增材制造技术在航空航天领域的应用

徐爱国 （达索系统公司）

增材制造技术在航空航天领域的应用

徐爱国 （达索系统公司）

1　行业背景

随着全球航空航天国防预算自2013年开始呈现下降趋势，各国政府部门在预算压力下都在考虑低成本的替代方案，包括引入民营商业公司，更多地采纳民用成熟技术，型号中应用更多的商用现货（COTS）等策略、手段应运而生。在此背景下，美国太空探索技术公司（SpaceX）及一网公司（OneWeb）等一批私营企业的崛起，给整个行业的市场竞争格局和研发生产模式带来了颠覆性变化。太空探索技术公司的低成本研发和低成本发射服务，使其快速占据市场份额，也使得中国在商业发射领域依托低成本和可靠性取得的优势面临挑战。在美国一些智库预测中国制造业无论低端还是高端，都会在未来10～20年全面超越美国的背景下，太空探索技术公司创始人伊隆·马斯克却以“猎鹰”（Falcon）火箭和“龙”（Dragon）飞船为例，宣称这是一个创新战胜劳动力成本的一个实例。同样，一网公司在2016年4月正式宣布，其与空客防务与航天公司（ADS）在佛罗里达的合资工厂将吸收飞机制造业的量产经验，采用自动化生产线进行批产和测试，实现每周15颗卫星的批产和交付速率，并将每颗卫星的成本控制在50万美元以下，这同样颠覆了卫星价格高、小批订制的传统印象。

在这种全球化竞争、市场剧烈变化、技术快速演进以及信息网络带来新业务模式变化的背景下，每一个行业参与者都感受到了重重压力。这种变化不仅不会停下来，而且会愈演愈烈，从业者如果不能快速响应并做出对策，必然在竞争中被淘汰。与其在这种变化中挣扎，不如主动求变，去拥抱这种市场变化，利用技术变革改变游戏规则，以求在竞争中脱颖而出。

增材制造被认为是有潜力成为改变航空航天制造业的一项技术变革，在未来可能会给整个行业带来颠覆性的变化。增材制造也被称作3D打印，理想的增材制造技术目标是实现成本低廉而且快速的按需制造，并且进入大规模工业应用。目前，增材制造尚不能达到理想目标，但已经不再停留在概念原型方面的应用。随着关键技术的突破，整个工业界对其前景愈加乐观，不断加大投入开展相关方面研究。

近年来，随着欧美发达国家对制造业的重视，制造业振兴成为国家战略，相应的增材制造技术研究也成为其中重要的一项内容，美国总统奥巴马将增材制造作为美国制造业回归的重要方向，欧美发达国家纷纷制定了发展推动增材制造技术的国家战略和项目，各航空航天企业也密集投入开展增材制造研究应用。

2　研究方向

增材制造在航空航天领域的研究方向主要包含创新设计，材料研究，大尺寸、高性能部件制造研究，标准化，应力控制，生产速率与质量的平衡等。

创新设计

增材制造打破了设计受限于传统制造的约束，对设计理念将产生大的颠覆。一方面，可为产品结构创新设计带来广阔的自由空间。另一方面，不再受限于单一匀质材料的设计理念，考虑功能驱动的多材料结构设计方法，宏微观一体化设计及智能化工艺集成开拓了新的研究方向。如何利用增材制造的这些优势开展创新研发，是当前航空航天制造业一个重要研究方向。空客集团（Airbus Group）、赛峰集团（SAFRAN）、美国航空航天局（NASA）、洛马公司（LM）、通用电气公司（GE）等均在这个领域开展了大量研究，有些已经进入了实际应用，如通用电气公司采用增材制造喷嘴，用一个零件取代传统20多个零组件，空客集团、波音公司（Boeing）也在大量开展零件空间拓扑优化，以实现减轻质量的目标。

创新设计带来的产品变革

材料研究

材料研究是增材制造的基础，目前在增材制造领域尚有诸多的材料瓶颈需要突破，材料问题对增材制造的成本、质量控制、工艺、可靠性、制造效率及规模化生产均具有直接的关系。目前材料方面的挑战来自材料成本居高不下、材料可选择范围窄，以及受限的多种材料同时打印等问题。

航空航天领域增材制造采用的材料范围主要是高分子聚合物及金属粉末，这些材料的成本远远高于传统制造中同类材料成本，例如，增材制造中采用的热塑材料价格2013年约为200美元/kg，而在传统注塑工艺中仅约为2美元/kg。同样，增材制造中使用的不锈钢材料价格约为8美元/cm2，超过了传统加工不锈钢价格的100倍。总体来说，增材制造中采用的金属粉末价格至少为传统制造的10倍以上。

相较传统加工制造方法，增材制造中材料的选择范围较窄也是当前面临的一个问题。另外，一个零件采用多材料同时打印可显著提升设计灵活度，例如，根据产品或部件需满足的多个功能特性要求将耐高温与耐腐蚀材料一起打印，轻质材料与阻燃特性材料在一起打印。但目前支持多种材料打印的系统还较少。

相信在不远的将来，随着材料科学的进展、对材料微观宏观研究的深入，以及新材料的不断涌现，上述这些问题会得到大幅改善。

大尺寸、高性能部件制造研究

当前，相比较传统制造，受限于设备及工艺，在大尺寸部件制造上，增材制造面临诸多挑战，洛马公司与美国橡树岭国家实验室合作研究在开放环境中多头打印大尺寸部件，其称为“大区域增材制造系统”（BAAM），北京航空航天大学与国内航空研究所合作，在大尺寸、高性能钛合金部件增材制造领域取得了不少突破，目前最大可以打印4m×3m×2m的大型钛合金部件，并且在一些国防项目及C919民机型号上都已经有了成功的型号应用。这个领域的研究仍在不断深入，随着材料研究突破、内应力的预防控制及设备工艺的不断升级，尺寸限制及构件性能方面都会有不断的突破，可以预见，未来会越来越多地采用增材制造手段来制造大尺寸、长周期的关键受力件甚至整机产品。

洛马公司构想的未来3D打印飞机制造工厂

标准化

标准化是增材制造大规模工业化的前提，缺少对增材工艺过程的表征、控制和认证批准，增材制造技术的大范围工业应用将受到制约。从2002年国际自动机工程师协会（SAE International）发布的第1份增材制造技术标准宇航材料规范AMS4999《退火Ti-6Al-4V钛合金激光沉积产品》开始，到2011年国际标准化组织（ISO）制定17296《增材制造—快速技术（快速原型制造）》，标准包括术语，方法、工艺和材料，试验方法，以及数据处理四个分标准。颁布的标准集中在Ti-6Al-4V钛合金，工艺方法也只包括直接沉积法和铺粉熔覆法，这也是因为钛合金技术相对成熟，并且在航空航天领域得到广泛应用。针对其他高温合金及工艺方法的标准制定仍在研究中，尚未成熟。另外，国内增材制造技术标准化工作也相对落后，已经装机使用的增材制造产品均采用各企业的技术条件和规范。需要组织开展增材制造技术标准体系规划，积极参加国际标准化组织增材制造技术委员会的活动，开展相关基础标准的制订工作。

应力控制

内应力一直是增材制造的一个关键问题，由于增材制造的特点，打印过程中一直处于热冲击状态，温度处于剧烈的循环变化中，温度梯度很大，热应力问题比较突出。另外，由于固态相变不均匀以及凝固冷却速度快，带来组织应力和凝固应力等问题。内应力控制不好，将会导致打印零件变形、裂纹等问题产生，进而严重影响零件的力学性能，这也是增材制造一直在大型关键受力件工程应用上的瓶颈。针对这个问题，目前已经开展了大量的研究，针对材料的微观组织研究，工艺参数如温度、速度、支撑、方向对内部组织的影响，缺陷特征及检测方法研究等，这些研究是增材制造的工程应用以及寻找增材制造新材料非常关键的一环。

生产速率与质量的平衡

生产速率问题也是增材制造大规模应用的一个瓶颈，如何平衡打印速度与质量也是需要研究的课题，打印速度快往往导致应力集中问题，进而带来变形开裂，而打印速度慢又带来批产生产速率和成本问题。

其他研究方向

航空航天企业要利用增材制造技术取得竞争优势，除了上述的研究方向，仍然有很多方面需要开展研究，包括∶

1）技术路线制定。导入成熟度的制定，如何制定导入路线图？如何与传统制造方法相结合开展工程应用推进工作？

2）供应链。在增材制造模式下合作模式会发生什么样的变化？分布式生产会带来什么影响？部件自制还是外包？备品、备件策略如何制定？对物流和仓储会带来什么变化？

3）人力资源。对增材制造对人力资源的组成和规模影响变化开展分析，工程师角色及职责会发生哪些变化？例如，企业是否需要建立材料研究团队，研发中心是否要吸收材料工程师等新的角色加入。

4）财务。综合考虑增材制造带来的制造、运营、物流、仓储等因素，比较分析增材与传统制造的固定成本与变动成本，针对不同类型零件的特点、用途和生命周期成本，分析采用传统方法与增材制造的优劣势，例如，对用量小的备件，研究采用增材制造方式按需现场打印，降低物流和仓储成本。

5）lT。对IT而言，涉及到CAD/CAM软件的新的评估标准，如上所述，突破传统制造约束的设计方式发生变化，功能驱动的多材料，宏微观一体化设计理念变化都对设计软件提出了新的要求，软件如何满足增材制造技术带来的研制流程变化，满足设计、分析仿真、工艺、质量等要求？设计制造集成数字化平台如何改进升级因增材制造带来的新要求，都是需要在软件选型时考虑的因素。

6）知识产权保护。增材制造带来全新研发和生产合作模式的同时，也带来了新的知识产权保护问题，主制造商与合作伙伴的数字IP信息如何进行封装、交换？以及对各国法规的理解，都是需要研究的课题。

3　　航空航天工业应用趋势

增材制造在航空航天领域的应用也正在发生着改变，早期主要进行一些快速原型，概念产品研制，小尺寸复杂零件及非关键受力件的开发研制，采用高强度轻质材料，优化结构拓扑进行减重研究。未来，越来越多的应用，包括嵌入电子电路直接打印，复杂发动机部件，复杂结构承力件，停产机型的备品备件，太空中按需打印零件/备件，突破运载火箭尺寸限制开展太空中大结构直接打印，等等。来自硅谷的创新公司太空制造公司（Made in Space）于2014年与NASA合作将零重力环境的3D打印机送入“国际空间站”开展太空打印研究。2015年11月，NASA选择太空制造公司承担1份为期2年、价值2000万美元的合同，项目命名为“阿克纳特”（Archinaut），目标是制造一台带有机械臂的3D打印机并将其安装在“国际空间站”外部的一个分离舱上，在无需舱外航天员介入的情况下，利用增材制造技术进行太空中大型复杂结构制造及组装能力的研究。该项目的合作方还包括诺格公司（Northrop Grumman）和国际海洋工程集团太空系统公司（Oceaneering Space Systems）。其中国际海洋工程集团太空系统公司负责“阿克纳特”项目中的3D打印机，根据计划，它将与国际海洋工程集团太空系统公司的机械臂结合在一起。而诺格公司则提供系统工程、控制系统、热分析、软件、集成测试等支持。该项目计划于2018年在太空轨道上展示“阿克纳特”的增材制造和组装大型、复杂结构的能力。这样的太空制造装置将使NASA和私人航天公司只需运送用于增材制造的原料以及某些高价值部件，比如传感器、电子元器件、电池等。机械臂会将从地球运来的部件与在太空中增材制造的部件组装在一起。如果2018年进行的测试证明“阿克纳特”的表现达到预期目标，太空制造公司和它的合作伙伴希望能够进一步扩展该项目，包括进一步增加增材制造功能并配备额外的机械臂等。“阿克纳特”最终版本将装有3个机械臂，它能够抓住在轨道上运行的结构，为其增加或拆下部件，它甚至能够从退役的航天器中移除部件，用在新的航天器上。

如果在太空轨道上进行制造和装配成为可能，这将彻底改变航天器的设计，工程师们将不再需要耗费精力去设计那些需要能够在发射时承受重力和震动的结构，而且也不用去考虑火箭的运载能力和运载空间等。另外，这也有助于卫星碎片等太空垃圾的回收。因为这些碎片的制造成本往往高达上亿美金，如果有些部件还能够重新利用，那就有很大的经济利益刺激人们去回收他们。

太空制造公司主承包的“阿克纳特”项目示意图

4　数字化技术在增材制造中的研究应用

早在20世纪70年代末期，美国联合技术研究中心的D.B.Snow等人就开展了采用激光多层熔覆的方法制造镍基高温合金零件的研究，并取得了相关专利，形成了增材制造技术的雏形。但由于当时数字化三维建模等技术成熟度不高，限制了其进一步的发展。当前数字化技术的快速发展推动了增材制造技术的实用性及工业化应用。

相关数字化企业针对增材制造都在开展相关的技术探索与商业化软件开发工作，以达索系统公司（Dassault Systemes）为例，针对上述增材制造在材料、创新设计、内应力控制、工艺质量等面临的挑战和研究方向，重点开展了如下三方面工作。

1）在计算材料科学领域开展跨尺度分析。材料研究一直是增材制造的基础性研究，也是增材制造大规模工业应用的瓶颈，达索系统公司于2014年收购了在生物、化学、材料建模、仿真领域领先的应用accelrys公司，并整合到达索系统公司的3D体验数字化平台Biovia旗下。微观纳观用量子力学计算，中尺度进行经典力学和细观力学计算，开展从约1nm、10ps的微观尺度范围到10μm、10ms的细观尺度范围，再到1mm、1s的宏观尺度范围的增材制造研究，建立和打通涵盖微观纳观到细观，宏观的数据参数链路，开展跨尺度分析，对晶粒生长、晶界位错、相变、微裂纹和分子链结构进行分析，得到宏观应变曲线，最后形成均一化有限元材料模型，传给有限元软件进行强度和疲劳耐久性计算。反过来，宏观分析作为微观仿真的输入，例如针对激光路径仿真得到的冷却曲线，仿真晶粒生长方向及尺寸，进而评估材料系数，包括热膨胀系数、密度及粘度等。

合金材料微观组织数字模型

2）功能驱动的创成式设计。由于没有了传统制造的约束，颠覆了传统设计理念，结构设计有了广阔的自由度，新的CATIA采用功能驱动的创成式设计手段，将建模、仿真和优化融为一体，利用数字化空间拓扑优化手段为设计空间寻找多个优化结构方案，同时针对空间拓扑优化方案生成工程数模，直接开展分析仿真和进一步的工程优化，消除从概念到详细设计有机形状之间的障碍。

通过2年多时间的验证测试，空客集团在2016年6月宣布与达索系统公司进行战略合作，采用达索系统公司的CATIA最新发布的针对增材制造技术的创成式设计模块，开展增材制造用于产品创新设计方面的工作。

3）制造工艺仿真控制。利用数字化手段进行增材制造的工艺质量控制、可制造性分析、生产稳定性和一致性以及考虑生产速率的打印策略问题也是增材制造中的一个关键问题。综合考虑不同粉末特性、打印路径、打印速度、加热温度、零件方向和支撑的特点等一系列参数，通过数字化仿真手段来预测残余应力引起的变形，以及由于温度梯度变化和材料冷却来预测热畸变等问题，最终，寻找最佳的参数组合，以保证打印质量及最佳的质量/速度的平衡比率。

另外，达索系统公司从2015年开始与美国国家航空研究所（NIAR）及一些航空航天企业合作在堪萨斯州威奇托建立创新中心，利用数字化手段，结合增材制造技术、VR/AR技术、多机器人技术探索未来智能制造之路。

功能驱动的创成式设计流程

零件优化效果

5　结束语

增材制造的影响不仅仅在技术层面，其在研发模式、合作模式、供应链及生产组织等各个层面都将带来巨大的影响。越来越多的业内人士相信，未来10～20年，随着材料科学、设计创新、工艺、装备等领域的突破，增材制造将会很快在航空航天领域得到深入广泛的应用，其很可能会改变航空航天领域的游戏规则，改变市场竞争格局。国内航空航天单位要利用增材制造新技术带来的机遇，迎接挑战，长远布局，取得有利的市场竞争地位。

Application of Additive Manufacturing Technology in Aerospace Field