圖1 增材制造的飛機(jī)起落架鈦合金殼體

 圖 2 西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)的火箭用10m級(jí)鋁合金環(huán)件，盧院士團(tuán)隊(duì)用增減材二合一法打印的與其完全一模一樣。

  什么是3D打印技術(shù)

3D打印的英文為Three-Di-mensional（三維）打印，這種技術(shù)是一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置制造零部件與結(jié)構(gòu)的工藝，與我們熟悉的普通打印機(jī)工作原理大體相同，不過(guò)，普通打印是一種二維（平面）打印，用的是紙與油墨，可稱(chēng)為2D打印，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層又一層地堆積起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)實(shí)在在的物體、機(jī)器零部件、結(jié)構(gòu)件與日用品。如今，這一技術(shù)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，用它來(lái)制造服裝、建筑模型、汽車(chē)、巧克力、機(jī)械零件、航空航天器結(jié)構(gòu)件。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，3D打印分為兩步，首先，在需要成型的區(qū)域噴灑特殊的膠水，然后均勻地噴灑一層粉末，粉末遇到膠水就會(huì)固化黏結(jié)，沒(méi)有膠水的地方仍保持原有的松散狀態(tài)，一次又一次地重復(fù)這一過(guò)程，直到實(shí)體模型一模一樣地被“打印”出來(lái)，毫無(wú)區(qū)別，由于其分層加工的過(guò)程與常規(guī)的噴墨打印及打印機(jī)非常相似，所以被稱(chēng)為“打印機(jī)”。

3D打印技術(shù)又稱(chēng)為增材制造、增材技術(shù)（工藝），美國(guó)ASTM國(guó)際（International）在其有關(guān)材料中將增材制造與3D打印這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)等同起來(lái)，即“增材制造也被稱(chēng)為3D打印，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)逐層制備。”維基百科稱(chēng)：精確度、可重復(fù)性和材料范圍已增至使3D打印被視為一項(xiàng)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，名曰增材制造。也有人認(rèn)為，增材制造就是3D打印的工業(yè)版。

與增材制造對(duì)應(yīng)的就是減材制造，零部件的常規(guī)制造工藝就是減材制造技術(shù)，例如，成品鑄件、壓鑄件的凈質(zhì)量比投入的原材輕10%-20%，甚至更多，而在增材制造過(guò)程中，工件的質(zhì)量總是在增加的，零件制成時(shí)僅進(jìn)行少量（小于10%）切削加工。

國(guó)內(nèi)外近期制造的

3D打印大型結(jié)構(gòu)件

3D打印技術(shù)是當(dāng)前制造業(yè)中一項(xiàng)新的尖端制造技術(shù)，近年來(lái)，3D打印零部件銷(xiāo)售額的年平均增長(zhǎng)率大于或等于25%，在鋁、鎂、鈦、不銹鋼等結(jié)構(gòu)件制造中獲得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。此工藝的出現(xiàn)，對(duì)工業(yè)制造領(lǐng)域傳統(tǒng)思維模式和設(shè)計(jì)理念來(lái)說(shuō)，是一個(gè)巨大的沖擊與挑戰(zhàn)，使設(shè)計(jì)師的思想與構(gòu)思得到更加深遠(yuǎn)與更徹底的釋放，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再受傳統(tǒng)加工工藝的局限，所以有人將其稱(chēng)為“第三次工業(yè)革命”的典型代表之一。3D打印技術(shù)可以順利實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)減法制造技術(shù)很難或無(wú)法達(dá)到的設(shè)計(jì)，更不要說(shuō)制造了。3D打印作為一項(xiàng)前沿制造技術(shù)，在短短數(shù)年間其應(yīng)用范圍就迅速擴(kuò)大到包括航空航天器、交通運(yùn)輸裝備、船舶艦艇、醫(yī)療器械、體育用品、日常用品、文化創(chuàng)意、高檔服飾、創(chuàng)新教育等幾十個(gè)領(lǐng)域與產(chǎn)業(yè)。

3D打印的飛機(jī)起落架鈦合金組件

眾所周知，飛機(jī)起落架是一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)組件，降落時(shí)會(huì)受到巨大的沖擊力，它的一些零件過(guò)去是用高強(qiáng)度鋁合金（如2024合金和7075合金）、鈦合金鍛造的。2021年初，法國(guó)賽峰集團(tuán)所屬的賽峰起落架系統(tǒng)公司采用直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（SLM）打印了公務(wù)機(jī)的起落架殼體，其尺寸為455mm×295mm×805mm，對(duì)3D打印來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很大的工件（圖1），是用Ti-6Al-4V粉合金打印的，與用傳統(tǒng)工藝鍛造的鋁合金組件相比，其質(zhì)量下降了15%，同時(shí)還具有更高的力學(xué)性能，可承受更高的應(yīng)力。該項(xiàng)目研發(fā)技術(shù)平臺(tái)負(fù)責(zé)人指出：“這是一個(gè)承受很大壓力的元件，必須能在樞軸上旋轉(zhuǎn)，以便起落架在飛機(jī)下方收回，并且它必須吸收來(lái)自飛機(jī)機(jī)輪的機(jī)械應(yīng)力。在這種性質(zhì)和尺寸下的一個(gè)關(guān)鍵零件采用增材制造是世上首次。”

該起落架鈦合金殼體是SLM解決方案公司在其SLM 800型增材制造機(jī)上打印的，該機(jī)床以其四激光技術(shù)和可靠性聞名于世?？萍既藛T沒(méi)有采用6軸機(jī)床將殼體組件分為3個(gè)單獨(dú)的零件生產(chǎn)，而是一次制成，從而清除了昂貴且費(fèi)時(shí)的組裝。通過(guò)適應(yīng)增材制造的新設(shè)計(jì)方案，既使殼體的質(zhì)量降低了15%，又大大縮短了打印時(shí)間，做到了雙全其美，使賽峰集團(tuán)達(dá)到了他們長(zhǎng)期孜孜以求的兩個(gè)目標(biāo)。

傳統(tǒng)上，這種殼體是用高強(qiáng)高韌變形鋁合金鍛造的，但是賽峰起落架系統(tǒng)公司考慮到Ti-6Al-4V合金的強(qiáng)度和抗腐蝕性能都優(yōu)于鋁合金的，所以改用久經(jīng)考驗(yàn)的鈦合金。該公司表示，打印好的鈦合金殼體的70%表面都沒(méi)有進(jìn)行機(jī)械加工，僅對(duì)少量的功能性表面做了微微的加工，以延長(zhǎng)其使用壽命。當(dāng)下，該公司計(jì)劃在2022年對(duì)打印的殼體進(jìn)行認(rèn)證測(cè)試，航空器零部件必須經(jīng)過(guò)相關(guān)部門(mén)的認(rèn)證，這是關(guān)鍵的一步。

一體化打印的10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件

2021年1月，國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)采用增材制造技術(shù)制成了全球首件10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件。他們利用電弧熔絲增減材一體化制造工藝，在整體制造工藝的穩(wěn)定性、精度控制、變形與應(yīng)力控制等方面都實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)突破，達(dá)到了全球前所未有的新高度與境界。

10m級(jí)超大型鋁合金環(huán)件（圖2）是連接重型運(yùn)載火箭貯箱筒段、前后底與火箭箱間段之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，通常是用2219鋁合金打造的，重約1t，盧院士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用多絲協(xié)同工藝裝備，大大簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程、大幅降低了生產(chǎn)成本、顯著縮短了打印周期，僅用1個(gè)月就制成了。

盧院士團(tuán)隊(duì)目前采用增減材一體化制造技術(shù)成功完成超大型環(huán)件，屬?lài)?guó)際首例。該成果將會(huì)助力增材制造使我國(guó)航天事業(yè)更加氣勢(shì)恢弘，同時(shí)，也為我國(guó)航天事業(yè)重大結(jié)構(gòu)件的快速制造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。