增材制造為民用航空帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

來(lái)源：薊門鳶

增材制造（additive manufacturing，AM）是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に�。這項(xiàng)由美國(guó)科學(xué)家CharlesHull于20世紀(jì)末提出的制造新技術(shù)，作為“決定未來(lái)經(jīng)濟(jì)的12大顛覆技術(shù)”之一，標(biāo)志著從傳統(tǒng)制造邁向智能制造的巨大產(chǎn)業(yè)變革，引發(fā)了新的技術(shù)革命浪潮。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，增材制造已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車工業(yè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)減材制造相比，增材制造集先進(jìn)制造、智能制造、綠色制造等技術(shù)于一體，在縮短制造周期、降低制造成本、提高材料利用率等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，高度契合《中國(guó)制造2025》（國(guó)發(fā)〔2015〕28號(hào)）提出的綠色制造理念。工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)等多部委陸續(xù)發(fā)布《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》（2015—2016年）、《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》（2017—2020年）、《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動(dòng)計(jì)劃》（2020—2022年）等文件，大力推動(dòng)增材制造技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

一、增材制造的應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)Wohlers Report2022的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在增材制造領(lǐng)域北美、歐洲和亞太呈三足鼎立的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，增材制造設(shè)備的裝機(jī)量分別為34.9%、30.7%和28.4%，3個(gè)地區(qū)累計(jì)占全球裝機(jī)量的94%，其中美國(guó)、中國(guó)、日本和德國(guó)裝機(jī)量位列前四。當(dāng)前，在民用航空領(lǐng)域，增材制造的應(yīng)用主要集中在全新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的定制、高性能零部件制造、高價(jià)值零部件修理等方面。

在全新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，零部件的需求量過(guò)低，使用傳統(tǒng)制造方法制造原型或模具，成本過(guò)高，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品快速迭代。增材制造更適用于小批量、個(gè)性化、定制化的特點(diǎn)，非常適用于設(shè)計(jì)階段的全新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的原型定制。波音、空客、GE將增材制造作為戰(zhàn)略性技術(shù)之一開展布局，中國(guó)商飛在研制C919過(guò)程中，也大量開發(fā)研制增材制造零部件。

增材制造可生產(chǎn)傳統(tǒng)減材制造等無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)件，滿足民用航空器對(duì)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度、低重量、高安全性的要求，能夠在保證性能的前提下大幅減輕部件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)提升航空器性能并節(jié)省航空燃油費(fèi)用的目的。例如GE公司采用選擇性激光熔化（selective laser melting, SLM）增材制造技術(shù)，將LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴從傳統(tǒng)制造的20個(gè)零件減少為1個(gè)零件，重量減少25%，壽命延長(zhǎng)5倍。

在航空高價(jià)值零部件修理領(lǐng)域，基于增材制造技術(shù)的再制造，可最大限度開發(fā)和利用待報(bào)廢零部件的價(jià)值，并減少失效、報(bào)廢零部件對(duì)環(huán)境的危害，實(shí)現(xiàn)綠色制造。例如美國(guó)從事增材制造的公司Optomec與機(jī)器人系統(tǒng)公司ACME共同開發(fā)出了工業(yè)界首個(gè)用于維修航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金壓氣機(jī)葉片的自動(dòng)化工作單元。自2021年開始，Optomec公司連續(xù)獲得美國(guó)空軍的合同，基于激光近凈成形（laser engineered netshaping，LENS）技術(shù)修理噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

在中國(guó)，湖北超卓航空科技股份有限公司的《鋁合金、鎂合金材質(zhì)零部件的冷噴涂修復(fù)工藝規(guī)程》于2023年獲得民航中南地區(qū)管理局的批準(zhǔn)，這是冷噴涂固態(tài)增材制造技術(shù)在中國(guó)民航維修行業(yè)的首次應(yīng)用。

二、增材制造給民用航空帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

工信部裝備工業(yè)發(fā)展中心總工程師左世全在“增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展（廣州）暨2023年增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)”上的報(bào)告《增材制造十年發(fā)展及展望》指出，在2012—2022年間我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模從10億元增至320億元，并有望于2023年超過(guò)400億元，于2027年超過(guò)1 000億元�！丁笆�四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》提出“民用航空加快向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型”，要求把握住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略契機(jī)，強(qiáng)化科技自立自強(qiáng)和創(chuàng)新引領(lǐng)，積極應(yīng)對(duì)資源環(huán)境約束。增材制造作為當(dāng)前最具發(fā)展前景的新型制造技術(shù)，較好地契合了民用航空高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型需求。特別是在民用航空器維修領(lǐng)域，對(duì)增材再制造零件適航認(rèn)證的難度相對(duì)全新設(shè)計(jì)制造低，推進(jìn)增材制造技術(shù)在零部件修理或自制方面的應(yīng)用，不僅可以突破歐美航空強(qiáng)國(guó)建立的資金、技術(shù)壁壘，有效降低航空運(yùn)營(yíng)人的成本，還可以培養(yǎng)起一批航空零部件制造和再制造企業(yè)，為未來(lái)可能面臨的“卡脖子”儲(chǔ)備資源。

作為一項(xiàng)全新的技術(shù)，增材制造像多年前的復(fù)合材料一樣，給民用航空管理機(jī)構(gòu)認(rèn)證帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。如何控制增材制造工藝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)增材制造零件的性能可靠和一致是當(dāng)前各國(guó)民用航空管理機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)。美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）自2015年開始贊助增材制造相關(guān)研究并舉辦年度研討會(huì)，歐洲航空安全局（EASA）也在同一時(shí)期舉辦相關(guān)會(huì)議，并于2018年開始與FAA輪流舉辦“FAA-EASA行業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)年度增材制造活動(dòng)”，以推動(dòng)增材制造零部件在民用航空業(yè)的使用，促進(jìn)關(guān)鍵利益相關(guān)群體，包括政府機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)組織、學(xué)術(shù)界和民用航空行業(yè)機(jī)構(gòu)之間的技術(shù)對(duì)話和知識(shí)共享。為推進(jìn)增材制造在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，建議民航管理機(jī)構(gòu)重點(diǎn)開展以下4個(gè)方面的工作。

（1）建立增材制造的標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估方法。

標(biāo)準(zhǔn)化是保證增材制造產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)增材制造技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新的有效手段。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）增材制造標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)與美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）合作，于2018年至2022年發(fā)布了一系列關(guān)于增材制造的標(biāo)準(zhǔn)。FAA也與美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）、航空航天工業(yè)協(xié)會(huì)（AIA）、美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）、美國(guó)焊接協(xié)會(huì)（AWS）、增材制造標(biāo)準(zhǔn)化合作組織（AMSC）等機(jī)構(gòu)合作，推動(dòng)增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化，制定適用于民用航空產(chǎn)品的增材制造認(rèn)證準(zhǔn)則。在中國(guó)，全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于2016年成立，發(fā)布了10余份增材制造標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋術(shù)語(yǔ)和定義、成型工藝、測(cè)試方法、質(zhì)量評(píng)價(jià)等。針對(duì)民用航空產(chǎn)品的認(rèn)證，F(xiàn)AA為制造機(jī)構(gòu)和維修機(jī)構(gòu)的局方檢查員發(fā)布了指導(dǎo)材料，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較高的增材制造應(yīng)用項(xiàng)目根據(jù)不同的產(chǎn)品類型進(jìn)行監(jiān)控。

（2）建設(shè)增材制造零件的審定體系。

增材制造零件和傳統(tǒng)鍛造或鑄造零件在成形工藝、顯微組織、力學(xué)性能、缺陷類型等方面均有差異，增材制造零部件是否能夠安全可靠地在民用航空中使用，需要通過(guò)一個(gè)完整的審定流程。美國(guó)AIA在FAA的要求下，發(fā)布了《增材制造部件認(rèn)證推薦指南》，對(duì)材料、工藝、零件、系統(tǒng)認(rèn)證以及當(dāng)前工業(yè)界的最佳經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。FAA也于2016年發(fā)布了《關(guān)于在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳和電子設(shè)備維修和改裝中使用增材制造的通知》，介紹了相關(guān)使用情況。EASA發(fā)布了關(guān)于增材制造的認(rèn)證備忘錄，對(duì)在EASA認(rèn)證的民用航空產(chǎn)品（包含飛機(jī)、旋翼機(jī)和動(dòng)力裝置）和零部件上使用增材制造技術(shù)提供補(bǔ)充指導(dǎo)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，增材制造缺乏普遍的行業(yè)數(shù)據(jù)和制造經(jīng)驗(yàn)支撐，各國(guó)民航管理機(jī)構(gòu)當(dāng)前仍然采用邊認(rèn)證邊改進(jìn)的方法。

（3）建立適用于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和制造過(guò)程控制的先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)方法。

增材制造的零件一般具有高度復(fù)雜的幾何形狀（包括隱藏的內(nèi)部特征）、不同傳統(tǒng)制造的材料微觀結(jié)構(gòu)、各向異性特性和粗糙的表面光潔度，還可能產(chǎn)生這種工藝特有的制造缺陷和材料異常，現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)方法和經(jīng)驗(yàn)，包含超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、熒光滲透檢測(cè)等，可能無(wú)法有效地應(yīng)用于增材制造零件。目前，采用什么標(biāo)準(zhǔn)方法、什么規(guī)定設(shè)備能有效識(shí)別不同類型缺陷，采用常規(guī)方法檢測(cè)不準(zhǔn)或無(wú)法檢測(cè)的缺陷又怎樣判定等一系列問題，還缺少統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。FAA正與工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、政府機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織合作，推動(dòng)建立與金屬增材制造零件相關(guān)的關(guān)鍵缺陷和異常的無(wú)損檢測(cè)方法。

（4）防止增材制造零件的亂用。

增材制造為航空零部件的制造提供了便利，但也為零部件的仿制和亂用提供了一條途徑。當(dāng)前，F(xiàn)AA和EASA對(duì)于維修中使用的增材制造零件，即使是材料完全相同，也不認(rèn)為是等效替代的自制件，仍需進(jìn)行完整的認(rèn)證。為了防止增材制造零件的亂用，F(xiàn)AA通過(guò)可疑未經(jīng)批準(zhǔn)零件（Suspected Unapproved Parts，SUP）計(jì)劃，來(lái)防止假冒的增材制造零件進(jìn)入民用航空領(lǐng)域。

增材制造在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用還很有限，還需要進(jìn)一步的技術(shù)穩(wěn)定性驗(yàn)證積累。由于增材制造零件各向異性的特點(diǎn)，決定了機(jī)械性能在不同方向的波動(dòng)相對(duì)較大。主要民用航空管理機(jī)構(gòu)正在實(shí)施越來(lái)越嚴(yán)格的測(cè)試和認(rèn)證，這些測(cè)試是航空零部件在關(guān)鍵和非關(guān)鍵應(yīng)用中所必需的。此外，生產(chǎn)過(guò)程的可重復(fù)性和制造質(zhì)量的一致性，是當(dāng)前增材制造在民用航空領(lǐng)域應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。尤其是在大量生產(chǎn)時(shí)，與傳統(tǒng)工藝對(duì)材料的全面了解以及豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)形成鮮明對(duì)比，增材制造缺乏先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，缺乏對(duì)制造過(guò)程的完整理解，缺乏對(duì)產(chǎn)品性能的詳盡了解，缺乏失效機(jī)理數(shù)據(jù)。但增材制造將為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)顛覆性的變革，助推國(guó)內(nèi)民用航空制造業(yè)在核心制造技術(shù)上的突破和跨越式發(fā)展。