增材制造技术原理、特点及各工艺产业化成果如何？

从“零”拆解增材制造，多重路径齐头并进。

1.多维度优势凸显，增材制造为传统制造的重要补充

增材制造技术，也称为“3D 打印”技术（Additive Manufacturing，AM），与传统的加工 工业的核心区别主要体现在“增材”——通过在制造过程中不断增加材料实现产品结构的 生产。增材制造技术通过 CAD 设计软件制作出 3D 模型，并转换为增材制造标准化格式的 STL 文件，系统在计算机上将该零件在某一易于加工的方向上分割成多层，最后依靠专门 的打印设备，使用金属粉末、树脂、陶瓷粉末等各种材料，逐层不断累积叠加、堆积、粘 结，最终形成零件整体。这是一种在现代的计算机软件技术、新兴材料技术和高精度的制 造加工技术加持下开发的新型工业加工技术，是各国面向未来的工业制造规划中重要的一 部分。增材制造技术的核心在于增材制造打印机的制造，对材料、设计等也有相应要求。

与传统制造工艺相比，增材制造具有可实现个性化制造、产品制造周期短、可制造复杂的 一体成型零件等特点，但其成本也比较高。增材制造技术的特点有：1）可实现个性化制造： 计算机建模很容易在尺寸、形状、比例上做实时修改，较为方便制作个性化产品；2）产品 制造周期短，制造流程简单：增材制造无需制模过程，直接从 CAD 软件的三维模型数据得 到实体零件，生产周期大大缩短，节约制模成本；3）打印的零件精度高：可以制造复杂几 何结构的部件，实现一体化生产，结构的复杂性不会带来额外的成本；4）制造材料多样性： 增材制造打印系统可以使用不同材料打印；5）可以制造复杂的一体成型零件：形状特殊的 零件使用增材制造技术可以很容易制造；6）材料利用率大幅提高：生产过程中几乎不会产 生材料的浪费，材料利用率达到 90%以上；7）设备成本和材料成本较高：工业级增材制造 设备价格昂贵，在一定程度上限制了增材制造的发展。

金属增材制造技术在多年的发展中形成了多种工艺，按增材形式，主要分为铺放金属粉末 和同步送粉/送丝两种增材制造方式。在航空领域中应用较为广泛的主要有：1）铺粉形式的 金属增材制造技术，包括选择性激光烧结（SLS）、选区激光熔融技术（SLM）、电子束熔 化成形技术（EBM）。2）送粉形式的金属增材制造技术，包括激光熔化沉积技术（LMD）； 3）送丝形式的金属增材制造技术，包括：电子束自由成形制造技术（EBF）、电弧增材制 造技术（WAAM），以及其他高能热源或复合热源的快速成形技术等。

2.SLM、WAAM 与冷喷涂技术产业化成果较好

选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）：工作原理是将零件的三维实体模型 按照一定的厚度进行分层，由计算机控制高能激光束逐层的扫描烧结摊铺在工作腔表面的 粉末，从而固结成致密件。SLS 技术制造金属部件时，可分为间接法（聚合物覆膜金属粉 末）和直接法（直接金属粉末烧结法，DMLS）。烧结件的质量取决于烧结工艺的优化。 SLS 技术具有可直接制造复杂结构金属制品并且制作时间短，使用材料广泛，价格低廉， 材料利用率高，制造工艺比较简单，可以实现设计制造一体化，应用面广等优点。此外， 该工艺无需设计支撑结构，未烧结的粉末直接支撑成形过程中的悬空部分，成形精度平均 可达 0.05~2.5mm，可以实现一定批量的个性化定制。但 SLS 工艺也存在很多不足：原材 料和设备成本都很高；零件内部疏松多孔，表面粗糙度较大，机械性能不足；零件质量容 易受到粉末的影响；成形时消耗大量的能量，需要比较复杂的辅助工艺；零件的最大尺寸 受到限制。

选择性激光熔融成形（SLM）

选择性激光熔融成形（Selective Laser Melting，SLM）：也属于粉末床熔融技术的一种， 是在 SLS 基础上发展起来的金属增材制造技术。SLM 的基本原理是利用计算机三维建模软 件（UG、Pro/E 等）设计出零件实体模型，然后用切片软件将三维模型切片分层，得到一 系列截面的轮廓数据，输入合适的工艺参数，由轮廓数据设计出激光扫描路径，计算机控 制系统将按照设计好的路径控制激光束逐层熔化金属粉末，层层堆积形成实体金属零件。 SLM 的成型原理与 SLS 极为相似，不同点在于 SLM 的激光温度较高，会在成型过程中完 全熔化所有金属粉末。因此 SLM 整个打印过程需要在惰性气体保护的腔体中进行，以避免 金属发生氧化。这给 SLM 带了更好的成型性能，相比 SLS 制造的金属零件的致密度更高， 力学性能更好，尺寸精度更高、表面粗糙度也更高，这也是 SLM 应用相比 SLS 更为广泛 的原因。但同时，正是由于热影响的作用，打印悬空结构时，最好设计有支撑结构。因此， 导致 SLM 工艺参数复杂、制造速度偏低，尤其是面对需要大量支撑结构的复杂零件，SLM 的打印成本、时长会明显提高。

SLM 技术在航空航天领域主要用于中小型复杂结构件的制造，被视为重点发展技术和前沿 方向。根据《激光选区熔化技术在航空航天领域的发展现状及典型应用》，SLM 的主要优势是：1）具有较高的设计自由度，理论上可以打 印出任何复杂形状的零件，使零件的结构设计实现自由化；2）技术生产周期短，可实现对 复杂零件的快速成形，能大大缩短新型航空航天装备的研发周期；3）材料利用率相对较高， 通过拓扑优化等方法可实现轻量化设计，不仅降低制造成本，还促进航空航天装备飞行距 离及载重量的显著提升；4）成形精度高、表面质量好、材料强度高，可实现航空航天复杂 构件的高精制造。

电弧增材制造（WAAM）

电弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）：是以金属丝材为原料， 通过电弧提供热源熔化丝材，并逐层堆积从而形成金属复杂结构零件毛坯的近净成形技术。 具有沉积效率高（沉积钛和铝合金可达 1kg/h，沉积不锈钢和高强钢可达 4kg/h）、力学性能 好、能量消耗低、绿色环保等优点，因此，非常适合沉积制造大型复杂金属结构零件。

相比于激光和电子束增材制造，电弧增材制造成形效率高，丝材利用率高达 90%以上，能 够快速进行金属构件的制造；不需要气氛保护箱和真空箱等设备，工件尺寸不受其空间尺 寸的限制，也大幅减少对设备的投资成本；可成形的材料种类广泛，对激光反射率高的铝 合金、铜合金等也可进行增材制造，且焊丝较金属粉末更易制备；设备包括焊机、焊枪和 送丝设备等，价格便宜，操作简单易保养。与传统减材制造相比，电弧增材制造可以缩短 成形时间，减少加工时间以及原材料成本，采用电弧增材制造的成形时间可以缩短 40%～ 60%，机加工时间可以缩短 10%-20%，原材料成本降低 78%左右。因此，电弧增材制造正 在成为较传统减材制造和其他增材制造方式更加适合大型金属构件的制造方式。

冷喷涂增材制造（CSAM）

冷喷涂增材制造（Cold Spray Additive Manufacturing，CSAM）：冷喷涂技术是一种以 高压气流加速微小颗粒形成超音速气固双相流轰击金属或绝缘基体表面形成涂层的工艺。 其原理是高压气体在进入控制柜后被分为两路气流，其中一路进入送粉器（powder hopper）， 作为送粉载气将粉末引入喷嘴；另一路通过加热器（gas heater）使气体膨胀，提高气流速 度；两路气流进入喷枪后经过拉乌尔喷嘴的缩放加速后形成超音速气固双相流。固态粉末 粒子与基体碰撞过程中发生塑性变形沉积于基体表面上形成涂层。

现代冷喷涂技术起源于前苏联，初步工业化于北美，技术完善于 20 世纪初，在降低工业生 产制造成本和提高生产制造效率上发挥重要作用。现代冷喷涂技术的发展历史可具体分为 6 个阶段：1）研发初期阶段：20 世纪 80 年代中期。俄罗斯科学院科学家 Anatolii Papyrin 在进行风洞实验时偶然发现，当示踪原子的速度超过某一临界速度，示踪原子对靶材表面 的作用由冲蚀变为沉积，“冷喷涂”概念就此诞生；2）技术推广阶段：20 世纪 90 年代中 期，冷喷涂制造技术引入北美地区，美国开始搭建自研的冷喷涂制造系统，为冷喷涂技术 的工业化奠定技术基础；3）初步工业化阶段：20 世纪 90 年代后期至 21 世纪初期，以 CenterLine Windsor 和 CGT 为代表的商业公司分别实现了低压冷喷涂技术和高压冷喷涂技 术的工业化应用；4）技术突破阶段：2003 年至 2006，德国联邦武装部队大学针对应用材 料特征和工艺参数控制上的研究进一步优化了冷喷涂技术工艺。日本则突破了冷喷涂技术 在陶瓷等脆性材料上的应用；5）军事应用阶段：2007 年开始，冷喷涂技术开始应用到 UH-60 黑鹰直升飞机、B-1B 轰炸机、F-22 战斗机等军事武装设备上；6）全面工业化阶段：冷喷 涂技术逐渐成熟，广泛应用于航空航天、武器装备、能源动力、电子电力、医疗器械等多 个领域的表面修复、表面增强、功能涂层及增材制造。

相较其它增材技术，冷喷涂技术的适用范围较广。根据《冷喷涂技术及其系统的研究现状 与展望》（黄春杰等，【表面技术】，2021 年 7 月），冷喷涂适用于几乎所有类型的修复情景， 可以制备纯金属、合金、陶瓷、聚合物、复合材料、纳米材料、金属陶瓷等各类材料涂层。 此外，根据《高压冷喷涂技术特点及应用概述》（马春春等，【热喷涂技术】，2022 年 6 月）。 冷喷涂技术是各类增材修复技术中综合修复效果最好的技术，具备以下 6 大优势：1）涂层 材料不会出现氧化和烧损，进而可以保持原始的材料特性。2）较低的喷涂温度减少了涂层 对基体的热影响，基体不会产生变形问题；3）容易形成结合力较高，厚度较大的涂层；4） 送粉速度快，喷涂和沉积效率高；5）低温环境下，涂层粉末不会发生显著的物理化学反应， 可回收利用，降低生产成本；6）涂层孔隙率低，致密度高。

电子束熔化成形（EBM）

电子束熔化成形（Electron beam melting，EBM）：与 SLS、SLM 类似，不同之处在于， EBM 是采用高能量、高速度的电子束熔化金属粉末层或金属丝。电子束由一组电磁线圈控 制，这些线圈精确地将电子束指向需要熔化的区域，电子束在融化粉末时选择性地移动， 使金属粉末融合在一起。由于 EBM 采用电子束加热，产生的温度较高，因此多用于打印钛、 铬钴合金。另外，相对于激光束熔化金属粉末来说，EBM 可以通过高能电子束本身的特性 很好地创造一个真空环境，不用专门设置用于隔离材料粉末与外部空气的环境。这也使得 EBM 打印的零件密度高、强度高，变形风险低。

激光熔化沉积技术（LMD）

激光熔化沉积技术（Laser Metal Deposition，LMD）：采用激光作为能量源，按照软件生 成的加工路径，同步送粉并逐层熔化金属粉末，快速凝固逐层堆积成零件毛坯，后续仅需 少量机加。我国已经用激光熔化沉积和修复制造了多种钛合金大型复杂关键金属零件，在 多种型号飞机中实现装机应用，解决型号研制“瓶颈”问题。其中，西北工业大学激光熔 化沉积的钛合金中央翼缘条，为 C919 国产大飞机的研制提供了技术储备，助力成功首飞。 北京航空航天大学用激光熔化沉积技术制造的飞机大型钛合金关键结构件获得 2012 年度 “国家技术发明奖一等奖”。

自由成形制造（EBF）

自由成形制造（Electron beam free form fabrication，EBF）：是利用高能量的电子束在 真空条件下轰击金属丝材，使其熔化并按照规划的路径逐层凝固堆积，形成具有致密冶金 结合的金属零件或毛坯。电子束自由成形技术相对于铺粉和送粉增材制造技术来说，具有 沉积效率高（最高可达 15 kg/h），内部质量好，成形零件应力小等优点，但成形精度相对 较低。可应用于电子束自由成形的航空线材有钛合金、铝合金、不锈钢和镍基合金等。