中國工程院2015年院士增選工作經(jīng)過兩輪評審會議，參與制造運(yùn)-20、C-919等大飛機(jī)，殲-15、殲-31等新型戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金部件，有"中國3D打印帶頭人"稱號的王華明教授當(dāng)選中國工程院信息與電子工程學(xué)部院士。

    王華明院士研制的金屬構(gòu)件激光熔化沉積增材制造技術(shù)自2005年以來已在殲-15、運(yùn)-20、殲-11B、殲-31和東風(fēng)XX等3種導(dǎo)彈、遙感24等2種衛(wèi)星、FWS13等3種航空發(fā)動機(jī)等重點型號發(fā)揮出關(guān)鍵作用。

    那么到底什么是3D打印呢？據(jù)了解，3D打印基本原理是將零件數(shù)字化模型進(jìn)行空間網(wǎng)格化，通過像素化分解成為一個個空間點陣，然后利用金屬微量熔融或燒結(jié)的沉積技術(shù)，將零件一層層堆積而成。

    目前激光增材制造在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，那么代表性金屬3D打印技術(shù)有哪些？優(yōu)勢如何？

金屬材料增材制造分類及基本原理

1、LMD技術(shù)基本原理

    LMD技術(shù)作為增材制造技術(shù)的一種，是通過快速成型（RapidPrototyping，RP）技術(shù)和激光熔覆技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將噴灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。整個LMD系統(tǒng)包括激光器、激光制冷機(jī)組、激光光路系統(tǒng)、激光加工機(jī)床、激光熔化沉積腔、送粉系統(tǒng)及工藝監(jiān)控系統(tǒng)等。

    LMD快速成型技術(shù)的基本原理為：首先，利用切片技術(shù)將連續(xù)的三維CAD數(shù)模離散成具有一定層厚及順序的分層切片；第二，提取每一層切片所產(chǎn)生的輪廓并根據(jù)切片輪廓設(shè)計合理的激光器掃描路徑、激光掃描速度、激光強(qiáng)度等，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的計算機(jī)數(shù)字控制程序；第三，將激光溶化沉積腔抽真空，并充入一定壓力的惰性保護(hù)氣體，防止粉末熔化時被氧化；第四，計算機(jī)控制送粉系統(tǒng)向工作臺上的基板噴粉，同時激光器在計算機(jī)指令控制下，按照預(yù)先設(shè)置的掃描程序進(jìn)行掃描，溶化噴灑出來的粉末，熔覆生成與這一層形狀、尺寸一致的熔覆層；最后，激光陣鏡、同軸送粉噴嘴等整體上移（或工作臺下移）一個切片厚度并重復(fù)上述過程，逐層熔覆堆積直到形成CAD模型所設(shè)計的形狀，加工出所需的金屬零件。

2、SLM技術(shù)基本原理

    SLM技術(shù)作為增材制造技術(shù)的另外一種實施方式，由粉床選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）發(fā)展而來，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將鋪灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。整個SLM設(shè)備包括激光器、激光陣鏡、粉末碾輪、粉末儲存室、零件成型室等。

    SLM快速成型技術(shù)的基本原理為：首先，利用切片技術(shù)將連續(xù)的三維CAD數(shù)模離散成具有一定層厚及順序的分層切片；第二，提取每一層切片所產(chǎn)生的輪廓并根據(jù)切片輪廓設(shè)計合理的激光器掃描路徑、激光掃描速度、激光強(qiáng)度等，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的計算機(jī)數(shù)字控制程序；第三，將激光溶化沉積腔抽真空，并充入一定壓力的惰性保護(hù)氣體，防止粉末熔化時被氧化；第四，計算機(jī)控制可升降系統(tǒng)上升，粉末碾輪將粉末從粉末儲存室推送到零件成型室工作臺上的基板，同時激光器在計算機(jī)指令控制下，按照預(yù)先設(shè)置的掃描程序進(jìn)行掃描，溶化鋪灑在基板上的粉末，熔覆生成與這一層形狀、尺寸一致的熔覆層；最后，粉末儲存室上移而零件成型室下移一個切片厚度并重復(fù)上述過程，逐層熔覆堆積直到形成CAD模型所設(shè)計的零件。

航空制造領(lǐng)域增材制造優(yōu)勢：

    （1）采用增材制造，可以使飛機(jī)重量減輕，這樣或是降低飛機(jī)的燃油消耗，或是增加飛機(jī)載重量；

    （2）采用增材制造，在早期階段就可能生產(chǎn)出與批量化生產(chǎn)零件結(jié)構(gòu)類似的功能樣件，意味著可以在設(shè)計階段早期就識別出設(shè)計錯誤，以及對工藝過程進(jìn)行優(yōu)化。之前預(yù)計開發(fā)這種零部件需要約6個月，實際只花費(fèi)了1個月；

    （3）采用增材制造可實現(xiàn)綠色制造，用銑削等機(jī)加方法加工飛機(jī)零部件制造會導(dǎo)致95%的原材料浪費(fèi)，而采用激光熔融工藝，浪費(fèi)大約只有5%左右。

    （4）采用增材制造，對中小批量零件的制造成本具有積極影響。為實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，相比大批量制造，飛機(jī)制造中的批量因素更加至關(guān)重要。相比傳統(tǒng)制造工藝，增材制造技術(shù)不僅消除了工具成本，還具有更高的設(shè)計自由度。

    （5）采用增材制造技術(shù)還能夠開發(fā)諸多涉及安全的零部件，比目前使用的零部件更經(jīng)久耐用。因為采用增材制造技術(shù)的零部件配以合適的熱處理技術(shù)后，零部件具有更高剛度、更低韌性。

    （6）在未來，采用增材制造技術(shù)使得在不同的地點按需制造備件也成為可能。一旦遇到零部件失效，備件可以在當(dāng)?shù)刂苯由a(chǎn)。這種分散化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)可以減少運(yùn)輸距離和交付時間，另外，飛機(jī)中與維護(hù)相關(guān)的停機(jī)時間和檢測時間也可縮短。

    （7）增材制造技術(shù)可以生產(chǎn)出及其精細(xì)的骨骼、多孔類零部件，使得未來飛機(jī)制造中，將增材制造與仿生學(xué)結(jié)合，實現(xiàn)飛機(jī)零部件的仿真學(xué)設(shè)計制造，進(jìn)一步提高飛機(jī)安全性。

未來發(fā)展

    金屬材料增材制造技術(shù)以金屬粉末等為原料，以激光束作為刀具，通過激光逐層熔化沉積，實現(xiàn)了零件的"近終成形"。增材制造技術(shù)實現(xiàn)了零件的無模具制造，具有材料利用率高、機(jī)械加工量小、數(shù)控加工時間短、生產(chǎn)成本低、制造周期短、柔性高效等點，給機(jī)械加工帶來巨大變革，將傳統(tǒng)的"制造引導(dǎo)設(shè)計、制造性優(yōu)先設(shè)計、經(jīng)驗性設(shè)計"的設(shè)計加工思路引領(lǐng)到全新的"設(shè)計引導(dǎo)制造、功能性優(yōu)先設(shè)計、最優(yōu)化設(shè)計"設(shè)計加工領(lǐng)域，給未來的零件設(shè)計加工帶來了更寬廣的明天。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展及技術(shù)的不斷突破，研制零件的力學(xué)性能、疲勞性能等不斷提高，其在工業(yè)領(lǐng)域，特別是航空航天領(lǐng)域必將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。