中国用3D打印造歼20：什么是3D打印技术

  在民用领域，第一个应用这个技术的是日本佳能公司，他们在其顶级的单反相机壳体上使用类似的技术制造镁铝合金的特殊曲面的顶盖。

  自航空技术出现以后，中国航空工业就一直居于落后的地位，建国60年以来，我们学苏联、学美国、学欧洲，中国航空工业给人的印象就是差半截，落后XX年的。

  3D打印技术目前在全球也是前沿技术和前沿应用，最尖端的航空工业对这种技术最为关注也最严谨，美国90年代中期就获得这类技术的工业尝试，但是他们一直称为近净成型加工技术，F－22,F－35都有应用，不过因为一些加工工艺等原因，美国也没有能大规模应用，但美国将这一技术一直作为先进制造技术而由美国国防高级研究计划局（DRAPA）牵头，组织美国30多家企业对这一技术长期研究。

  在民用领域，第一个应用这个技术的是日本佳能公司，他们在其顶级的单反相机壳体上使用类似的技术制造镁铝合金的特殊曲面的顶盖。航空工业中，洛克希德-马丁和波音公司都曾展示过类似的飞机大框，只是没有明确说技术渠道。那么，中国如何取得这样的成果的呢？这些技术有什么优势和缺陷呢？

  图为中国钛合金3D打印机制造的大型承力零件，在航空领域，中国激光钛合金成形技术已得到了广泛的应用。

  从金属制造和加工业来说，3D打印基础原理是将零件数字化模型进行空间网格化，通过像素化分解成为一个个空间点阵，然后利用金属微量熔融或烧结的沉积技术，将零件一层层堆积而成，它的成型原理类似于目前广泛使用的激光打印机，只是普通的激光打印机所打印的是平面图形，而3D打印则是通过累计一层一层的打印图形形成空间三维构型实体。

  航空工业应用的3D打印大多分布在在钛合金，铝锂合金，超高强度钢，高温合金等材料方面，这些材料基本都是强度高，化学性质稳定，不易成型加工，传统加工工艺成本高昂的类型。

  最初出现的技术是来源于电子束焊接技术，电子束焊接是利用高能电子束在真空或者接近真空的环境中，直接熔融焊接材料体，电子束具有快速融化，可数字控制扫描，可快速移动的特点，因此，利用电子束快速扫描形成成型的熔融区，用金属丝按电子束扫描线步进放置在熔融区上，电子束熔融金属丝形成熔融金属沉积，这种技术叫做电子束熔化成型（Electronbeammelting，EBM），90年代美国麻省理工和普惠联合研发了这一技术，并利用它加工出大型涡轮盘件。

  电子束快速数字成型技术的基础是当时电子束焊发展已经很成熟，工业级电子束可达几十千瓦，能够熔融焊接厚度超过40～100mm的金属板，在堕性气体隔绝保护下，或真空状态下，电子束能处理铝合金，钛合金，镍基高温合金等。

  电子束熔化成型由于电子束聚焦点直径较大，工艺流程中热效应较强，形成零件精度有限，它能获得比精密铸造更精确的零件胚形，能够大大减少约70～80％机械加工的工时及成本。

  1984年，美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术，并在2年后开发出第一台商业3D打印机。之所以叫“打印机”，是因为它借鉴了打印机的喷墨技术，只不过，普通的打印机是在纸上喷一层墨粉，形成二维(2D)文字或图形，而3D打印则能“打”出三维的立体实物来。

  中国从90年代末期获得大功率电子束技术后积极开展了丝束增材成型的研究，2006年后正式成立电子束快速成型研究分部，在材料类型，快速稳定的熔融凝固，大型结构变形控制等方面取得进展，目前，已经能开始使用该技术生产飞机零件，并在一些重点型号的研制中得以应用。电子束快速成型技术目前还有一些技术难点尚待进一步研究，比如成型的过程中废热高，金属构件中金相结构控制较为困难，特别是成型时间长，先凝固的部分经受的高温时间长，对金属晶态成长控制困难，进而引起大尺度构件应力复杂等等。

  电子束成型对复杂腔体，扭转体，薄壁腔体等成型效果不佳，他的成形点阵精度在毫米级，所以成型以后仍然需要传统的精密机械加工，也需要传统的热处理，甚至锻造等等。

  但电子束快速成型速度快，是目前3D金属打印类打印速度最快的，可达15KG／小时，设备工业化成熟度高，基本可由货架产品组合，生产线构建成本低，具有很强的工业普及基础，同时，电子束快速成型设备同时还能具有一定的焊接能力和金属构件表面修复能力，应用前景广泛。在发动机领域，目前美国和中国在电子束控制单晶金属近净形成型技术方面正积极研究，一旦获得突破，传统的单晶涡轮叶片生产困难和生产所带来的成本高的问题将获得极大的改善，从而大幅度的提升航空发动机的性能，并对发动机研制改进等提供了极大的助力。

  在2013年北京科博会现场展示的由北京航空航天大学团队主导的飞机钛合金大型复杂整体构件激光快速成型技术。

  由于电子束成形精度受到电子束聚焦和扫描控制能力的限制，激光作为更高精度的能量介质引起格外的重视，激光成形技术几乎是和电子束成形技术同步起步发展，但是，由于稳定的10KW以上级的大功率激光器到2008年才开始慢慢地工业化，所以激光成形技术在最近才出现喷涌的盛况。

  激光数字成型技术主要有两个类别，一是激光近净成形制造（LENS）、金属直接沉积（DMD），这个类别的技术和电子束快速成型类似，也是利用控制扫描区域形成控制的熔融区，用金属丝或金属粉同步扫描点添加，金属熔融沉积，这项技术算电子束快速成型的高精度的进化成果，激光的扫描点阵精度可以比电子束高一个数量级，能够获得更高精度的零件，从而进一步减少材料的耗量和机械加工的需求，同时它还能保留电子束快速成型的打印速度快的优势。

  这类区域熔融的技术需要大尺度的腔体提供零件加工所需的真空环境，这限制了加工零件的尺寸，激光熔融区的大小和功率直接相关，越大形的构件加工能力有一定的要求越高，由于电子束对金属的热效应深度比较大，而激光热效应深度较小，激光成形时胚体受热和散热状况要好于电子束，因此它能形成很薄的熔化区和更细密均匀的沉积构造，凝固过程中的金相结构更容易控制，热应力复杂度要低很多，可以制造更精确的形状和更复杂零件，也能制造较薄壁的零件类型。美国DRAPA，洛克希德先进制造技术中心，和飞利浦、宾州大学等于2013年演示的先进制造DM概念，就是基于这类技术基础。

  目前主流的激光打印机是利用硒鼓静电吸附墨粉，激光扫描熔融墨粉形成图像的，这种打印方式精度可达300PPI，利用激光打印和粉末冶金技术结合，新一代的最有希望的最精密成型的技术是以直接金属激光烧结（Directmetallasersintering，DMLS）和选区激光烧结（selectivelasersintering，SLS）为代表的激光精密数字成形。这两者都是在基底铺设金属粉末，由激光扫瞄烧结，所不同的是，直接烧结是边铺粉边烧，而选区烧结是先铺整层粉末，然后激光扫描烧结，

  这种烧结每次沉积厚度约20－100微米，通过反复多次的沉积最终获得三维立体的零件。激光精密成形的优点是精度高，成形点阵可以小于0.01毫米，能够获得近似平滑的表面，可处理空腔，薄壁等复杂空间扭转体，和相互交叉穿透的复杂空腔和管路，几乎能加工出直接应用的工业零件。

  高精度激光烧结对激光的功率要求中等，烧结点温度虽然高，但是点阵小，每点阵金属熔融凝固量很少，全过程热释放低，材料胚体温度接近常温区，较少形成复杂的热应力情况，金属凝固形成的金相较为均匀细密，大多为细小的晶格态，类似于经过锻造的金属构件，获得金属零件强度略小于锻造机加件。

  美国德州大学奥斯汀分院最早于1986年提出SLS的专利，由DTM公司提供商用设备，美国麻省理工1988年提出DMLS的概念和专利，但目前商用化设备主要的供应商都来源于欧洲，德国EOS略占优势，MTT公司和ConceptLaser公司也有着非常强的竞争力。中国于1998年以后开始开展SLS方面的研究，2000年以后，随着商品化光纤激光器的成熟，国内在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和单位提出SLS技术应用化的专利，在航空领域因材料强度方面的问题，早期的应用主要在快速建立冶金应用模具方面。

  2008年SLS技术在航空制造领域获得巨大进展，对钛合金的激光烧结成形产品首次在强度性能上接近锻造产品，2010年前后，SLS成型技术中激光冲击强化，热处理和快速淬火等技术领域取得理论方面的成果。

  中国航空工业在1999年在航空制造研究所和航空材料研究所分别建立激光成形技术探讨研究分部，并随后在北京航空航天大学、西北工业大学建立重点实验室，在这样的领域与国际同步开展了一系列研究。2006年以后就开始有一系列产品进入试用阶段，2010年以后在大型构件的成形应力控制方面进展，开始向大型构件激光成形方面扩张，目前最大加工零件可达约5平米，居世界领头羊，与美国、欧洲等站在同一个起跑线MM加工能力的设备销售，更大的加工尺度的产品能定制。

  3D打印概念的出现是一种制造工业领域革命性的新技术，目前的诸多成形手段和方法都有各自的具体优点和缺陷，在航空领域，选择烧结SLS技术看起来潜力最大，应用前景最广泛，它的材料适应范围最广，从铝合金、钛合金、高强度钢、高温合金到陶瓷都能处理，但是它属于微观粉末冶金的范畴，快速成形中，粉末冶金技术中因熔融——凝固过程过快，成形体中容易夹杂空穴，未完全熔融的粉末，胚体缺陷有可能包括激光扫描线方向形成的熔融——凝固不均匀金相微观线状晶格排列，这一些都会极度影响了成形件的强度。

  目前激光选区成形的构件大多都只能达到同牌号金属铸造的强度水平，虽然这已经能让构件进入正常的应用领域，但显然要承担象飞机这样的主要结构受力构件还是有很大限制的。

  直接金属激光烧结DMLS技术因为直接用激光熔融金属丝沉积，金属本身是致密体重熔，不易产生粉末冶金那样的成形时的空穴，这个技术生产的构件致密度可达99％以上，接近锻造的材料胚体，目前国际国内都主要利用这种技术制造高受力构件，它能达到同牌号金属最高强度的90～95％左右的水平，接近一般锻造构件。

  目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合标准要求的零件表面，它都一定要经过表面的机械加工，去除表面多余的，不连续的，不光滑的金属，才能作为最终使用的零件，因此，尽管3D打印能够得到复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体，但是这些管路和腔体的机械加工有很大的可能性没有办法进行，其零件的重量效率，管路流动效率等方面不一定能够很好的满足实际需求，因此，尽管3D打印可能能一步直接完成很多复杂零件的成形，但其还不具备直接取代传统机械加工的能力。

  直接成形的金属零件在生产的全部过程中因为反复经受局部接近熔点温度受热，内部热应力状态复杂，在成形某些大型细长体，薄壁体金属构件时，应力处理和控制还不能满足规定的要求，实际上到目前为止一直影响3D打印在航空业的应用也正是因为这个原因。

  美国从1992年开始就不断利用这类技术希望可以直接生产飞机用的大型框架，粱绗，整体壁板等，正是因为应力复杂，大型构件成形过程中或成形后会产生严重变形，严重到没办法使用。所以3D打印技术尽管很早就出现了，但国外航空工业界还持有相当的保守态度也是有原因的。

  新的制造方法需要新的一系列处理工艺配合，3D打印目前只能算一丝曙光，真正达到大规模应用产生效益，还需要很长的时间发展和积累。

  3D打印技术的出现是信息革命在攻克传统工业的最后堡垒的终结的冲锋号，因而引发了一系列的科学技术领域研究的新课题，激光粉末冶金，微沉积金相学，微观淬火、锻造，激光冲击强化等一系列机械制造，冶金等领域的课题将会让已经暮气沉沉的传统冶金科学，和制造科学领域重新充满发展的动力，在未来的数十年间，谁在这些技术领域获得应用化的实际成果，可能会影响和颠覆现有的制造工业的基本面貌。

  大图为歼20战机，歼20战机已采用3D打印部件。小图为美国F-22战机的钛合金整体式承力框。

  就目前国内航空领域而言，最大有可能取得的突破来源于激光熔覆成形LCF（Lasercladdingforming）,这个技术将直接金属激光烧结DMLS和选区激光烧结SLS结合，它工作模式类似于SLS。仍然是预先铺设粉末，但是LCF会用激光将粉末测地熔融并沉积覆盖在上一层基体上，这项技术需要更深入的掌握激光光斑大小、形状、扫描速度、扫描方式，还必须更精确的掌握粉末颗粒大小，激光熔覆厚度，这将决定打印的数字化分层的取值。

  LCF技术发展较晚，但是它能获得非常致密的材料，能够获得与锻造相当的材料。美国密执安州的POM公司是LCF市场上的商用设备主要供应商，中国也有6－7个大学和科研机构研究这种技术。LCF是目前最有希望直接应用在高强度构件领域的技术。

  对于航空工业而言，激光快速成形技术是一个新的技术增长点，这个技术目前中国与世界其他几个国家处于同样起步的平行阶段，保持住领先的趋势可以使中国航空工业的制造水平迅速从跟随世界发展进步到领先发展的水平。

  目前激光成形技术面临工业化的两个方向相互间有矛盾，一是打印精细度，目前的打印精细度SLS最高，基本在1～0.1毫米左右，而其他技术加工生成的零件表面精度则在0.8～5毫米之间，目前市场销售的2D激光打印机点阵精度在1200DPI左右即0.02毫米，这个精度能够得到近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒径粗细和激光熔融金属液态滴状表面张力影响，要把精度提高到0.1毫米以下还有很大困难，不过铺粉预处理、激光超快速融化——凝固等技术的出现会为提高激光成形的精度有很大帮助。

  图为美国Aeromet公司生产的F/A-18E战斗机的激光增材超大尺寸整体框，因强度问题在试验中测试失败。

  另一个发展趋势则是提高打印速度，目前激光打印的速度还是较慢的，每小时打印重量大多都在1公斤以下，最好水平也只有9公斤／小时左右，要实现工业化生产，特别是大规模化生产，这个速度是不够的，现在的激光成形基本还是单光头单层铺粉作业，未来为了更好的提高打印速度和应对超大型构件打印，已经有多光头多层铺粉同步打印的设计出现。

  激光成形目前尚属于单一技术应用，但是在工业界，激光冲击强化在冶金方面应用已经有10几年的历史了，激光打印成形实际上很有希望能够直接集成激光冲击强化，激光淬火等技术，它能让激光成形的构件更加致密，且具有高级别的强度，实际上激光3D打印机都能简单的通过软件控制来实现激光冲击强化的功能。

  但是，如果让冲击强化和打印的烧结和熔融保持一个相对合理的速度和强化锻造效果，却还是一个急待研究的课题，激光冶金技术方兴未艾，锻造与淬火方面还没形成成系统的理论和实验体系，但是一旦这些理论和实验积累到足以支撑设计需求以后，激光三维成形在高强度超高强度构件领域的应用前途就彻底光明了，它把传统工业冶金、铸造、锻造、成形等一个庞大重工业工厂的全部工作集中微缩到一台连接到电脑的打印机中，只要购买打印设备和相应的粉末，任何工厂甚至个人都能方便直接的设计和生产顶尖水平的机械产品。

  3D打印的技术和前景还不仅仅如此，目前打印还不能适应所有的金属牌号，是因为目前受限于对激光熔炼技术的掌握，还只能简单的应用一些塑形较高，热加工性能好，内部含联结元素高的金属材料。

  大图为美军F-22战机。小图为美国F-22战机的钛合金整体式承力框，它曾经是世界上最大的一体式钛合金构件。

  用于打印的粉末也还有待进一步研究，打印粉末细到什么程度是最有利的还需要大量的实验证明。另一方面，粉末熔融打印的方式目前还是单一粉末，和彩色打印一样，激光打印是有很大的潜力进行多种粉末实现混合打印的，这种混合可能是分层混合或者分行混合，或者是空间点阵混合，多种牌号的金属粉末混合会产生很多奇妙的金属构造，特别是3D打印可以将这些金属构造细微到20－100微米这么大小的级别，这甚至于将产生一门金属设计的学科，用来设计和研究各种金属在不同的熔炼混合和分层混合状态下的各种奇妙的性能。

  3D打印的金属沉积生长的过程非常类似于自然界的动物骨骼发育过程，当打印控制的精度达到某些特定的程度以后，结构设计中的仿生学设计将会大放异彩，比如像骨骼那样轻而强度高，有弹性有韧性的结构系统会慢慢出现。

  这些结构效益将比现在的结构学科体系提高非常巨大的一步。目前的工程机械在活动关节方面的设计是非常弱的，齿轮等传动机构的传动效率和结构支撑效应很差，3D打印的成形和多材料合成成形的能力能形成仿生学关节，进而制造出各种目前很难来想象的机械化设施。

  图为F-35战机的钛合金整体框，目前美国仍然使用水压机来进行这种构件的生产。但洛马公司已与Sciaky公司成为合作伙伴，将使用后者以3D打印技术生产的襟副翼翼梁。

  激光三维成形目前的打印材料还包括陶瓷类材料，比如各类氧化物，以三氧化二铝为例，这是一种强度非常高的材料，同时也是一种极为耐高温的材料，从上个世纪60年代起就有人想利用陶瓷作为耐高温的涡轮，发动机气缸、活塞等设备，但这样一种材料极难熔炼和成形，利用激光烧结陶瓷粉末能够得到各种陶瓷零件，比如普惠与POM尝试用激光打印直接制造陶瓷的涡轮叶片，甚至尝试一次性直接打印出整级的带环带冠的陶瓷涡轮来。美国GE则利用纳米粉末进行陶瓷粉末和金属粉末混合进行激光烧结，尝试用来制造非冷却或低冷却的涡轮叶片，这一技术有利于制造推重比20～50的涡轮喷气发动机。

  结合粉末冶金，3D打印可以在激光烧结中进行一定的材料复合，这为目前停止不前的金属基复合材料发展提供了强心针，在激光打印前铺粉时，铺设纤维在粉层中，可以直接烧结出单向纤维增强的金属基复合材料，这可以极大的提高材料的强度，应用金属基复合材料，可以在现有金属构件的强度基础上将结构重量降低30～50％。

  激光烧结不仅仅可以制造目前难以制造的金属基复合材料，他甚至能制造更难的陶瓷基复合材料，陶瓷材料一向强度高，耐高温，但是材质脆，弹性差，抗拉强抗剪弱，利用纤维增强陶瓷可以最大限度的把陶瓷的高强度耐高温的特性发挥出来又能避免弹性差，抗剪差的易碎易裂的缺陷，是未来高温材料领域和航空发动机制造领域很具有前瞻性的技术之一，它是构建推重比超过100的发动机的主要技术之一，是飞机实现4马赫以上巡航速度的基础之一。

  3D打印之所以能引起全球的高度关注和技术热潮，是因为它确实能制造新的工业革命。3D打印能极大的降造业建立工厂的基础要求和投资额度，它能引发新一轮的小企业兴旺和扩张的潮流，它能在现有垄断化，大规模超大规模化的工业模式下，以现代工业缺乏的创新和灵活的生产机制诞生大量的存在竞争力的小企业，未来制造工业的进入瓶颈将会大幅度降低，很多企业将能重新将制造从现在的专业分工的OEM状态解放出来，现在全球产品近似化，雷同化，“科技以换壳为本”等现象将会得到终止。中国在这一领域目前较为积极，但是这一技术正处于快速进步的时代，更替时间短，每几个月就会发生一代技术换代，逆水行舟，稍微有停顿就会落后，同时，中国在取得一定成绩以后还必须要格外注意市场化，未来3D打印的设备市场广大，每年超过1000亿美元，而耗材方面则更是惊人，能够达到数千亿的水平，可以说掌握了3D就可以统治世界。