激光輔助金屬絲液滴沉積的金屬增材制造

來源：江蘇激光聯(lián)盟

金屬增材制造可被應用于多領域，本綜述著重介紹其在航天航空領域的應用、該領域應用此技術的優(yōu)勢所在、現(xiàn)有應用存在的挑戰(zhàn)、該領域未來發(fā)展的潛力以及對該技術應用的展望。此為三部分的第一部分，主要是該技術以及其在航空航天領域的特性介紹。
概述：

金屬增材制造（Metal additive manufacturing-AM）包含添加材料從而生產一層層的金屬組件的制造技術。這項技術的重要特色就在于其商業(yè)化和性能優(yōu)勢，使得其在航空航天工業(yè)發(fā)展迅速、應用廣泛。

▲圖0  本文的Graphical Abstract

具體而言，航空航天應用中金屬增材制造的基本優(yōu)勢包括：成本和生產周期顯著降低、材料新穎和設計解決方案獨特、高效輕量的設計可減輕部件的質量、通過多種方式整合各組件以實現(xiàn)性能增強或風險管理（例如利用熱負荷部件的內部冷卻功能或者取消傳統(tǒng)的連接過程。這些正被大規(guī)模商用于一系列備受矚目的航空航天應用中，包括液體燃料火箭發(fā)動機、推進劑儲罐、航空部件、熱交換器、渦輪機、閥門和遺留設備的維保。該文全面回顧了航空航天工業(yè)中的金屬增材制造，概述當前的技術水平，同時提供金屬增材制造的主要應用場景以及相關的商業(yè)和技術價值。基于這些觀察以及成功案列，針對每個應用場景進行了存在的挑戰(zhàn)和潛在機會的介紹，并且對未來發(fā)展?jié)摿�和應用領域進行了展望。

1. 簡介
航空航天部門包括商業(yè)和軍事飛機、空間探索和空間系統(tǒng)、導彈、衛(wèi)星和通用航空。新冠肺炎（COVID-19）對航空航天部門的收入造成了極負面影響，從2019年的3422億美元下降到2020年的2980億美元。這一下降主要是由航空旅行限制、社交距離和其他限制造成的。盡管商業(yè)航空業(yè)面臨著巨大挑戰(zhàn)，由于對新商業(yè)飛機的長期需求、全球軍費開支的增加、航天航空的多個活動以及整個疫情大流行期間仍持續(xù)進行的大量研發(fā)，航天部門收入仍有望到2025年增長到4308.7億美元。

航天制造業(yè)受到許多相互作用的技術和經濟目標的限制，比如性能要高，生產周期要少，重量要輕，復雜性逐步增強，成本管理和維護的優(yōu)化等。這些目標都有很強的針對性，且彼此之間關系密切，以及選擇最佳設計時必須仔細考慮所有因素。這些目標的相對重要性取決于具體的航空航天應用，但總的來說可以描述如下：

其一，性能——航天部門需要在相對固定的交付時間，提供在其預期環(huán)境中高度安全運行的組件。

其二，生產周期縮短——在設計與航天相關的高價值組件時，需要滿足快速產品認證并保持設計靈活性。

其三，輕量化——與航天的技術和經濟發(fā)展有關。具體而言，航空航天的技術和允許的任務有效載荷在物理層次上是有限的，這意味著系統(tǒng)質量減少需要在這兩方面下功夫。包括降低燃料成本、降低排放、增加有效載荷和增加航程。輕量化的目標受到成本管理的限制，并且特定的財務資源只可用于特定的設計目標。成本管理、輕量化和生產周期相互關聯(lián)，因此要想實現(xiàn)輕量化或縮短生產周期，系統(tǒng)成本通常會增多。成本管理適用于組件使用的所有方面，包括認證和維護，以及降低成本管理的認證風險。

航天AM應用的關鍵挑戰(zhàn)是認證，需要監(jiān)管機構確信AM系統(tǒng)得到充分理解，并且可以重復設計和監(jiān)管，從而保證可靠性和安全預期。這些認證要求根據(jù)其AM系統(tǒng)的重要性（安全性、任務關鍵性等）而有所差異。實際認證要求與傳統(tǒng)制造的現(xiàn)有標準以及新興AM工藝標準都緊密相關。

其四，復雜性——航天結構通常高度復雜且系統(tǒng)體積小，因此維保挑戰(zhàn)大。主要包括老舊飛機的部分適用性、再制造和維修，以及現(xiàn)有飛機的其他用途的重新認證。復雜性是設計“天生”所具備的，因為成千上萬的零件組成系統(tǒng)和子系統(tǒng)才能實現(xiàn)預期環(huán)境中所需的性能，當它們被集成到整個飛行系統(tǒng)中，通常組件超數(shù)百萬個。這些組件復雜程度很高，才能保證多性能(結構、流量、熱量、可靠性、耐用性、兼容性。輕量化等)。

通過成本、縮短生產周期以及輕量化等不斷提高效率的努力中，更復雜的設計和高性能材料的使用也越來越多。當然，這必須控制在合理的成本和滿足商業(yè)訂單或任務要求的時間區(qū)間內。幾十年來，傳統(tǒng)制造系統(tǒng)和戰(zhàn)略不斷發(fā)展以適應這些航天目標，并且發(fā)展著的AM也會反過來對這些目標產生影響。AM數(shù)字化轉型——常被吹捧為工業(yè)4.0，到2025年將以20.24%的綜合年均增長率使其在航空航天領域的市場規(guī)模增至31.87億美元。

與傳統(tǒng)的減材制造（subtractive manufacturing）技術不同，增材制造利用多層制造，在普通原料上（通常是被熱源或者固化劑熔化的粉末或金屬絲）以數(shù)字熱源軌跡產生最終的圖案。使用AM制造的優(yōu)勢就是縮短生產周期、減少相關成本、增強設計和制造復雜幾何形狀的能力；能夠實現(xiàn)輕量化；整合多個組件以提高性能；在一定的成本和時間范圍內，提供方案和技術風險管理的優(yōu)化。利用金屬AM的設計靈活性，可以優(yōu)化材料布局，減少質量，保持部件的機械性能和其他性能，還可以組合組件以降低風險和成本，減少跨接頭的潛在失效風險。此外， 通過利用機械、熱量和其他優(yōu)化方法，發(fā)揮其內在優(yōu)勢（如燃燒室或渦輪刀片上的保形冷卻通道），可以增強其性能，而這些是以前復雜零件的設計方法所無法實現(xiàn)的。雖然生產周期的縮短是現(xiàn)在航空航天應用中使用AM的主要驅動力，但特殊的制造場景也是一個重要的驅動力（圖1）。

▲圖1 單位成本與產量和生產復雜性的對比，以確定進一步發(fā)展的經濟和技術最佳方案——特定應用滿足多種目標，例如高復雜性和低產量。這些場景對于商業(yè)AM應用至關重要。來源：Fraunhofer, European Space Agency and GE Additive Copyright: ©SLM Solutions/ CellCore

AM的復雜性是這種技術的一大優(yōu)勢，因為新的設計可以實現(xiàn)增強機械和熱性能以及輕量化等多個目的。AM設計的復雜性和適用性使得其能將多個組件合并為一個，并通過提高技術效率實現(xiàn)輕量。

盡管關于AM 技術，存在所謂的“無技術約束”的誤解，它們的確與高復雜組件高度兼容，通過將材料配置成技術(結構、振動或熱量)所需，而不是反過來受相關制造過程的限制。

需要注意的是，復雜性應該在設計中和AM的整個生命周期內進行權衡，一旦處理不當或者理解有誤，可能會需要額外的操作或造成意想不到的操作難點。

此外，多個組件的合并可以大大降低整體制造成本。這種成本降低可以通過降低生命周期成本以及與其他方面（故障零件的設計、認證和風險管理等）相關的非經常性費用的減少得以實現(xiàn)。

航天部門高度依賴于高價值結構系統(tǒng)的加工鍛造。這種制造方法可最終形成高質組件，因為坯料容易明確孔隙率和微觀結構，但增加了大量的直接制造成本和縮短生產周期引起的成本。這種加工需要昂貴模具、高成本制造和多次試驗，并且坯料加工固有的BTF比（即Buy-to-fly ratio,指的是制造一個零件所需原材料量與最終零件中所含有材料量的比率）高達20:1。這就相當于質量為10公斤的最終產品將需要200公斤原材料。甚至還有人聲稱這一比例接近40:1。

根據(jù)逐層制造的特質，增材制造的BTF比在1:1和3:1 之間，使用的原材料質量要少得多，形成的浪費很少，可以說幾乎沒有！與傳統(tǒng)制造技術相比，AM可采取適當?shù)念A防措施，在顯著降低制造航空零部件的成本并簡化回收和再加工流程方面發(fā)揮巨大潛力。許多航空合金生產所需鍛造原料的周期較長。由于許多AM工藝兼容多種普通合金，使用的粉末或線材原料，其商業(yè)生產周期可以大大縮短。目前，生產周期的顯著縮短是AM在這個行業(yè)的主要優(yōu)勢。

過去，AM在還沒有商業(yè)終端應用前，以零件展示和初始功能測試的形式被廣泛用于快速原型制作。飛行時使用AM的起源可以追溯到21世紀初，從2010年到2011年，AM的使用范圍擴大到了包括關鍵任務組件在內的最終生產。隨著技術改進、供應鏈理解的加深以及應用的嚴格性、標準化和認證，制造加工的數(shù)字化轉型取得了初步成功。

AM的基本原理是利用CAD形成的3D模型數(shù)據(jù)中構建近終型多層組件。這是一個復雜的流程（復雜既是優(yōu)勢，也帶來了挑戰(zhàn)），因為大量工藝參數(shù)對生產部件質量都會產生重要影響。隨著對這些參數(shù)理解的加深，可逐步減少相關質量影響。這些參數(shù)包括功率、掃描速度、開口間距(hatch spacing)或軌跡重疊、掃描策略(例如使用輪廓、每層的陰影線的角度更改等)，它們會影響整個制造過程，從而影響組件質量和性能（包括表面光潔度， 孔隙、殘余應力、相關的組件裂紋、翹曲、獨特的微觀結構等）。這可以追溯到材料特性化的根源以及我們經常提及的工藝-結構-性能（Process-Structure-Properties）。

AM的其他缺點包括材料有限、材料特性不確定、設計限制、后處理要求、廢物的產生(比如用過的粉末，基板或者是過程失敗造成的廢物）、為了實現(xiàn)可行的復雜設計和輕質部件對設計技能的高要求、通常利用較為耗時的拓撲優(yōu)化軟件以及嚴格的質量控制和認證。雖然AM機器越來越多，但其技術不像傳統(tǒng)技術那樣簡單容易，因此制造技術供應鏈有待成熟。后處理是一個極具挑戰(zhàn)的領域，需要定制開發(fā)或優(yōu)化的熱處理、組件清潔度和表面增強以改善粗糙度。

所有航空制造都受到嚴格的質量控制（如Quality Systems - Aerospace SAE AS9100和 Standard for Additively Manufactured Spaceflight Hardware MSFC-STD-3716, NASA Standard 6030），進一步加劇了AM過程的復雜性，對組件質量產生了影響。最近逐步成熟的技術和許多研究報告中完全不同的機械性能（如疲勞性能）都佐證了其重要性。而這會導致材料性能的不確定性和所需控制的差異性。各種國際標準目前正在開發(fā)中，以解決這一問題。通過恰當?shù)馁|量控制和優(yōu)化程序，上面提到問題都可以緩解或最小化。在粉末移除、熱處理、基板移除，熱等靜壓工藝（HotIsostatic Pressing,簡寫為HIP)、表面拋光以及最終加工中通常需要進行后處理（post-processing）。

盡管存在上述缺點，但在特定的場景中AM仍然遠優(yōu)于傳統(tǒng)制造工藝，比如AM非常適合航空航天應用！