金屬增材制造技術(shù)輕量化應(yīng)用研究進(jìn)展

劉景博，劉世鋒,3，楊 鑫，李 安，時(shí)明軍，張光曦，張智昶，韓 松

(1. 西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)(2. 西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710016)

1 前 言

增材制造技術(shù)，亦稱3D打印技術(shù)，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的快速成型技術(shù)之一[1]。3D打印技術(shù)采用離散堆積的印刷原理，與噴墨打印機(jī)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(shí)體零件[2]。航空航天用增材制造技術(shù)通常有4種：激光選區(qū)熔化成形(SLM)、激光熔化沉積(LMD)、電子束選區(qū)熔化沉積(SEBM)、電子束熔絲成形(EBF)。增材制造可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到材質(zhì)輕量化的目的，主要方式有4種：一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中空夾層結(jié)構(gòu)、薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。其中，拓?fù)鋬?yōu)化[3]是根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料內(nèi)部分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。增材制造顛覆了傳統(tǒng)的制造理念，極具時(shí)間和成本效益。這種直接成型技術(shù)金屬使用率高且環(huán)保，減少了材料的浪費(fèi)；其逐層制造的優(yōu)勢使極其復(fù)雜的互鎖零件無需組裝便可投入使用；其產(chǎn)品研發(fā)周期短且利于減小庫存；其易變和廣闊的創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間使個(gè)性化需求設(shè)計(jì)門檻變低。傳統(tǒng)的鍛造和減材制造技術(shù)不僅浪費(fèi)原材料，而且產(chǎn)品的精度、質(zhì)量和增材制造技術(shù)的有一定差距。目前，增材制造技術(shù)在全球工業(yè)范圍內(nèi)被大量應(yīng)用，涌現(xiàn)出各式各樣的設(shè)備及尖端技術(shù)。

所謂“一代裝備，一代技術(shù)”，設(shè)備的先進(jìn)程度直接決定了技術(shù)產(chǎn)品的優(yōu)劣。針對(duì)SLM和SEBM兩種金屬增材制造常用技術(shù)，瑞典Arcam公司研發(fā)了EBMArcamQ20型EBM設(shè)備，其可成形以鈦合金為基礎(chǔ)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(shè)備EBMArcamQ20plus打印機(jī)整體效率提升了15%。西安賽隆公司最新推出的Sailong-S200型SEBM設(shè)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(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)40 h。此外，清華大學(xué)機(jī)械工程系研發(fā)的EBSM-250型電子束選區(qū)熔化設(shè)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(shè)備應(yīng)用的軟件也不盡相同，但大多數(shù)的增材制造技術(shù)在制作懸臂、裙邊等結(jié)構(gòu)時(shí)需要添加工藝支撐結(jié)構(gòu)，而由比利時(shí)Materialise公司推出的Materialise Magics 21.0軟件,在經(jīng)過Cero 2.0繪制草圖后再進(jìn)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(lǐng)域、汽車領(lǐng)域及其他方面對(duì)目前增材制造的輕量化應(yīng)用展開綜述，最后對(duì)增材制造的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

2 增材制造輕量化應(yīng)用

2.1 航空航天領(lǐng)域

對(duì)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(zhì)化對(duì)航空件的影響最大，實(shí)現(xiàn)材質(zhì)輕量化有利于飛行器更安全高效地完成飛行任務(wù)。有數(shù)據(jù)表明，若飛機(jī)質(zhì)量減輕1%，則飛機(jī)性能提高3%～5%，質(zhì)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(shí)現(xiàn)航空航天以及汽車工業(yè)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(qiáng)度、比剛度高，韌性好及化學(xué)性能、力學(xué)性能良好等特點(diǎn)，被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉盤、葉片的制造。目前，在先進(jìn)飛機(jī)的制造中，鈦合金的用量在35%以上，在航空工業(yè)發(fā)達(dá)的美國與法國，航空工業(yè)30%左右的鈦合金緊固件都采用TC4增材制造[13, 14]。

高質(zhì)量要求的航空航天結(jié)構(gòu)件增材制造應(yīng)用，對(duì)粉末原材料的質(zhì)量和性能提出了更高的要求，國內(nèi)成熟應(yīng)用的高品質(zhì)制粉工藝是等離子旋轉(zhuǎn)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(wèi)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(xì)的枝晶組織，無衛(wèi)星粉、表面光潔，且組織均勻、粉末球形度較好，表面質(zhì)量優(yōu)異。金屬粉末是金屬增材制造的基礎(chǔ)耗材，由于PREP法制備的粉末性能優(yōu)異，已在航空航天增材制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(diǎn)問題。在航空制造方面，APworks與The Living合作用輕質(zhì)合金采用SLM技術(shù)打印出仿生的機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和高韌性可以滿足飛機(jī)的需求，并使其質(zhì)量減輕了25 kg[17]。

在航空飛機(jī)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(shù)將鈦合金及超高強(qiáng)度鋼制備成用于C919飛機(jī)的高性能關(guān)鍵整體構(gòu)件、鈦合金主風(fēng)擋整體窗框和3 m高的中央翼?xiàng)l，該方法生產(chǎn)的零件質(zhì)量較傳統(tǒng)鍛造方法減輕了1/10。采用該技術(shù)將Ti15鈦合金打成飛機(jī)工字梁典型結(jié)構(gòu)，因其超細(xì)的“網(wǎng)籃狀”顯微結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

激光成形技術(shù)[19]的使用，大規(guī)模節(jié)省了時(shí)間和成本。尤其是鈦合金金屬構(gòu)件，利用激光成形技術(shù)能夠直接快速生成一個(gè)很精致的毛坯，再進(jìn)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(shù)將TC4材料打印為航空航天用座椅扣(圖2a[21])，該結(jié)構(gòu)件的性能較傳統(tǒng)方法的更加穩(wěn)定，且具有足夠的強(qiáng)度以防止沖擊載荷，質(zhì)量減輕55%。美國GE公司采用LMD技術(shù)用鈦合金材料對(duì)航天用Leap-X發(fā)動(dòng)機(jī)離心式燃油噴嘴進(jìn)一步開發(fā)，該結(jié)構(gòu)件(圖2b)的質(zhì)量較傳統(tǒng)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(shù)生產(chǎn)的航天座椅扣(a)[21]；Leap-X發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)制造了鈦合金結(jié)構(gòu)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(shù)制造的承力構(gòu)件面積超過12 m2，不僅研制周期縮短50%，而且大大減輕了機(jī)體的總質(zhì)量。

采用激光快速成型技術(shù)對(duì)航空用TC4鈦合金板件進(jìn)行了制備與測試，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)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(dá)到了輕量化要求[23-26]。空客公司采用SLM技術(shù)研發(fā)了由4個(gè)零件通過44個(gè)鉚釘連接而成的A380客機(jī)用鋁合金支架，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了35%的減重，同時(shí)還提高了40%的結(jié)構(gòu)剛度。

增材制造技術(shù)是提高航天器設(shè)計(jì)和制造能力的關(guān)鍵技術(shù)，其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。國外公司和機(jī)構(gòu)利用增材制造技術(shù)不僅打印出衛(wèi)星的零部件，還打印出航天發(fā)動(dòng)機(jī)組件[27, 28]等。選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)[29]在航天裝備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是在太空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，該技術(shù)的一體化成型與創(chuàng)新式設(shè)計(jì)使得零件個(gè)數(shù)減少、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到輕量化目標(biāo)，極大地減輕了質(zhì)量，節(jié)約了成本。英國GKN航天公司[30]通過激光成型技術(shù)對(duì)直徑為2.5 m的Ariane6號(hào)火箭噴嘴進(jìn)行加工，最終節(jié)省了40%的成本。英國Rolls-Royce公司[31]利用鈦合金采用LMD技術(shù)打印出48個(gè)尺寸為Φ1.5 m×0.5 m的Trent XWB-97型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，生產(chǎn)效率提高了1/3，質(zhì)量減輕了1/4，如圖3所示。

圖3 LMD技術(shù)打印的用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的Trent XWB-97型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片[31]Fig.3 Trent XWB-97 engine blade of the aircraft engine by LMD method[31]

增材制造技術(shù)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(shí)，增材制造可以快速制造出所需部件，僅需一些數(shù)據(jù)和少數(shù)材料、幾名技術(shù)人員而已；同時(shí)，針對(duì)太空作業(yè)時(shí)物資運(yùn)輸資源的短缺問題，增材制造技術(shù)在太空中的應(yīng)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(yè)領(lǐng)域

汽車輕量化不僅可以提高汽車動(dòng)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(yè)經(jīng)濟(jì)飛速增長，汽車企業(yè)為贏得市場，需要以最低成本開發(fā)出最受歡迎的車型來應(yīng)對(duì)殘酷的市場競爭。增材制造技術(shù)最大的優(yōu)勢是可以方便快捷并精確地制備造型復(fù)雜的物體，這種獨(dú)特優(yōu)勢非常適合汽車輕量化產(chǎn)業(yè)甚至包括汽車零部件及維修方面的應(yīng)用[35, 36]。

傳統(tǒng)汽車造型設(shè)計(jì)流程是：草圖、效果圖、數(shù)據(jù)模型、油泥模型、A級(jí)曲面、樣車制造；而采用增材制造技術(shù)后汽車造型設(shè)計(jì)流程是：草圖、效果圖、數(shù)據(jù)模型、增材制造樣車。使用增材制造技術(shù)后，不僅設(shè)計(jì)流程大大簡化，增材制造過程中的一體化成形設(shè)計(jì)還使得零件個(gè)數(shù)減少、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到輕量化目標(biāo)。如果車型需要修改，只需修改三維模型，新車的外形設(shè)計(jì)就可以完成，表1列舉了汽車增材制造的發(fā)展。

表1 汽車增材制造的發(fā)展

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)增材制造輕量化影響顯著。西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司應(yīng)用SLM技術(shù)在BLT-S300設(shè)備上制造的經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)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(dá)65%，如圖4所示。付遠(yuǎn)等[37]采用SLM技術(shù)在FagCNC8055設(shè)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(jié)合增材制造技術(shù)與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)將零件質(zhì)量減輕了50%。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化前后車架零件對(duì)比[37]Fig.4 Comparison of frame parts before and after topology optimization[37]

增材制造對(duì)汽車維修技術(shù)帶來了很大影響，技術(shù)人員可通過增材制造技術(shù)直接修復(fù)傷口或打印緊缺零部件，延長關(guān)鍵構(gòu)件的壽命。當(dāng)大型不易移動(dòng)的野外作業(yè)機(jī)械發(fā)生故障時(shí)，可以攜帶打印機(jī)到現(xiàn)場維修[38]。同時(shí)，利用增材制造技術(shù)，技術(shù)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙現(xiàn)場生產(chǎn)出當(dāng)時(shí)所需要的維修工具。此外，技術(shù)人員還可以根據(jù)實(shí)際的維修需求，變通地設(shè)計(jì)出更利于維修人員操作的工具[39, 40]。

2.3 其它領(lǐng)域

增材制造技術(shù)因其獨(dú)特的輕量化優(yōu)勢不僅在航空航天及汽車領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，而且在醫(yī)療、機(jī)械等工業(yè)上的應(yīng)用規(guī)模也不斷擴(kuò)大。如圖5所示[43]，未來隨著各行業(yè)的工業(yè)發(fā)展，各領(lǐng)域應(yīng)用增材制造技術(shù)的比例將穩(wěn)步提升。在機(jī)械方面，姜繆文等[41]運(yùn)用LMD技術(shù)用鈦合金材料制造了運(yùn)動(dòng)員頭盔，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的頭盔主要采用多孔化及網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)，在受到正前方載荷為500 N的情況下，其質(zhì)量減輕了50%，從材料設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了輕量化。在醫(yī)學(xué)方面，為了避免植入物的質(zhì)量過大，通常采用增材制造技術(shù)打印多孔合金，但是孔隙度和剛度一般很難同時(shí)滿足，Xiao等[42]采用SLM技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化處理，實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后支架的有效彈性模量比優(yōu)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論支撐，即如何達(dá)到孔隙度與剛度的平衡點(diǎn)，是今后增材制造醫(yī)學(xué)研究的主要問題。

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

3 增材制造的發(fā)展趨勢

增材制造技術(shù)是一個(gè)新時(shí)代的新興技術(shù)，足以引導(dǎo)第三次工業(yè)革命，針對(duì)國內(nèi)外增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，筆者預(yù)測其發(fā)展前景可以歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)未來，增材制造技術(shù)將面向5個(gè)“任何”持續(xù)發(fā)展。即任何領(lǐng)域，任何場所，任何材料，打印出任何形狀、任何數(shù)量的輕量化產(chǎn)品[44]。例如，將太空“空間站”變?yōu)椤爸圃旃S”，通過運(yùn)載火箭“快遞”原材料、增材制造設(shè)備和機(jī)器人到其他星球，首先實(shí)現(xiàn)增材制造設(shè)備的自我復(fù)制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基地的打印建造，為外星移民提供條件。

(2)增材制造技術(shù)的應(yīng)用將推動(dòng)高品質(zhì)鈦粉的不斷創(chuàng)新。未來鈦粉在航空航天及汽車等領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮?，鈦的粉末成型技術(shù)將走向個(gè)性化、精密化、大型化和輕量化[45]。受技術(shù)提高的影響，打印機(jī)的成本和價(jià)格將大幅降低，使得民用級(jí)別增材制造打印機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。

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

(4)各種新型材料的使用。比如納米材料、復(fù)合材料、金屬粉末、新型高聚合材質(zhì)等，可以打印出更多類型的實(shí)體零件[47]。速度、效率突飛猛進(jìn)且更加環(huán)保和輕量化，使得航空航天及汽車損耗件的快速修復(fù)變?yōu)榭赡躘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(biāo)準(zhǔn)，讓增材制造產(chǎn)業(yè)市場規(guī)范化運(yùn)行[49]。

4 結(jié) 語

增材制造已成為當(dāng)今制造工業(yè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，能夠快速實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型實(shí)體制造。通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，具有良好的使用性能和力學(xué)性能。增材制造技術(shù)作為一種快速成型技術(shù)得到了快速發(fā)展，對(duì)推動(dòng)全球航空航天及汽車等工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要作用。但在目前，增材制造技術(shù)的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，就增材制造設(shè)備來說，打印設(shè)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(yè)內(nèi)20%～30%的物品需求。還有諸如信息安全、質(zhì)量保證、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問題都需要不斷改進(jìn)。隨著增材制造技術(shù)的日趨成熟和材料的擴(kuò)充，增材制造技術(shù)有望成為21世紀(jì)的標(biāo)桿技術(shù)之一。此外，增材制造應(yīng)與先進(jìn)能源技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出更加節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)品。