金屬增材制造技術輕量化應用研究進展

劉景博，劉世鋒,3，楊 鑫，李 安，時明軍，張光曦，張智昶，韓 松

(1. 西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西 西安 710055)(2. 西安理工大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710045) (3. 西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室，陜西 西安 710016)

1 前 言

增材制造技術，亦稱3D打印技術，是20世紀80年代發展起來的快速成型技術之一[1]。3D打印技術采用離散堆積的印刷原理，與噴墨打印機基本原理類似，采用材料“自下而上”逐層堆積成所需幾何形狀的方式制造出實體零件[2]。航空航天用增材制造技術通常有4種：激光選區熔化成形(SLM)、激光熔化沉積(LMD)、電子束選區熔化沉積(SEBM)、電子束熔絲成形(EBF)。增材制造可以通過結構設計達到材質輕量化的目的，主要方式有4種：一體化結構實現中空夾層結構、薄壁加筋結構、鏤空點陣結構、拓撲優化結構。其中，拓撲優化[3]是根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料內部分布進行優化的數學方法。增材制造顛覆了傳統的制造理念，極具時間和成本效益。這種直接成型技術金屬使用率高且環保，減少了材料的浪費；其逐層制造的優勢使極其復雜的互鎖零件無需組裝便可投入使用；其產品研發周期短且利于減小庫存；其易變和廣闊的創新設計空間使個性化需求設計門檻變低。傳統的鍛造和減材制造技術不僅浪費原材料，而且產品的精度、質量和增材制造技術的有一定差距。目前，增材制造技術在全球工業范圍內被大量應用，涌現出各式各樣的設備及尖端技術。

所謂“一代裝備，一代技術”，設備的先進程度直接決定了技術產品的優劣。針對SLM和SEBM兩種金屬增材制造常用技術，瑞典Arcam公司研發了EBMArcamQ20型EBM設備，其可成形以鈦合金為基礎的金屬零件的尺寸為Φ350 mm×380 mm，光斑的最小直徑為180 μm，電子槍峰值功率為3000 W，最高掃描速度為8000 m/s，Arcam公司最新的設備EBMArcamQ20plus打印機整體效率提升了15%。西安賽隆公司最新推出的Sailong-S200型SEBM設備，其外形尺寸為2100 mm×1200 mm×2300 mm，最大成形尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，電子束斑直徑小于0.4 mm，連續運行時間達40 h。此外，清華大學機械工程系研發的EBSM-250型電子束選區熔化設備，其電子束斑直徑為200 μm，電子束功率為3.5 kW，最大掃描速度為100 m/s，粉層厚度為0.05～0.2 mm，成形效率為10 cm/h，具有80 mm×80 mm×80 mm和200 mm×200 mm×200 mm兩種尺寸成形倉[4-9]。不同的打印設備應用的軟件也不盡相同，但大多數的增材制造技術在制作懸臂、裙邊等結構時需要添加工藝支撐結構，而由比利時Materialise公司推出的Materialise Magics 21.0軟件,在經過Cero 2.0繪制草圖后再進行支撐工藝的添加[10]是目前增材制造使用的主流方法。支撐是為了防止下層未成形粉層的坍塌，避免樣品變形[11]。

本文從航空航天領域、汽車領域及其他方面對目前增材制造的輕量化應用展開綜述，最后對增材制造的發展前景進行展望。

2 增材制造輕量化應用

2.1 航空航天領域

對于航空飛行器來說，主要的影響因素是飛行器的自重，材料的輕質化對航空件的影響最大，實現材質輕量化有利于飛行器更安全高效地完成飛行任務。有數據表明，若飛機質量減輕1%，則飛機性能提高3%～5%，質量的減輕有利于燃油效率和載重的提高[10]。采用鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料可以實現航空航天以及汽車工業的輕量化改造。在鈦合金方面，Ti-6Al-4V(TC4)作為一種典型的α+β型鈦合金[11-12]，因其具有比強度、比剛度高，韌性好及化學性能、力學性能良好等特點，被廣泛用于航空發動機風扇和壓氣機葉盤、葉片的制造。目前，在先進飛機的制造中，鈦合金的用量在35%以上，在航空工業發達的美國與法國，航空工業30%左右的鈦合金緊固件都采用TC4增材制造[13, 14]。

高質量要求的航空航天結構件增材制造應用，對粉末原材料的質量和性能提出了更高的要求，國內成熟應用的高品質制粉工藝是等離子旋轉電極(PREP)法。PREP法[15]制備的粉末球形度高、表面光潔、氧含量低、粉末粒徑小，基本不存在衛星粉、空心粉，打印出的航空航天件致密度較高。圖1為 PREP法制得粉末的顯微形貌[16]，可以看出該粉末表面為細的枝晶組織，無衛星粉、表面光潔，且組織均勻、粉末球形度較好，表面質量優異。金屬粉末是金屬增材制造的基礎耗材，由于PREP法制備的粉末性能優異，已在航空航天增材制造領域得到了廣泛應用。

圖1 PREP法制備的粉末的顯微形貌[16]Fig.1 Micromorphology of the powder prepared by PREP method[16]

航空飛行器的輕量化是全球增材制造鏈的焦點問題。在航空制造方面，APworks與The Living合作用輕質合金采用SLM技術打印出仿生的機艙隔離結構，該結構的穩固性和高韌性可以滿足飛機的需求，并使其質量減輕了25 kg[17]。

在航空飛機的研制及零部件加工方面，王華明等[18]采用激光快速成型技術將鈦合金及超高強度鋼制備成用于C919飛機的高性能關鍵整體構件、鈦合金主風擋整體窗框和3 m高的中央翼條，該方法生產的零件質量較傳統鍛造方法減輕了1/10。采用該技術將Ti15鈦合金打成飛機工字梁典型結構，因其超細的“網籃狀”顯微結構而具有優異的穩定性。

激光成形技術[19]的使用，大規模節省了時間和成本。尤其是鈦合金金屬構件，利用激光成形技術能夠直接快速生成一個很精致的毛坯，再進行少量的加工，就可直接在飛行器上使用。德國EOS GmbH公司[20]采用LMD技術將TC4材料打印為航空航天用座椅扣(圖2a[21])，該結構件的性能較傳統方法的更加穩定，且具有足夠的強度以防止沖擊載荷，質量減輕55%。美國GE公司采用LMD技術用鈦合金材料對航天用Leap-X發動機離心式燃油噴嘴進一步開發，該結構件(圖2b)的質量較傳統工藝的降低了25%，壽命提高了4倍，接近鍛造的綜合性能，能有效避免裂紋缺陷的形成[21, 22]。

圖2 采用LMD技術生產的航天座椅扣(a)[21]；Leap-X發動機的燃油噴嘴(b)[22]Fig.2 Space seat buckles prepared by LMD technology (a)[21]; Fuel nozzle for Leap-X engine (b)[22]

美國Aeromet公司采用激光成型技術制造了鈦合金結構件，該基板的疲勞壽命增加了10%，減重效率在5%以上，且抗蝕、耐磨、耐熱性高。采用激光成型技術制造的承力構件面積超過12 m2，不僅研制周期縮短50%，而且大大減輕了機體的總質量。

采用激光快速成型技術對航空用TC4鈦合金板件進行了制備與測試，結果表明該結構件的塑性超過了鍛件水平，且具有典型的塑性斷裂特征，且達到了輕量化要求[23-26]。空客公司采用SLM技術研發了由4個零件通過44個鉚釘連接而成的A380客機用鋁合金支架，并通過優化設計實現了35%的減重，同時還提高了40%的結構剛度。

增材制造技術是提高航天器設計和制造能力的關鍵技術，其在航天領域的應用范圍不斷擴展。國外公司和機構利用增材制造技術不僅打印出衛星的零部件，還打印出航天發動機組件[27, 28]等。選區激光燒結技術[29]在航天裝備領域應用廣泛，尤其是在太空發動機方面，該技術的一體化成型與創新式設計使得零件個數減少、結構優化，達到輕量化目標，極大地減輕了質量，節約了成本。英國GKN航天公司[30]通過激光成型技術對直徑為2.5 m的Ariane6號火箭噴嘴進行加工，最終節省了40%的成本。英國Rolls-Royce公司[31]利用鈦合金采用LMD技術打印出48個尺寸為Φ1.5 m×0.5 m的Trent XWB-97型發動機葉片，生產效率提高了1/3，質量減輕了1/4，如圖3所示。

圖3 LMD技術打印的用于航空發動機的Trent XWB-97型發動機葉片[31]Fig.3 Trent XWB-97 engine blade of the aircraft engine by LMD method[31]

增材制造技術在航天裝備的維修制造中也扮演著越來越重要的角色。在受損毀或出故障的裝備需要更換零部件時，增材制造可以快速制造出所需部件，僅需一些數據和少數材料、幾名技術人員而已；同時，針對太空作業時物資運輸資源的短缺問題，增材制造技術在太空中的應用不僅有利于太空材料的回收再利用，而且可以減少太空垃圾[32-34]。

2.2 汽車工業領域

汽車輕量化不僅可以提高汽車動力性、安全性和舒適性，還能減少燃料消耗，降低污染排放。隨著汽車行業經濟飛速增長，汽車企業為贏得市場，需要以最低成本開發出最受歡迎的車型來應對殘酷的市場競爭。增材制造技術最大的優勢是可以方便快捷并精確地制備造型復雜的物體，這種獨特優勢非常適合汽車輕量化產業甚至包括汽車零部件及維修方面的應用[35, 36]。

傳統汽車造型設計流程是：草圖、效果圖、數據模型、油泥模型、A級曲面、樣車制造；而采用增材制造技術后汽車造型設計流程是：草圖、效果圖、數據模型、增材制造樣車。使用增材制造技術后，不僅設計流程大大簡化，增材制造過程中的一體化成形設計還使得零件個數減少、結構優化，達到輕量化目標。如果車型需要修改，只需修改三維模型，新車的外形設計就可以完成，表1列舉了汽車增材制造的發展。

表1 汽車增材制造的發展

拓撲優化技術對增材制造輕量化影響顯著。西安鉑力特增材技術股份有限公司應用SLM技術在BLT-S300設備上制造的經過拓撲優化的尺寸為229 mm×103 mm×49 mm的鈦合金汽車車架零件減重至245 g，減重達65%，如圖4所示。付遠等[37]采用SLM技術在FagCNC8055設備上制造了尺寸為800 mm×600 mm×500 mm的支撐底座鋁合金零件，結合增材制造技術與拓撲優化技術將零件質量減輕了50%。

圖4 拓撲優化前后車架零件對比[37]Fig.4 Comparison of frame parts before and after topology optimization[37]

增材制造對汽車維修技術帶來了很大影響，技術人員可通過增材制造技術直接修復傷口或打印緊缺零部件，延長關鍵構件的壽命。當大型不易移動的野外作業機械發生故障時，可以攜帶打印機到現場維修[38]。同時，利用增材制造技術，技術人員可以根據設計圖紙現場生產出當時所需要的維修工具。此外，技術人員還可以根據實際的維修需求，變通地設計出更利于維修人員操作的工具[39, 40]。

2.3 其它領域

增材制造技術因其獨特的輕量化優勢不僅在航空航天及汽車領域有廣泛的應用，而且在醫療、機械等工業上的應用規模也不斷擴大。如圖5所示[43]，未來隨著各行業的工業發展，各領域應用增材制造技術的比例將穩步提升。在機械方面，姜繆文等[41]運用LMD技術用鈦合金材料制造了運動員頭盔，經過拓撲優化設計的頭盔主要采用多孔化及網格化結構，在受到正前方載荷為500 N的情況下，其質量減輕了50%，從材料設計上實現了輕量化。在醫學方面，為了避免植入物的質量過大，通常采用增材制造技術打印多孔合金，但是孔隙度和剛度一般很難同時滿足，Xiao等[42]采用SLM技術對鈦合金進行拓撲優化處理，實驗計算結果表明，優化后支架的有效彈性模量比優化前的高13%，并且支架的彈性模量和孔隙度更加接近人體的骨骼組織，這就為增材制造輕量化在醫學領域的應用提供了理論支撐，即如何達到孔隙度與剛度的平衡點，是今后增材制造醫學研究的主要問題。

圖5 增材制造在各領域應用的分配比[43]Fig.5 Distribution of additive manufacturing in various industries[43]

3 增材制造的發展趨勢

增材制造技術是一個新時代的新興技術，足以引導第三次工業革命，針對國內外增材制造技術的研究現狀，筆者預測其發展前景可以歸納為以下幾點：

(1)未來，增材制造技術將面向5個“任何”持續發展。即任何領域，任何場所，任何材料，打印出任何形狀、任何數量的輕量化產品[44]。例如，將太空“空間站”變為“制造工廠”，通過運載火箭“快遞”原材料、增材制造設備和機器人到其他星球，首先實現增材制造設備的自我復制，同時實現基地的打印建造，為外星移民提供條件。

(2)增材制造技術的應用將推動高品質鈦粉的不斷創新。未來鈦粉在航空航天及汽車等領域發展潛力巨大，鈦的粉末成型技術將走向個性化、精密化、大型化和輕量化[45]。受技術提高的影響，打印機的成本和價格將大幅降低，使得民用級別增材制造打印機成為現實。

(3)科技創新。為新合金材料的研究提供科研平臺，加速中國制造，基于技術革新實現輕量化，從而使得航空航天用構件的制造成本大大降低[46]。探究“3D打印+傳統制造”的新模式。采取創新的的方法，加大研究力度，不斷進行改進與更新；使兩種制造方式并存、互補。

(4)各種新型材料的使用。比如納米材料、復合材料、金屬粉末、新型高聚合材質等，可以打印出更多類型的實體零件[47]。速度、效率突飛猛進且更加環保和輕量化，使得航空航天及汽車損耗件的快速修復變為可能[48]。

(5)建立航空航天及汽車等方面的增材制造輕量化國家標準，讓增材制造產業市場規范化運行[49]。

4 結 語

增材制造已成為當今制造工業領域的研究重點，能夠快速實現數字模型實體制造。通過增材制造技術生產的產品，具有良好的使用性能和力學性能。增材制造技術作為一種快速成型技術得到了快速發展，對推動全球航空航天及汽車等工業等領域的發展起到了重要作用。但在目前，增材制造技術的發展仍面臨諸多挑戰，就增材制造設備來說，打印設備的成型倉大小限制了成品的尺寸；且原材料成本過高，解決不了目前市場行業內20%～30%的物品需求。還有諸如信息安全、質量保證、知識產權等問題都需要不斷改進。隨著增材制造技術的日趨成熟和材料的擴充，增材制造技術有望成為21世紀的標桿技術之一。此外，增材制造應與先進能源技術相結合，開發出更加節能環保的產品。