增材制造技术在航空航天领域的发展

摘要：增材制造技术是诞生于X20世纪80年代后期的一种三维实体快速成型技术，因其在制造领域的特点和优势，使得新一代航天产品对增材制造技术有迫切需求。
关键词：增材制造技术、特点、航天产品需求

　　1引言

增材制造也被称为3D打印,作为21世纪的第一次制造业“革命”，是先进制造业的重要组成部分，给传统制造业的发展带来变革性影响,其成长发展无时无刻不受到各界的广泛关注[1-2]。航天产品有研制周期长，异性复杂结构多，力学性能高等特点，采用增材制造技术可在一些结构件上采取一体化制造、异形结构复杂件制造、减少零部件重量和缩短生产周期的优势。

　　2增材制造技术

增材制造技术是一种融和了计算机技术、数控技术、机电技术、材料技术的综合性技术。利用CAD设计结构数据,由计算机控制实现材料的逐层累加从而形成实体零件,相比于传统的切削加工,是一种“自下而上”材料累加的制造方法[3]。近年来,在国际军事竞争日益凸显的背景下,新一代航空航天装备逐渐向轻量化、结构复杂化、功能多样化、高可靠性、长寿命、低成本的方向不断发展,对传统制造方法提出了很大的挑战,尤其是在复杂结构一体化成形方面，增材制造技术有着其他传统制造技术无法实现的优势[4-5]。
增材制造技术的典型工艺有立体光固化(SLA)、选区激光烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)、分层实体制造(LOM)等，工艺特点见表1[6]。

　　3增材制造技术在航天制造的应用

　　3.1研究发展

随着增材制造技术的快速发展，在航天领域的应用愈加重要，XX，军方等机构封封出台了政策，使得增材制造技术在航空航天领域等应用广度与深度的持续深化。
2012年8月成立的X国家制造创新网络的首家创新机构——“国家增材制造创新机构”(NAMII)(现名“X制造”)于2015年9月发布了X“增材制造技术新版路线图”,提出了设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组5个技术焦点领域,并在每个技术焦点领域下分别划分了子焦点领域,并按照其技术成熟度分别对每个领域2013—2020年的发展重点进行了规划[7]。
X国防预先研究计划局(DARPA)实施“开放式制造项目”推动3D打印成为国防制造领域的主流技术。为了能够可靠地大批量生产出诸如飞机机翼或军事系统中的复杂件,2015年5月,DARPA宣布实施“开放式制造项目”,旨在通过开发并验证快速鉴定技术,全面获取、分析并控制制造过程中的变化以预测最终产品的性能,从而确保产品所需的置信度[8]。
美陆军发布最新版《陆军制造技术规划报告》。2015年11月,X陆军发布2016财年《陆军制造技术规划报告》。报告从任务、组织机构、投资策略等方面对陆军制造技术规划进行了简要介绍。报告重点从项目目标、实施方案、成果、效益、受影响的武器系统等方面,对陆军制造技术规划主要投资的增材制造实现高价值航空资产修复/回收/再利用;面向关键武器系统零部件直接制造、再制造及延寿的增材制造技术等6大领域的31个正在实施的重点项目进行了分析[9]。
2014年3月，以卢秉恒院士为首成立了南京增材制造技术研究院和全国增材制造产业技术创新联盟。973、863、总装先进制造技术、工信部04专项、国防基础科研等国家科研计划均将增材制造技术列入“十三五”重点发展的技术方向。由卢秉恒院士主持拟定了《中国增材制造的路线图》，并呈报国家有关部门，对未来5年和10年的产业发展进行规划。2015年2月，工业和信息化部、发展改革委、财政部三部委联合印发了《国家增材制造产业发展推进计划》[10]。

　　3.2从零部件到整机制造

随着增材制造技术的发展，在航空航天领域的应用已不仅仅是在零部件的制造了更是运用到了整机上。
在零部件制造上的运用：NASA马歇尔航天飞行中心的研究人员于2012年将激光选区熔化成形（SelectiveLaserMelting,SLM）技术应用于多个型号航天发动机复杂金属零件样件的制造，这种制造工艺可以直接实现计算机辅助设计三维复杂结构件的高性能高精度的整体制造，同时大大降低零件制造时间与加工成本[11]。
在整机型制造上的运用：X太空探索技术公司利用3D打印技术制造出了一台电动火箭发动机，打印出的发动机使得火箭发动的成本更为低廉，能够在经济的承受范围内[12]。
在航空维修上的运用：因其制造时间短，操作简单等技术特点它减少了航材库存问题、减少研制周期、缩短了物流极大的提高了维修效率。

　　4太空增材制造技术

自2014年X太空制造公司在国际空间站上完成首台太空增材制造设备的验证后于2016年开始正式运行实用型增材制造设备来为国际空间站制造所需物品，并对空间站原有设备进行更新换代，开发附代太空材料回收装置，用以减少空间站上废旧材料的利用。
(1)NASA兰利研究中心研发的电子束自由成形（EBF3）系统；(2)X太空制造公司开发的太空增材制造设备。X航空航天局现已在喷气式飞机上测试了EBF3系统（见图1）。并经历了短暂的失重状态[13]。

　　太空增材制造技术与空间机器人相结合用于建造大型结构件，用来作为国际空间站的建造以降低在地面进行空间站零部件制造运输所产生的额外成本。此外，英国蒙诺莱特公司研制了用于实现行星基地的建造。ESA也正在研究如何在月球进行太空增材制造。
NASA资助的SpiderFab项目计划通过星载超级增材制造装置在空间中在轨打印零件以实现轨道飞行器的自我修复。在轨制造的优势是可不用考虑飞行器超重的问题，同时可以避免火箭发射时的震动和加速度对卫星结构的影响。XMadeInSpace公司已经成功实现了在零重力状态下打印出零件（见图），正等待接下来的太空测试[14]。

　　5增材制造技术在航空航天的发展

航天航空领域的制造有着其特殊性：极致轻量化、具有电性能热性能等特殊性能的部件、异性复杂结构、以适应太空环境等特点。增材制造技术在航空航天的发展趋势主要集中在以下几个方面：

　　5.1单件、快速、低成本

航空航天零部件属于单件小批量生产，而增材制造技术本就适合单件、小批量生产，极大的缩短了生产周期，生产成本。

　　5.2异性复杂结构

航空航天领域的加工需要高精度、高性能需要形成十分复杂的结构，传统零件制造需要采用分件生产，后期重组，但无法加工成精细的结构，对零部件的尺寸也有限制。增材制造技术就能避免这些问题，解除了对设计人员的限制。

　　5.3太空运载器备件的即需即造

因太空运载器在太空的长期使用，会出现磨损情况这就需要进行更换，但在地面进行生产在运输进入太空成本高，费时且容易耽误时间，而利用增材制造设备就能避免这些情况。同时节省了运载器和空间站的内部储存空间。

　　5.4趋向于前端部署

随着增材制造技术的不断发展，增材制造技术越来越向前端部署方向发展，而这种体系一旦形成必然会对装备维修等体系产生巨大的冲击。
如果在维修基地或战备后方进行增材制造技术对目前国防有着重要意义，能极大的减少国防上的开支，减少对国外产品的依赖。如:韩国空军将3D打印技术应用到了材料制造上，制造出了F-15K战斗机可用的发动机高压涡轮机盖板，大大减少了这种材料的生产成本，由4000万韩元减少到了300万韩元，而在生产周期的缩短上，意义也是非常重大的[15]。X国防后勤局就在进行3D打印技术的咨询，希望通过3D打印技术来起到减少库存、战略品精确使用的目的。而X海军已经利用到了3D打印技术进行了军舰上的打印，这样一来可以实现舰上打印各种飞机零部件，并实现一系列组装，最终得到实体[16]。但是，在战争前沿进行增材制造对精度要求会非常高。

　　6结语

从以上文子可以看出，增材制造技术因其快速、精准的制造方法对航空航天领域有着巨大的优势。因此受到了国内外XX、军方等机构的关注，对其开展了广泛关注，主要针对合金，陶瓷树脂等材料，在增材制造技术上对航天运输系统、卫星、空间站、导弹武器、飞机等方面的关键部件的应用。在未来对国防，对科技的发展有着不可限量的作用。

　　[参考文献]

[1]邢希学,潘丽华,王勇,徐富家,王廷,苏帅.电子束选区熔化增材制造技术研究现状分析[J].焊接2016(7):22-26
[2]国家增材制造产业发展推进计划（2015－2016年）.电加工与模具，2015（增刊1）：68－70
[3]林一平.航天科技创新与3DITEP技术(上)[J].中国航天,2014(5):323.
[4]MadeinSpace零重力3D打印成功，未来可在太空3D打印宇宙飞船和卫星[EB/OL].(2013-02-15)[2016-07-05].
[5]谭立忠,方芳.3D打印技术及其在航空航天领域的应用[J].战术导弹技术,2016(4):1-7.
[6]肖升利.3D打印技术在航天制造中的应用[J].航空航天科学技术,2018(04):13-14.