增材制造“3D打印”发展现状及未来发展规划

增材制造“3D打印”发展现状及未来发展规划

一、增材制造发展历程

增材制造又称“3D打印”，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D 打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

增材制造技术于20 世纪 80 年代末，实现了根本性发展。1986年，第一家3D公司成立，20世纪90年代，GE、波音增材起步，21世纪，空客增材起步。2009年—2012年，中国商飞增材起步。21 世纪开始，随着工艺、材料和装备的日益成熟，增材制造技术的应用范围由模型和原型制造进入产品快速制造阶段，在航空航天等高端制造领域得到规模应用。

二、增材制造技术优势

增材制造技术与传统的减材制造不一样，通过计算机辅助三维设计后一层一层叠加制造。能满足其重量轻、强度高、几何复杂的要求

。其逐层制造的优势使极其复杂的互锁零件无需组装便可投入使用;其产品研发周期短且利于减小库存;其易变和广阔的创新设计空间使个性化需求设计门槛变低。

缩短制造周期：制造速度快，成形后的零件仅需少量后续机加工，可以显著缩短零部件的生产周期，满足快速响应要求。

复杂结构得以实现 ：能轻松实现复杂结构件的制造，同时还能实现单一零件中材料成分的实时连续变化，使零部件的不同部位具有不同的成分和性能，是制造异质材料的最佳工艺，大幅提升了设计和创新能力。

满足轻量化需求，减少应力集中，增加使用寿命 ：优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果。而且通过优化零件结构，能使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危险，从而增加使用寿命。

提升零部件的性能 ：金属增材制造技术能方便地加工高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难加工材料。金属零件直接成形时的快速凝固特征可提高零件的机械性能和耐腐蚀性能。

具有较高的设计自由度：可以构建出其它制造工艺所不能实现的形状，可以从纯粹考虑功能性的方面来设计部件，且无需考虑与制造相关的限制。

多品种、小批量生产的经济性高：无需生产或装配硬模具，且装夹过程用时较短，因此不存在需要通过大批量生产才能抵消的典型的生产成本，提高材料利用率。

能减少装配次数：通过增材制造所构建的复杂形状可以一体成形，能省去投入到装配工序的工作量、需涉及的坚固件、钎焊或焊接工序，还节省了为装配操作而添加的多余表面形状和材料，大大提升了生产效率。

三、增材制造主要工艺

选区激光熔化技术(SLM)，以高能激光束为能量源，对切片分层后的零件模型进行逐层选择性扫描、熔化、成形，最终成形复杂金属零件。主要开展金属SLM工艺研究与验证，形成面向增材制造金属零件的“材料-工艺-设计-测试-评价”的全流程工艺体系，解决传统中小尺寸复杂金属零件制造常见的设计保守、机加量大、难加工等问题，实现减重增效。

激光熔覆沉积（LMD）技术是一种基于送粉的激光增材制造技术，它的工艺特点是激光照射移动的同时，向扫描区域输送粉末材料。针对传统钛、铝、等金属零件制造常见的机加量大、材料利用率低、设计验证阶段开模成本高、加工过量报废等问题，开展金属LMD工艺研究与验证，减少材料和成本的浪费，实现零件成形，同时实现零件的修复和表面改性。

熔融沉积成型(FDM)技术的基本原理是将数模数据薄片化，先利用高温将打印耗材液化，然后通过喷嘴挤压出一个个微型液态颗粒，被挤出后迅速固化，相互形成一条线，打印头来回运动形成平面，层层堆积最终完成打印零件。

选区激光烧结（SLS）技术采用激光器作能源，将粉末预热到稍低于其熔点的温度，将粉末铺平于工作台，激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，层层烧结成形零件。

四、航空领域对增材制造的需求

创新设计需求：采用增量制造技术，可摆脱二维制造思想的束缚，直接面向零件的三维属性进行设计与生产，大大简化设计流程，从而促进产品的技术更新与性能优化。3D打印技术正在改变我们的设计思维，其在设计自主性和环保方面的优势，使其在飞机制造业中的地位日益重要。对于3D打印技术应用于航空领域，已经不再是局限于是便宜还是快的讨论层面，而是研究整体性能和经济效益的提升所带来竞争力的提升。

快速制造需求：采用增量制造技术，可摆脱二维制造思想的束缚，直接面向零件的三维属性进行设计与生产，大大简化设计流程，从而促进产品的技术更新与性能优化。3D打印技术正在改变我们的设计思维，其在设计自主性和环保方面的优势，使其在飞机制造业中的地位日益重要。对于3D打印技术应用于航空领域，已经不再是局限于是便宜还是快的讨论层面，而是研究整体性能和经济效益的提升所带来竞争力的提升。

快速设计验证需求：缩短设计周期。在工业设计阶段，3D打印技术低成本快速成型的特点可弥补传统工艺制作周期长，成本高的问题，设计师可以随时打印出设计模型验证设计效果。简化加工过程。可直接加工出部分结构较为复杂的非受力件或受力件、舱门装饰件等，简化加工过程。降低成本。3D打印加工过程中对材料的利用相对充分，可以显著降低制造成本。3D打印所特有的增材制造技术则能很好的利用原材料，利用率高达90%。

五、中国商飞公司的发展现状及规划

中国商飞增材制造产品实践始于2009年，通过LMD技术实现了C919橼条和窗框的快速研制，并在C919翼身组合体上安装，通过了静力试验。2012年起与飞而康合作开始SLM工艺的研发与典型件装机认证工作，目前应急和服务舱门37个件，其中29个件是取证构型，正在认证中；2018年起开始在非金属增材方面投入，目前主要集中在利用FDM和SLS工艺进行生产辅助应用支持，包括ARJ21通风窗装饰罩和防冰排气口堵盖等；在结构优化设计方面，目前主要集中在于SLM的工艺协同优化设计，前期也做了铰链臂的拓扑优化设计并实现了打印验证，通过多轮迭代零件从3.5kg减重到2.2kg，实现减重37%。

六、增材制造技术发展趋势

未来，增材制造技术将面向5 个“任何”持续发展。即任何领域，任何场所，任何材料，打印出任何形状、任何数量的轻量化产品。例如，将太空“空间站”变为“制造工厂”，通过运载火箭“快递”原材料、增材制造设备和机器人到其他星球，首先实现增材制造设备的自我复制，同时实现基地的打印建造，为外星移民提供条件。

增材制造技术的应用将推动高品质钛粉的不断创新。未来钛粉在航空航天及汽车等领域发展潜力巨大，钛的粉末成型技术将走向个性化、精密化、大型化和轻量化。受技术提高的影响，打印机的成本和价格将大幅降低，使得民用级别增材制造打印机成为现实。

科技创新。为新合金材料的研究提供科研平台，加速中国制造，基于技术革新实现轻量化，从而使得航空航天用构件的制造成本大大降低。探究“3D 打印+传统制造”的新模式。采取创新的的方法，加大研究力度，不断进行改进与更新;使两种制造方式并存、互补。

建立航空航天及汽车等方面的增材制造轻量化国家标准，让增材制造产业市场规范化运行。