【解析】電弧增材制造研究現(xiàn)狀及在航空制造中應(yīng)用前景

電弧增材制造采用逐層堆焊的方式制造致密金屬實(shí)體構(gòu)件，因以電弧為載能束，熱輸入高，成形速度快，適用于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件低成本、高效快速近凈成形。面對新一代飛行器制造成本及可靠性要求，其結(jié)構(gòu)件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，電弧增材制造技術(shù)在大尺寸航空結(jié)構(gòu)件成形上具有其他增材技術(shù)不可比擬的效率與成本優(yōu)勢.

增材制造技術(shù)是基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)。該成形方法最大優(yōu)勢是無需傳統(tǒng)的刀具即可成形、降低工序、縮短產(chǎn)品制造周期，尤其適于低成本小批量產(chǎn)品制造，而 且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料附加值高的產(chǎn)品，其快速高效成形的優(yōu)勢越顯著，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源化工、微納制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。 面對新型飛行器低成本、高可靠性的要求，其零部件逐漸向大型化、整體化發(fā)展 。
增材制造技術(shù)無需 模具， 可直接低成本一體化制造復(fù)雜構(gòu)件， 并有望基于增材制造技術(shù)在構(gòu)型能力上的優(yōu)勢， 進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)飛行器零部件結(jié)構(gòu)， 提高結(jié)構(gòu)效率，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化、高性能化。由于簡化或省略了傳統(tǒng)制造中的工藝準(zhǔn)備、模具 設(shè)計等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、制造、分析高度一體化，能夠顯著縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本。 金屬增材制造技術(shù)按熱源類型可分為3類：激光、電子束和電弧。

過去20年主要研究以激光、電子束為熱源的粉基金屬增材制造技術(shù)，通過不斷熔化或燒結(jié)金屬粉來連續(xù)逐層制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，現(xiàn)已應(yīng)用于航空航天、國防軍工、能源動力等高精尖技術(shù)領(lǐng)域部分關(guān)鍵零部件，但由于其原材料、熱源特點(diǎn)，金屬粉基激光、電子束增材制造技術(shù)在成形某些特定結(jié)構(gòu)或特定成分構(gòu)件時受到一定限制而無法實(shí)現(xiàn)或即使可以成形，其原材料、時間成本很高，具有諸多不足之處：

（1）對于激光熱源，其成形速率慢、鋁合金對激光的吸收率低等；
（2）對于電子束熱源，真空爐體尺寸對構(gòu)件體積的限制；
（3）粉基金屬原材料制備成本較高、易受污染、利用率低等均增加了原料成本。

基于上述原因，現(xiàn)有的技術(shù)成形大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時表現(xiàn)出一定的局限性，為了應(yīng)對大型化、整體化航天結(jié)構(gòu)件的增材制造需求，基于堆焊技術(shù)發(fā)展起來的低成本、高效率電弧增材制造技術(shù)受到部分學(xué)者關(guān)注。電弧增材制造技術(shù)以電弧為載能束，采用逐層堆焊的方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件，該技術(shù)主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技術(shù)發(fā)展而來，成形零件由全焊縫構(gòu)成，化學(xué)成分均勻、致密度高，開放的成形環(huán)境對成形件尺寸無限制，成形速率可達(dá)幾kg/h，但電弧增材制造的零件表面波動較大，成形件表面質(zhì)量較低，一般需要二次表面機(jī)加工，相比激光、電子束增材制造，電弧增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用目標(biāo)是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速近凈成形。 本文主要介紹電弧增材制造技術(shù)現(xiàn)狀，分析現(xiàn)階段該技術(shù)研究的不足之處，探討其可能的發(fā)展方向，闡述該技術(shù)在大型化、整體化高端航空零部件制造中的應(yīng)用。

WAAM技術(shù)現(xiàn)狀
1   WAAM裝備系統(tǒng)
1.1   基本硬件構(gòu)成及特征

電弧增材制造是數(shù)字化連續(xù)堆焊成形過程，其基本成形硬件系統(tǒng)應(yīng)包括成形熱源、送絲系統(tǒng)及運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電弧增材制造三維實(shí)體零件依賴于逐點(diǎn)控制的熔池在線、面、 體的重復(fù)再現(xiàn)，若從載能束的特征考慮，其電弧越穩(wěn)定越有利于成形過程控制，即成形形貌的連續(xù)一致性。因此，電弧穩(wěn)定、無飛濺的非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG）和基于熔化極惰性/活性氣體保護(hù)焊（MIG/MAG）開發(fā)出冷金屬過渡（Cold Metal Transfer, CMT）技術(shù)成為目前主要使用的熱源提供方式。

作為由點(diǎn)向三維方向擴(kuò)展的運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其位移與速度、位置的重復(fù)定位精度、運(yùn)動穩(wěn)定性等對成形件尺寸精度的影響至關(guān)重要，目前使用較多的是數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人。數(shù)控機(jī)床多作為形狀簡單、尺寸較大的大型構(gòu)件成形，機(jī)器人具有更多的運(yùn)動自由度，與數(shù)控變位機(jī)配合，在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)及形狀上更具優(yōu)勢，但基于TIG的側(cè)向填絲電弧增材制造因絲與弧非同軸，如果不能保證送絲與運(yùn)動方向的相位關(guān)系，高自由度的機(jī)器人可能并不適合，所以機(jī)器人多與MIG/MAG、CMT、TOP-TIG等絲弧同軸的焊接電源配合搭建電弧增材成形平臺。

在國內(nèi)外電弧增材相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的報道中，所采用的成形系統(tǒng)如表1所示。相比TIG、MIG/MAG、PAW等，CMT具有低熱輸入、無飛濺等特點(diǎn)。此外，其送絲運(yùn)動與熔滴過渡過程可進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào)，在物質(zhì)輸入方面具有更高的可操控性，可能會成為將來電弧增材制造的主要熱源方式。 總體而言，電弧增材制造載能束 具有熱流密度低、加熱半徑大、熱源 強(qiáng)度高等特征，成形過程中往復(fù)移動的瞬時點(diǎn)熱源與成形環(huán)境強(qiáng)烈相互作用，其熱邊界條件具有非線性時變特征，故成形過程穩(wěn)定性控制是獲得連續(xù)一致成形形貌的難點(diǎn)，尤其對大尺寸構(gòu)件而言，熱積累引起的環(huán)境變量變化更顯著，達(dá)到定態(tài)熔池需要更長的過渡時間。針對熱積累導(dǎo)致的環(huán)境變化，如何實(shí)現(xiàn)過程穩(wěn)定性控制以保證成形尺寸精度是現(xiàn)階段電弧增材制造的研究熱點(diǎn)。基于視覺傳感系統(tǒng)的焊接質(zhì)量在線監(jiān)測與控制技術(shù)首先被移植應(yīng)用于該領(lǐng)域，并取得了一定成果。

1.2   成形過程穩(wěn)定性硬件系統(tǒng)
電弧增材成形采用逐層累加的方式構(gòu)建三維實(shí)體零件，保證形狀、尺寸精度，需要單層成形尺寸與三維數(shù)字化模型建立的分層切片數(shù)據(jù)一致，但在實(shí)際成形過程中，熱積累作用導(dǎo)致熔池體系熱邊界環(huán)境非線性時變，故實(shí)現(xiàn)自動化電弧增材制造系統(tǒng)除了以上的基本成形硬件條件外，還需要能夠?qū)γ恳怀练e層的表面形貌、質(zhì)量及尺寸精度進(jìn)行在線監(jiān)測和控制。

WAAM增材制造是以高溫液態(tài)金屬熔滴過渡的方法通過逐層累積的方式成形的，成形過程中隨著堆焊層數(shù)的增加，成形件熱積累嚴(yán)重、散熱條件變差，以至于熔池凝固時間增加，熔池形狀難于控制，尤其是在零件邊緣，由于液態(tài)熔池的存在，邊緣形貌與成形尺寸的控制更加困難，即熱積累作用導(dǎo)致熔池體系熱邊界環(huán)境非線性時變，故實(shí)現(xiàn)自動化電弧增材制造系統(tǒng)除了以上的基本成形硬件條件外，還需要能夠?qū)γ恳怀练e層的表面形貌、質(zhì)量及尺寸精度進(jìn)行在線監(jiān)測和控制。

在焊槍處安裝紅外溫度傳感器的被動反饋式層間溫度控制方式，強(qiáng)烈依賴于人為目標(biāo)參 數(shù)的設(shè)置，而直接以熔覆層的形 貌尺寸特征作為信號源，通過實(shí)時在線監(jiān)測尺寸信息，實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)可能更可取。如圖1所示，美國Tufts大學(xué)Kwak等建立了利用MIG焊 槍進(jìn)行堆焊成形，等離子槍在線熱處理，通過兩套結(jié)構(gòu)光傳感器對熔覆層形貌特征進(jìn)行監(jiān)測，以及一套紅外攝像機(jī)用于成形件表面溫度在線監(jiān)測的雙輸入輸出閉環(huán)控制系 統(tǒng)，以焊速和送絲速度作為 控制變量，熔覆堆高和層寬 作為被控變量，實(shí)現(xiàn)對成形 過程中成形尺寸的實(shí)時閉環(huán)控制。國內(nèi)張廣軍等設(shè)計了一套用于焊道特征尺寸控制的 雙被動視覺傳感系統(tǒng)，如圖 2所示，可同時獲得熔敷層 寬度和焊槍到熔敷層表面的高度圖像，實(shí)現(xiàn)了熔敷層有效寬度、堆高等參數(shù)的在線準(zhǔn)確檢測，并以熔敷層有效 寬度為被控變量，焊速為控 制變量，設(shè)計了單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制器，通過模擬仿真和干擾試驗(yàn)驗(yàn)證了控制器性能。

參數(shù)自學(xué)習(xí)PSD 控制器在熔敷層定高度、變 高度控制中均可獲得良好的控制效果，同時通過對熔敷 層表面到焊槍噴嘴的距離進(jìn)行監(jiān)測和自適應(yīng)控制，滿足了WAAM成形穩(wěn)定性的要求。 WAAM載能束熱輸入高、熱源 半徑大、金屬熔體短程流動等特征決定了成形尺寸對工藝參數(shù)具有較弱的響應(yīng)靈敏度，而且溫度越高越顯著，與焊接過程焊縫質(zhì)量的在線監(jiān)測目的不同，WAAM過程的監(jiān)測與反饋控制目的在于控形，而其寬泛的工藝規(guī)范帶使得這一反饋控制可能無法取得立竿見影的效果，故在提高成形精度上不能行之有效。

WAAM的應(yīng)用是“近凈成形”、“原型制造”，其追求的是低成本、高效率而非高精度，所以對成形精度要求并不苛刻（需要2次機(jī)加工）。此外，該系統(tǒng)需在焊槍周圍輔助復(fù)雜的光路系統(tǒng)，光路干涉嚴(yán)重約束了焊槍的可達(dá)性，而從該技術(shù)自身特征出發(fā)，通過揭示成形機(jī)理，優(yōu)化工藝，可能更適于簡單、高效、低成本的電弧增材制造。

2   成形過程穩(wěn)定性的工藝控制
不同于激光及電子束，電弧增材制造的熔池體積較大，而且成形過程中因冷態(tài)原材料、電弧力等擾動因素的存在，使得熔池成為一個不穩(wěn)定的體系，但WAAM能夠成為增材制造的先決條件是成形過程必須使得熔池體系具備穩(wěn)定的重復(fù)再現(xiàn)能力。在初期試驗(yàn)規(guī)律性研究階段，主要基于電弧焊接技術(shù)，針對不同材料體系匹配不同的焊接方法及成形系統(tǒng)，甄選出關(guān)鍵影響因子，采用試驗(yàn)方法研究單層單道焊縫形狀與最終成形零件表面質(zhì)量的關(guān)系，建立起成形質(zhì)量與焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)的關(guān)系，如焊速（TS）、焊絲直徑（WD）、送絲速度（WFS）、導(dǎo)電嘴端面與工件距離（CTWD）、層間溫度、電流、電壓等。  在基于TIG的堆焊成形過程中，熔滴向熔池過渡的穩(wěn)定性對于成形質(zhì)量至關(guān)重要，電弧挺度弱于激光、電子束等高能束，已堆焊沉積層形貌質(zhì)量對下道次的堆焊表面影響較大，上一道次形貌特征在WAAM成形技術(shù)中表現(xiàn)出特定時、空非連續(xù)“遺傳”特性，尤其是首道次成形，因基板的表面質(zhì)量、清潔度、加工狀態(tài)等不盡相同，因此首道次成形時應(yīng)采用“強(qiáng)工藝規(guī)范”來弱化基板對成形質(zhì)量的影響。圖3對比分析了在大電流、相對較高的送絲速度下首道次TC4合金成形形貌特征，送絲速度WFS=10m/min時，首道次成形表面的“隆起”、“凹陷”缺陷較弱，成形 寬度方向的波動性較低 。

基于“強(qiáng)工藝規(guī)范”的首道次成形時，因不必考慮熔池內(nèi)熔融金屬向兩側(cè)漫流，即重力對成形性的影響，向熔池內(nèi)持續(xù)地高速率物質(zhì)輸入以弱化表面張力作用，使得成形體系成為以熔融態(tài)金屬重力支配作用下的熔覆為主，可能會降低成形穩(wěn)定性對基板特征的敏感程度而獲得連續(xù)、穩(wěn)定一致的成形形貌。 TIG電弧增材制造因其弧、絲的非同軸性，在成形路徑復(fù)雜多變時，送絲方向與堆焊方向的相位關(guān)系保持依賴于行走機(jī)構(gòu)，往往增大了成形、控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

基于MIG焊的WAAM雖然熱輸入較高，但成形速率更快，而且以焊絲作為電極，弧、絲具有同軸性，不存在如TIG電弧增材成形的送絲方向與焊接方向的相位關(guān)系，成形位置的可達(dá)性更高。Fronius公司基于MIG/MAG開發(fā)出冷金屬過渡（Cold Metal Transfer， CMT）技術(shù)，因其具有超低熱輸入、熔滴過渡無飛濺、電弧穩(wěn)定等不同于MIG/MAG的特征，克服了MIG增材成形的諸多弊端而在WAAM成形領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。2012年英國Cranfield大學(xué)研究人員系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)，如焊速、送絲速度、焊絲直徑等對基于CMT方法的WAAM技術(shù)成形形貌（有效寬度、表面波動性等）的影響規(guī)律，以WFS/TS作為歸一化變量，通過該比值協(xié)調(diào)調(diào)整焊速及送絲速度，使得在研究工藝與成形形貌的相互關(guān)系時，工藝參數(shù)的變化水平具有可表征性，以WFS/TS=30時為例，不同 TS水平下成形形貌如圖3所示。

并未探討不同的WFS/TS水平下成形件有效寬度的變化規(guī)律，該參量或許可作為有效寬度定量表征的參考量，因該系數(shù)直接聯(lián)系于單位時間內(nèi)熔池物質(zhì)輸入效率，而成形的“隆起”、“凹陷”缺陷應(yīng)與焊速或送絲速度水平相關(guān)，正如圖3中的成形形貌變化特征，其調(diào)整的參考量應(yīng)為焊接熱輸入，其成形形貌的變化特征與基于TIG的WAAM技術(shù)類似，增大焊速、降低送絲速度、減小焊絲直徑均可降低成形件的有效寬度。 近幾年，我國西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南昌大學(xué)、天津大學(xué)等部分高�？蒲袡C(jī)構(gòu)也相繼開展了WAAM成形技術(shù)的工藝與控制研究工作，但均處于試驗(yàn)規(guī)律性描述和成形形貌、表面質(zhì)量控制方法研究階段。

增材制造以個性化、復(fù)雜化需求為導(dǎo)向，WAAM獨(dú)特的載能束特征及其強(qiáng)烈的載能束與熱邊界相互作用，決定了針對不同的材料體系、結(jié)構(gòu)特征、尺寸、熱沉條件等，WAAM成形工藝也不一而同，可能無法如其他材料加工技術(shù)那樣制定加工圖或工藝規(guī)范帶，這意味著以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)方法難以面面俱到，更需要通過探討WAAM成形物理過程，深入認(rèn)識其成形基礎(chǔ)理論，在材料、結(jié)構(gòu)、形狀、路徑改變時，成形工藝參數(shù)設(shè)計有“據(jù)”可依，以適于自由多變靈活的WAAM成形過程。

目前，國內(nèi)外公開發(fā)表的探討WAAM成形基礎(chǔ)理論問題的文章較少，僅涉及到成形 過程溫度場的演變及應(yīng)力分布規(guī)律研究，從溫度場演變規(guī)律出發(fā)，析出熔池?zé)徇吔缫恢滦缘目刂品椒�，可能對于工藝控形更具意義，并進(jìn)一步從電弧參數(shù)和材料送進(jìn)對成形過程的影響、熔池動力學(xué)、成形表面形貌演化動力學(xué)等相關(guān)科學(xué)問題出發(fā)，揭示電弧增材成形的物理過程，應(yīng)成為該領(lǐng)域研究工作的核心。

3   WAAM成形件性能
相比激光、電子束增材制造技術(shù)而言，電弧的熱輸入較高，WAAM成形過程中熔池和熱影響區(qū)的尺寸較大，較長時間內(nèi)已成形構(gòu)件將受到移動的電弧熱源往復(fù)后熱作用，而且隨著成形高度增大，基體熱沉作用減弱，熱耗散條件也發(fā)生變化，每一層的熱歷程不盡相同，因此，基于連續(xù)成形過程中溫度場演變規(guī)律，研究凝固織構(gòu)的晶體學(xué)特征及周期性，表征不同熱歷程條件下成形件的力學(xué)性能，成為控性的基礎(chǔ)。 電弧增材成形的本質(zhì)是微鑄自由熔積成形，逐點(diǎn)控制熔池的凝固組織可減少或避免成分偏析、縮孔、凝固裂紋等缺陷的形成。

在圖4 TC4鈦合金成形件組織形貌中，可明顯觀察到貫穿于整個成形件的粗大柱狀初生β晶粒。初生β晶粒由底層熔池底部外延生長直至距離頂部1~2mm的位置，粗大柱狀晶的顏色差異源于不同晶粒的晶體取向差別，晶粒長大方向幾乎垂直于基體，這種組織的形成可能是源于首道次堆焊時，因采用TC4基體，熔合線附近的基板組織發(fā)生α相向β轉(zhuǎn)變，在熔合線附近形成完全的β相組織，然后β相作為形核點(diǎn)經(jīng)外延生長而快速長大，下道次成形時，在熔合線附近β晶粒繼續(xù)外延長大，而在熱影響區(qū)內(nèi)，發(fā)生粗化，周而復(fù)始最終形成圖4左側(cè)所示的宏觀粗大柱狀β晶粒。

Wang等沿不同方向在TC4單壁成形件不同位置取樣，并與鍛件對比，評價沿成形方向及垂直于成形方向上成形件力學(xué)性能。在優(yōu)化工藝參數(shù)下，雖然沿成形方向和垂直于成形方向抗拉強(qiáng)度存在一定差異，但強(qiáng)度差異并不顯著。垂直于成形方向的塑性（沿柱狀初生β晶粒方向） 顯著優(yōu)于沿成形方向，比鍛件高30%左右。在本課題組有關(guān)5A06鋁合金電弧增材成形的性能研究中，獲得了類似結(jié)論，成形件抗拉強(qiáng)度與鍛件基本持平，但塑性顯著提高。

鋁合金組織中并未出現(xiàn)圖4中貫穿整個構(gòu)件的宏觀柱狀組織，織構(gòu)擇優(yōu)取向特征可能并非導(dǎo)致塑性提高的誘因，或許與成形過程中各層熔接特征相關(guān)，這一猜想有待進(jìn)一步驗(yàn)證。增材制造最大的優(yōu)勢在于其復(fù)雜形狀的構(gòu)型能力，現(xiàn)階段的研究工作主要聚焦于控形，而性能的研究僅限于表征其 性能水平。成形過程受往復(fù)移動瞬時點(diǎn)熱源的前熱、后熱作用，凝固織構(gòu)的取向、分布、晶粒度等必然與成形的熱物理過程相關(guān)，因此以溫度場演變特征為契機(jī)，實(shí)現(xiàn)形性一體化控制是增材制造有別于傳統(tǒng)減材、等材加工方法的技術(shù)優(yōu)勢。 WAAM在航空制造中應(yīng)用前景隨輕量化、高機(jī)動性先進(jìn)航空飛行器的發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件也向著輕量化、大型化、整體化改進(jìn)，低成本高效地制造高可靠性、功能結(jié)構(gòu)一體化的大型航空結(jié)構(gòu)件成為航空制造技術(shù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)。

電弧增材制造以連續(xù)“線”作為基本構(gòu)型單元，適于機(jī)體內(nèi)部框架、加強(qiáng)肋及壁板結(jié)構(gòu)的快速成形。目前，大型整體鈦、鋁合金結(jié)構(gòu)在飛行器上的應(yīng)用越來越多，雖然大型一體化結(jié)構(gòu)件可顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，但這種結(jié)構(gòu)給傳統(tǒng)減材、等材加工制造帶來巨大困難。如美國F35的主承力構(gòu)件仍需幾萬噸級水壓機(jī)壓制成形，后期需要大量繁瑣的銑削、打磨等工序，制造周期長。大型框架、整體筋板加強(qiáng)筋和加強(qiáng)肋的 增材制造等強(qiáng)烈依賴于機(jī)加工設(shè)備 的結(jié)構(gòu)件采用增材制造， 可逾越國外對我國大噸位、 高自由度機(jī)加工設(shè)備的技術(shù)封鎖， 推進(jìn)我國先進(jìn)航空飛行器研發(fā)進(jìn)度。 此外，受限于傳統(tǒng)加工技術(shù)，現(xiàn)代飛機(jī)零部件可能在結(jié)構(gòu)、 重量、形狀等諸多方面有所妥協(xié)， 以便于加工制造�；�于增材制造技術(shù)在構(gòu)型 能力上的優(yōu)勢， 面向電弧增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計， 具有更大的設(shè)計自由度， 可顯著降低結(jié)構(gòu)重量。

EADS公司為空客激光增材制造了結(jié)構(gòu)優(yōu)化 的機(jī)翼支架， 比使用鑄造的支架減重約40%， 踐行了面向增材制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計新思路， 尤其面對大型結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可能會在減重方面具有更顯著的效果。 2015年11月，紐約州已與Norsk Titanium達(dá)成 “公、私合作協(xié)議” ，紐約州將投資1.25億美元建工業(yè)規(guī)模的3D打印工廠， 廠址設(shè)在紐約州Plattsburgh市。其主要成形技 術(shù)為電弧填絲增材制造， 預(yù)計2016年竣工， 該增材制造工廠首要目標(biāo)是改變目前航空結(jié)構(gòu)件大余量的鈦金屬去除狀況，實(shí)現(xiàn)高效、低成本、高材 料利用率地制造航空零部件。Norsk  Titanium公司制造的某電弧增材成 形零件成本可降低50%~70%， 可縮短75%的產(chǎn)品上市時間。

發(fā)展際遇與挑戰(zhàn) 不論是替代傳統(tǒng)加工制造的部 分環(huán)節(jié)，還是基于靈活的構(gòu)型能力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，電弧增材制造技術(shù)付諸實(shí)踐還需經(jīng)過一定時期的發(fā)展完善過程。2012年3月，美國白宮宣布振興美國制造的新舉措，投資10億美金幫助美國制造進(jìn)行體系改革，增材制造作為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)計劃的三大背景技術(shù)之一，旨在通過改善增材制造材料、裝備及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的小批量、低成本數(shù)字化制造。英、德、法等國家也相繼推出相關(guān)措施，推動本國增材制造技術(shù)的發(fā)展。

英國在電弧增材制造研究領(lǐng)域處于國際前沿，以Cranfield大學(xué)為代表的一批研究機(jī)構(gòu)在政府立項(xiàng)、企業(yè)出資參與下，針對電弧增材自動化控制、成形件力學(xué)性能研究、殘余應(yīng)力及變形控制、復(fù)雜形狀構(gòu)件成形路徑規(guī)劃和工業(yè)化應(yīng)用準(zhǔn)則等方面開展了系統(tǒng)研究，并逐步建立起政府、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)的多層次研團(tuán)隊梯隊，與Airbus、Rolls-Royce、BAE System、Bombardier Aerospace、Astrium、EADS等一大批航空航天企業(yè)建立并開展廣泛研究合作，研究目標(biāo)對接工業(yè)化應(yīng)用。

增材制造的優(yōu)勢就在于工序簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)直接面對客戶的制造，可省略其中環(huán)節(jié)而極大縮短研發(fā)周期。對增材制造而言，建立多層次多結(jié)構(gòu)的研發(fā)體系，客戶直接參與到制造中才能盡其所能地發(fā)揮其優(yōu)勢。 我國正處于推進(jìn)“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變時期，增材制造技術(shù)對增強(qiáng)我國產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”邁進(jìn)有重要意義。增材制造技術(shù)及產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、汽車、生物醫(yī)療、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，涌現(xiàn)出一批具備一定競爭力的骨干企業(yè)。但我國電弧增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進(jìn)國家相比還存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)用還有一定距離。

關(guān)鍵核心技術(shù)有待突破，裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，政策與標(biāo)準(zhǔn)體系有待建立，缺乏有效的協(xié)調(diào)推進(jìn)機(jī)制。尤其對我國電弧增材制造技術(shù)而言，其系統(tǒng)的研究工作起步相對較晚，較英國有一定的差距，應(yīng)該在加快提升電弧增材制造技術(shù)水平的同時，加速發(fā)展其必備的核心器件，并就建立和完善產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系等方面加快推進(jìn)計劃，以政府及國家規(guī)劃為導(dǎo)向，鼓勵更多的直接面向客戶的企業(yè)參與其中，力爭在短期內(nèi)初步建立較為完善的產(chǎn)業(yè)體系，整體技術(shù)水平保持與國際同步，在航空航天等制造領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平。

編輯：南極熊
作者：西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  (熊江濤  耿海濱  林 鑫)，西北工業(yè)大學(xué)摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（  黃 丹  李京龍  張賦升）