的合作方還包括諾格公司（Northrop Grumman）和國際海洋工程集團太空系統公司（Oceaneering Space Systems）。其中國際海洋工程集團太空系統公司負責“阿克納特”項目中的3D打印機，根據計劃，它將與國際海洋工程集團太空系統公司的機械臂結合在一起。而諾格公司則提供系統工程、控制系統、熱分析、軟件、集成測試等支持。該項目計劃于2018年在太空軌道上展示“阿克納特”的增材制造和組裝大型、復雜結構的能力。這樣的太空制造裝置將使NASA和私人航天公司只需運送用于增材制造的原料以及某些高價值部件，比如傳感器、電子元器件、電池等。機械臂會將從地球運來的部件與在太空中增材制造的部件組裝在一起。如果2018年進行的測試證明“阿克納特”的表現達到預期目標，太空制造公司和它的合作伙伴希望能夠進一步擴展該項目，包括進一步增加增材制造功能并配備額外的機械臂等。“阿克納特”最終版本將裝有3個機械臂，它能夠抓住在軌道上運行的結構，為其增加或拆下部件，它甚至能夠從退役的航天器中移除部件，用在新的航天器上。

如果在太空軌道上進行制造和裝配成為可能，這將徹底改變航天器的設計，工程師們將不再需要耗費精力去設計那些需要能夠在發射時承受重力和震動的結構，而且也不用去考慮火箭的運載能力和運載空間等。另外，這也有助于衛星碎片等太空垃圾的回收。因為這些碎片的制造成本往往高達上億美金，如果有些部件還能夠重新利用，那就有很大的經濟利益刺激人們去回收他們。

太空制造公司主承包的“阿克納特”項目示意圖

4　數字化技術在增材制造中的研究應用

早在20世紀70年代末期，美國聯合技術研究中心的D.B.Snow等人就開展了采用激光多層熔覆的方法制造鎳基高溫合金零件的研究，并取得了相關專利，形成了增材制造技術的雛形。但由于當時數字化三維建模等技術成熟度不高，限制了其進一步的發展。當前數字化技術的快速發展推動了增材制造技術的實用性及工業化應用。

相關數字化企業針對增材制造都在開展相關的技術探索與商業化軟件開發工作，以達索系統公司（Dassault Systemes）為例，針對上述增材制造在材料、創新設計、內應力控制、工藝質量等面臨的挑戰和研究方向，重點開展了如下三方面工作。

1）在計算材料科學領域開展跨尺度分析。材料研究一直是增材制造的基礎性研究，也是增材制造大規模工業應用的瓶頸，達索系統公司于2014年收購了在生物、化學、材料建模、仿真領域領先的應用accelrys公司，并整合到達索系統公司的3D體驗數字化平臺Biovia旗下。微觀納觀用量子力學計算，中尺度進行經典力學和細觀力學計算，開展從約1nm、10ps的微觀尺度范圍到10μm、10ms的細觀尺度范圍，再到1mm、1s的宏觀尺度范圍的增材制造研究，建立和打通涵蓋微觀納觀到細觀，宏觀的數據參數鏈路，開展跨尺度分析，對晶粒生長、晶界位錯、相變、微裂紋和分子鏈結構進行分析，得到宏觀應變曲線，最后形成均一化有限元材料模型，傳給有限元軟件進行強度和疲勞耐久性計算。反過來，宏觀分析作為微觀仿真的輸入，例如針對激光路徑仿真得到的冷卻曲線，仿真晶粒生長方向及尺寸，進而評估材料系數，包括熱膨脹系數、密度及粘度等。

合金材料微觀組織數字模型

2）功能驅動的創成式設計。由于沒有了傳統制造的約束，顛覆了傳統設計理念，結構設計有了廣闊的自由度，新的CATIA采用功能驅動的創成式設計手段，將建模、仿真和優化融為一體，利用數字化空間拓撲優化手段為設計空間尋找多個優化結構方案，同時針對空間拓撲優化方案生成工程數模，直接開展分析仿真和進一步的工程優化，消除從概念到詳細設計有機形狀之間的障礙。

通過2年多時間的驗證測試，空客集團在2016年6月宣布與達索系統公司進行戰略合作，采用達索系統公司的CATIA最新發布的針對增材制造技術的創成式設計模塊，開展增材制造用于產品創新設計方面的工作。

3）制造工藝仿真控制。利用數字化手段進行增材制造的工藝質量控制、可制造性分析、生產穩定性和一致性以及考慮生產速率的打印策略問題也是增材制造中的一個關鍵問題。綜合考慮不同粉末特性、打印路徑、打印速度、加熱溫度、零件方向和支撐的特點等一系列參數，通過數字化仿真手段來預測殘余應力引起的變形，以及由于溫度梯度變化和材料冷卻來預測熱畸變等問題，最終，尋找最佳的參數組合，以保證打印質量及最佳的質量/速度的平衡比率。

另外，達索系統公司從2015年開始與美國國家航空研究所（NIAR）及一些航空航天企業合作在堪薩斯州威奇托建立創新中心，利用數字化手段，結合增材制造技術、VR/AR技術、多機器人技術探索未來智能制造之路。

功能驅動的創成式設計流程

零件優化效果

5　結束語

增材制造的影響不僅僅在技術層面，其在研發模式、合作模式、供應鏈及生產組織等各個層面都將帶來巨大的影響。越來越多的業內人士相信，未來10～20年，隨著材料科學、設計創新、工藝、裝備等領域的突破，增材制造將會很快在航空航天領域得到深入廣泛的應用，其很可能會改變航空航天領域的游戲規則，改變市場競爭格局。國內航空航天單位要利用增材制造新技術帶來的機遇，迎接挑戰，長遠布局，取得有利的市場競爭地位。

Application of Additive Manufacturing Technology in Aerospace Field