增材制造技術(shù)（俗稱(chēng) 3D 打印技術(shù)）是制造下一代更有可持續(xù)性的燃?xì)廨啓C(jī)&航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。增材制造工藝最大程度地提高了設(shè)計(jì)靈活性，并能集成額外的功能，對(duì)于復(fù)雜輪廓的設(shè)計(jì)優(yōu)化也無(wú)額外的成本，這使得部件的設(shè)計(jì)不再局限于傳統(tǒng)技術(shù)的約束，從而為復(fù)雜燃?xì)廨啓C(jī)&航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件創(chuàng)新與優(yōu)化帶來(lái)了更大的空間。
增材制造技術(shù)最早起源于美國(guó)。20 世紀(jì) 80 年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，增材制造技術(shù)有了根本性的發(fā)展。增材制造技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是可不借助機(jī)械加?或模具，直接?計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)的圖形數(shù)據(jù)制造出形狀復(fù)雜的零件，??縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提?了?產(chǎn)效率且降低了?產(chǎn)成本。
談到增材制造技術(shù)估計(jì)很多人并不陌生，但是說(shuō)到增材制造技術(shù)的應(yīng)用，可能大部分人還只停在以下兩個(gè)階段：
1.原型制造
即通過(guò)樹(shù)脂、塑料等非金屬材料打印的概念原型與功能原型。其中概念原型用于展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體概念、立體形態(tài)和布局安排，功能原型則用于優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，促進(jìn)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，如檢查產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬裝配、裝配干涉檢驗(yàn)等。
2.間接制造
即通過(guò) 3D 打印技術(shù)完成工、模具制造，再采用3D 打印工模具進(jìn)行零件的制造。殊不知，伴隨著 3D 打印技術(shù)的發(fā)展，特別是金屬 3D 打印技術(shù)近年來(lái)取得的進(jìn)展，增材制造技術(shù)的應(yīng)用已不僅僅局限于快速響應(yīng)產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造。
當(dāng)前，通過(guò)金屬增材制造技術(shù)制造的金屬材料零部件越來(lái)越多的被成功應(yīng)用于航空航天，國(guó)防軍工、醫(yī)療器械、汽車(chē)制造、注塑模具等領(lǐng)域。
可以說(shuō)，金屬增材制造技術(shù)在制造行業(yè)具有更廣闊的應(yīng)用舞臺(tái)，是增材制造領(lǐng)域?qū)χ圃鞓I(yè)來(lái)說(shuō)最有應(yīng)用價(jià)值的先進(jìn)制造技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1.制備高成本材料零件
金屬材料是制造領(lǐng)域必不可少的重要材料，但是在實(shí)際的加工過(guò)程中，卻存在著不少問(wèn)題，例如鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長(zhǎng)等。
金屬增材制造技術(shù)所采用的激光、電子等高能束密度高，速度快，極大地改善了金屬材料的加工難度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用最早和最廣泛的航空航天行業(yè)為例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于 10%，有時(shí)甚至于僅為 2%-5%，大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑。
美國(guó)最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司之一普惠公司應(yīng)用增材制造技術(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結(jié)果顯示：不但獲得了與當(dāng)前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造精度；而且原材料消耗降低了 50%，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的 BTF 比（原材料質(zhì)量與部件最終質(zhì)量之比）從傳統(tǒng)工藝的 20:1 降低到 2:1 以下，有效地提高了部件的質(zhì)量和降低了制造成本。
2.高性能成形修復(fù)受損零件
高成本零件的成形修復(fù)也是金屬增材制造技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)。
過(guò)去，對(duì)于受損零部件只能做表面的涂層修復(fù)，并且維修工序步驟繁多，還涉及一些額外的步驟如加工、拋光、測(cè)試等，同時(shí)還受維修時(shí)限條件的制約，耗時(shí)較長(zhǎng)；而對(duì)于損傷稍嚴(yán)重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術(shù)則可以對(duì)任意缺失或損壞的部分進(jìn)行快速成形和修復(fù)。
例如航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬(wàn)、上百萬(wàn)元損失。而通過(guò)金屬 3D 打印技術(shù)，可以用同一材料將缺損部位修補(bǔ)成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大延長(zhǎng)了使用壽命，降低了成本，減少了停機(jī)時(shí)間。
其實(shí)除了航空航天領(lǐng)域外，機(jī)械、能源、船舶、模具等行業(yè)也對(duì)大型裝備的高性能快速修復(fù)提出了迫切需求。
據(jù)悉，西門(mén)子公司計(jì)劃從 2014 年開(kāi)始采用金屬 3D 打印技術(shù)制造和修復(fù)燃?xì)廨啓C(jī)的某些金屬零部件，并稱(chēng)在某些情況下，通過(guò) 3D 打印技術(shù)可以把對(duì)渦輪燃燒器的修理時(shí)間從 44 周縮減為 4 周。
異質(zhì)材料的組合制造
對(duì)于傳統(tǒng)制造方式（鑄造、鍛造等）來(lái)講，將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難，但是增材制造技術(shù)有能力使不同原材料進(jìn)行組合制造。
金屬增材制造 LSF 技術(shù)可以在通過(guò)鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)技術(shù)制造出來(lái)的零件上任意添加同/異質(zhì)材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。
因此，針對(duì)部分工業(yè)零件適當(dāng)利用增材制造技術(shù)進(jìn)行組合制造，不同的結(jié)構(gòu)部位采用不同類(lèi)別的金屬材料，不僅大大提高結(jié)構(gòu)件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時(shí)，也把增材制造技術(shù)成型復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)制造技術(shù)高精度的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，形成了最佳的制造策略。
結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化制造
增材制造技術(shù)快速自由成型的特點(diǎn)，給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來(lái)了無(wú)限的創(chuàng)新空間，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)提供了有效的制造途徑。特別是當(dāng)前應(yīng)用得比較多的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)模式不同，經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的創(chuàng)新模型是在滿足設(shè)計(jì)約束下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
但是優(yōu)化后創(chuàng)新模型結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可制造性差，因此在設(shè)計(jì)階段不得不引入制造性約束，以滿足傳統(tǒng)加工制造工藝的要求。往往這樣得到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是犧牲掉了其在輕量化和高性能上的優(yōu)勢(shì)。而金屬增材制造技術(shù)則可以使這些經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實(shí)現(xiàn)制造。
例如，空客 A320 飛機(jī)的大尺寸“仿生”機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)是通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，金屬 3D 打印制造而成，材料是采用的超強(qiáng)且輕質(zhì)合金材料 Scalmalloy。A320 全新的機(jī)艙設(shè)計(jì)與原有的隔離結(jié)構(gòu)相比，新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由幾個(gè)不同的部件組成，不僅強(qiáng)度更高，而且將其總量減輕了 45%。
另外，GE 采用增材制造技術(shù)制造的 Leap 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬燃料噴嘴，是通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 10 多年的探索通過(guò)不斷優(yōu)化、測(cè)試、再優(yōu)化，才達(dá)到零件數(shù)量從 20 多個(gè)減少到了一個(gè)。
這樣造出的燃油噴嘴不僅重量更輕，而且改善了噴油嘴容易過(guò)熱和積碳的問(wèn)題，將噴油嘴的使用壽命提高了 5 倍；另外，減少組裝也提升了噴嘴的穩(wěn)定性，并為公司降低了物流、組裝、焊接等方面的成本。
成形傳統(tǒng)工藝制造難度大的零件
在制造領(lǐng)域，有些零部件形狀復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)，應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來(lái)或損耗較大。而金屬增材制造技術(shù)則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無(wú)需工裝和模具等優(yōu)勢(shì)。
一個(gè)典型的應(yīng)用就是模具行業(yè)隨形冷卻金屬模具的制造。
金屬模具冷卻系統(tǒng)是設(shè)計(jì)模具工程之一，傳統(tǒng)的模具冷卻系統(tǒng)是以直線的水路設(shè)計(jì)為主，制作較簡(jiǎn)易，但需要的散熱時(shí)間較長(zhǎng)，直接影響了脫模時(shí)間、制品質(zhì)量、制品外觀等。設(shè)計(jì)者通過(guò)軟件分析模具與水路的散熱情形，設(shè)計(jì)出了異型水路，但是受到既有加工技術(shù)的限制，使得異型水路設(shè)計(jì)只能停留在理論階段。
快速成形小批量非標(biāo)件
增材制造技術(shù)非常適合個(gè)性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。
當(dāng)前，金屬增材制造的個(gè)性化制造在醫(yī)療器械的應(yīng)用極為突出，例如用于打印具有個(gè)性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
個(gè)性化、小批量生產(chǎn)已經(jīng)成為當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，金屬 3D 打印擺脫了模具制造這一關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，可以隨時(shí)調(diào)整參數(shù)，以更低的成本更短的周期進(jìn)行小批量甚至單件產(chǎn)品的生產(chǎn)。除了醫(yī)療器械行業(yè)，在其他行業(yè)也極具應(yīng)用潛力。
增材制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)的制造方式，為復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)功能件的直接制造提供了新思路，對(duì)于制造業(yè)而言有著廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)金屬 3D 打印機(jī)將會(huì)越來(lái)越多的取代部分傳統(tǒng)加工制造設(shè)備，但是增材制造技術(shù)也有其缺陷與不足，并不能完全取代減材制造，而是并列互補(bǔ)的關(guān)系。
來(lái)源：航空發(fā)動(dòng)機(jī)人
