圖1 增材制造的飛機起落架鈦合金殼體

 圖 2 西南鋁業(yè)（集團）有限責(zé)任公司生產(chǎn)的火箭用10m級鋁合金環(huán)件，盧院士團隊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工作原理大體相同，不過，普通打印是一種二維（平面）打印，用的是紙與油墨，可稱為2D打印，而3D打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層又一層地堆積起來，最終把計算機上的藍圖變成實實在在的物體、機器零部件、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，用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力、機械零件、航空航天器結(jié)構(gòu)件。

簡單地說，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，粉末遇到膠水就會固化黏結(jié)，沒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)這一過程，直到實體模型一模一樣地被“打印”出來，毫無區(qū)別，由于其分層加工的過程與常規(guī)的噴墨打印及打印機非常相似，所以被稱為“打印機”。

3D打印技術(shù)又稱為增材制造、增材技術(shù)（工藝），美國ASTM國際（International）在其有關(guān)材料中將增材制造與3D打印這兩個術(shù)語等同起來，即“增材制造也被稱為3D打印，使用計算機輔助設(shè)計逐層制備。”維基百科稱：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，而在增材制造過程中，工件的質(zhì)量總是在增加的，零件制成時僅進行少量（小于10%）切削加工。

國內(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)中一項新的尖端制造技術(shù)，近年來，3D打印零部件銷售額的年平均增長率大于或等于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)，對工業(yè)制造領(lǐng)域傳統(tǒng)思維模式和設(shè)計理念來說，是一個巨大的沖擊與挑戰(zhàn)，使設(shè)計師的思想與構(gòu)思得到更加深遠(yuǎn)與更徹底的釋放，產(chǎn)品設(shè)計不再受傳統(tǒng)加工工藝的局限，所以有人將其稱為“第三次工業(yè)革命”的典型代表之一。3D打印技術(shù)可以順利實現(xiàn)傳統(tǒng)減法制造技術(shù)很難或無法達到的設(shè)計，更不要說制造了。3D打印作為一項前沿制造技術(shù)，在短短數(shù)年間其應(yīng)用范圍就迅速擴大到包括航空航天器、交通運輸裝備、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)新教育等幾十個領(lǐng)域與產(chǎn)業(yè)。

3D打印的飛機起落架鈦合金組件

眾所周知，飛機起落架是一個非常重要的結(jié)構(gòu)組件，降落時會受到巨大的沖擊力，它的一些零件過去是用高強度鋁合金（如2024合金和7075合金）、鈦合金鍛造的。2021年初，法國賽峰集團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)機的起落架殼體，其尺寸為455mm×295mm×805mm，對3D打印來說，這是一個很大的工件（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%，同時還具有更高的力學(xué)性能，可承受更高的應(yīng)力。該項目研發(fā)技術(shù)平臺負(fù)責(zé)人指出：“這是一個承受很大壓力的元件，必須能在樞軸上旋轉(zhuǎn)，以便起落架在飛機下方收回，并且它必須吸收來自飛機機輪的機械應(yīng)力。在這種性質(zhì)和尺寸下的一個關(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型增材制造機上打印的，該機床以其四激光技術(shù)和可靠性聞名于世?？萍既藛T沒有采用6軸機床將殼體組件分為3個單獨的零件生產(chǎn)，而是一次制成，從而清除了昂貴且費時的組裝。通過適應(yīng)增材制造的新設(shè)計方案，既使殼體的質(zhì)量降低了15%，又大大縮短了打印時間，做到了雙全其美，使賽峰集團達到了他們長期孜孜以求的兩個目標(biāo)。

傳統(tǒng)上，這種殼體是用高強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合金的強度和抗腐蝕性能都優(yōu)于鋁合金的，所以改用久經(jīng)考驗的鈦合金。該公司表示，打印好的鈦合金殼體的70%表面都沒有進行機械加工，僅對少量的功能性表面做了微微的加工，以延長其使用壽命。當(dāng)下，該公司計劃在2022年對打印的殼體進行認(rèn)證測試，航空器零部件必須經(jīng)過相關(guān)部門的認(rèn)證，這是關(guān)鍵的一步。

一體化打印的10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件

2021年1月，國家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團隊采用增材制造技術(shù)制成了全球首件10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(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)力控制等方面都實現(xiàn)了重大技術(shù)突破，達到了全球前所未有的新高度與境界。

10m級超大型鋁合金環(huán)件（圖2）是連接重型運載火箭貯箱筒段、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，盧院士團隊創(chuàng)新采用多絲協(xié)同工藝裝備，大大簡化了工藝過程、大幅降低了生產(chǎn)成本、顯著縮短了打印周期，僅用1個月就制成了。

盧院士團隊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，屬國際首例。該成果將會助力增材制造使我國航天事業(yè)更加氣勢恢弘，同時，也為我國航天事業(yè)重大結(jié)構(gòu)件的快速制造提供了強有力的技術(shù)支撐。