按照传统制造工艺，在最终用途零件进行批量生产之前，通常首先采用CNC加工来制造金属原型来进行装配和功能测试，然后再通过其他工艺进行批量生产。金属3D打印作为一种新型便捷的制造工艺，加工出来的零件性能与传统零件相当，甚至更好。GE Additive开发的3D打印燃油喷嘴就是最为知名的应用案例。它将20个零件组合成一个单元，几何形状过于复杂以至于无法通过传统工艺制造，3D打印将其实现了一体化成型，并减轻了25％的重量。3D打印仅是整个制造过程最前端的环节 然而，3D打印仅仅是整个制造过程的其中一环，将金属3D打印提升到更高生产水平的一个重要要素是后期处理，包括后期加工选项、材料可追溯性、检验报告以及相关认证，以确保高质量零件符合最终用途和行业标准。 通过机加工满足关键特征要求   3D打印后的CNC加工可以实现高要求零件所需的更严格的公差，同时还能满足增材制造的设计自由度。 通常，SLM打印的零件公差为±0.003英寸（0.076毫米），经过后处理CNC精加工后可达±0.001英寸（0.0254mm）。与大多数3D打印过程一样，使用线切割机床或带锯将零件从构建基板上取下，并用手动工具去除支撑，对于需要更严格公差的关键特征，机加工能够满足要求。 与SLM打印后的情况相比，精密加工可在制造后实现更严格的公差和更好的表面质量 此外，后期加工也可用于提高表面质量。3D打印金属零件的标准表面粗糙度范围为5-10 µm，具体取决于方向、材料和层厚度。后期加工可以实现最高2μm左右的表面粗糙度。CNC加工的更高精度非常适合制造精确的孔和螺纹。 通过粉末分析和材料可追溯性进行质量控制   随着航空航天和医疗等受到严格监管的行业将3D打印作为最终用途制造工艺，对于粉末材料的分析和可追溯性变得至关重要。 通过按照ASTM标准采购材料并实行单批次跟踪，材料质量控制在打印过程开始之前就开始了。材料采购后还将进行频繁的粉末测试确保符合ASTM规定的化学成分。除遵循这些流程外，粒度分布测试也被包括在其中，同时也会记录源粉末的分析和机械测试数据。 通过热处理强化零件   对3D打印的零件进行热处理可以消除应力、降低潜在的变形和开裂风险，同时还可以使最终用途部件韧性更好、更加耐用，提高材料的综合力学性能。常用的热处理手段包括去应力退火、热等静压、固溶退火和时效处理。 SLM过程中发生的快速加热和冷却可能会增加零件内部应力，因此每个SLM零件都需要按照ASTM 3301标准进行应力消除处理。专门的热处理技术如热等静压（HIP），通过在高温条件下施加均匀的压力可以消除大部分零件内部空隙，为减少故障提供了另一种控制方式，这是航空航天应用的普遍要求。 对3D打印的零件进行热处理 退火是最终用途SLM零件的另一种热处理选择。此过程将零件加热到高温，然后迅速冷却，从而改变了零件的实际微观结构并提高了延展性。时效提高了零件的疲劳强度，使其可与锻造材料媲美。 机械测试可以在热处理后进行，确保生产零件的机械要求得到满足。相关测试通常包括拉伸强度、洛氏硬度、疲劳和振动等。 质量保证和检验报告   为了确保具有高要求的零件符合严格的标准，需要提供许多质量检查选项来评估零件的几何结构、材料组织以及尺寸特征，检查零件是否在公差范围内并具有所要求的内部结构。根据具体零件和注意事项，可以通过坐标测量机（CMM）、光学、CT扫描以及X射线来实现。质量报告和认证有助于根据行业标准验证零件，这在具有行业特定要求和高度安全考虑的行业（如航空和航天）至关重要。 GE Additive指出，航空和航天是增材制造应用最为激进的领域，其产品以具有很长的寿命周期和极高的安全要求而闻名。有些零件在起飞和着陆期间，或在遭遇空气湍流的情况下将面临高水平的热负荷或机械负荷，这也是大多数部件要求制造档案的一个重要原因。 3D打印的航空发动机部件与传统制造部件对比 这些高安全性和质量标准通过AS9100（航空器、航天和国防工业的国际管理标准）进行监管。该标准为供应商提供了全面的质量体系，以向航空航天和军事实体提供安全可靠的产品。制造商可以按照AS9100质量管理体系的AS9102报告进行SLM生产零件的首次物品检验（FAI），验证最终零件是否符合原始图纸、采购订单以及其他注明的规范。 总而言之，金属3D打印的后处理可改善尺寸精度、表面粗糙度和机械性能。生产高质量零件不仅限于3D打印的制造过程，附加的后处理为高要求的最终用途零件提供了高级选项。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.GE Additive：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺 2.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？ 3.从磨削到精加工：增材制造的后处理解决方案 4.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性

近日，美国托莱多大学机械、工业和制造工程学系AliFatemi教授在国际顶级材料期刊Progress in Materials Science上（影响因子31.56）发表金属增材制造缺陷及其与疲劳相关的综述。文章回顾了有关影响3D打印零件疲劳性能的微观结构，重点是产生的缺陷，以及工艺参数和后处理对缺陷的影响，和因此而引起的疲劳性能。 金属3D打印零件要符合工业用途，特别是安全关键零件，一个重要问题是满足既定的工业疲劳性能标准。这就要求对这些零件的微观结构、缺陷和残余应力进行表征和理解，这将直接影响疲劳性能。金属3D打印零件的微观结构、缺陷含量、残余应力以及由此产生的疲劳性能在很大程度上取决于所使用的工艺参数和每种工艺的热历史，以及诸如应力消除和热等静压（HIP）等后处理。 与传统制造工艺相比，3D打印零件具有更为精细的微观结构，因此其静态强度更好。此外，由于缺陷在静态载荷下的影响比循环载荷要小，零件通常满足工业用拉伸性能的标准和规范。另一方面，金属3D打印零件的疲劳性能受缺陷存在的影响很大，需要全面研究3D打印零件缺陷的特性以及在动态载荷条件下含缺陷组件的运行情况。为了达到所需的可靠性水平，可能需要在类似于工作条件的环境中进行高成本的全面测试。 3D打印缺陷的种类 基于层层制造的加工策略、局部加热以及快速冷却的特点，金属3D打印零件内部常可以观察到熔合不全、气孔、未熔合颗粒等多种缺陷类型，这些缺陷通常都是在疲劳断裂面上检测到的疲劳失效的来源。缺陷通常是由于能量不足或能量过大而产生，工艺参数对缺陷的类型、位置、形状、尺寸、方向和密度等特征有很大的影响。 3D打印金属零件内部的缺陷、特征及其产生的原因 3D打印Ti6Al4V合金中的缺陷及其作为疲劳裂纹存在的示例 气孔的形状多为球形或椭圆形，主要来自金属粉末中的滞留气体和设备中的保护气氛。打印过程中输入的能量大小应尽量进行优化，任何偏离最佳能量的情况都可能导致熔化不足、汽化或熔池高度不稳定，能量过剩会导致强烈的对流和蒸汽反冲力，从而造成喷射飞溅以及成型过程不稳定。这些现象，就会导致熔池中形成空隙，由于液态金属中表面张力占主导地位，这些气孔就会呈现球形或椭圆形。 通常来说，能量不足会导致层间结合不全并产生未熔合缺陷，主要出现在层间或相邻扫描线之间，具有锋利的边缘。大的未熔合缺陷中会包含未熔化或部分熔化的粉末颗粒。由于激光功率、扫描速度和扫描间距等工艺参数设置不当，以及残余应力的产生，金属3D打印过程中也可能产生裂纹。 三种不同能量密度的缺陷的2D和3D表示。第一行中的2D图代表与平行于构建方向或垂直于层的制造样品的抛光截面 3D打印缺陷对疲劳性能的影响 影响3D打印零件疲劳性能的因素可归纳为残余应力、表面粗糙度、内部缺陷、各向异性和微观结构不均匀性。这些因素可以通过工艺参数和/或后处理进行改变。大多数研究表明，表面粗糙度对打印态零件的影响最为重要。根据零件中缺陷的分布情况，机械加工对疲劳寿命可能有积极影响也可能无影响。对于退火和机械加工的试样，通常内部或表面缺陷在疲劳寿命中起主要作用，这取决于其寿命范围和载荷条件。当通过优化工艺和后处理手段减少缺陷时，微观组织的不均匀性可能会更多地参与疲劳裂纹的萌生。 SLM制造的Ti6Al4V在几种应力水平下，疲劳寿命与测得的Ra的平方根之间的相关性：（a）R=-1载荷，（b）R = 0.1载荷 表面缺陷是造成表面粗糙度的重要原因，其对3D打印零件的疲劳性能非常不利。与内部缺陷相比，表面缺陷会导致更高的应力集中。因为应力梯度的存在，表面上的剪切应力最高，表面缺陷在扭转或多轴疲劳中的作用可能更为关键。几乎所有的研究都显示，粗糙度是几个对打印态试样疲劳性能有主要影响的最重要参数。打印态表面的Ti6Al4V试样的疲劳寿命比机械加工后的试样要短4倍，裂纹多起源于表面，而非典型的3D打印缺陷。 金属3D打印零件表面处理后的疲劳性能主要受内部缺陷含量的影响，而内部缺陷含量又取决于加工和后处理条件。通常，由于缺陷的存在，3D打印零件的疲劳强度通常低于锻造材料产品。然而，与锻造材料相比，经过热等静压处理具有最小化缺陷的3D打印试样具有同等甚至更好的疲劳强度；与铸造材料相比，经优化工艺和去应力的3D打印试样也具有同等甚至更好的疲劳强度。 锻造和经热等静压处理的SLM制造TC4合金的全反向轴向疲劳试验的叠加结果 3D打印零件经表面加工处理后，裂纹萌生点会转移到亚表面缺陷，而内部缺陷是高周疲劳的主要失效机制。对于裂纹萌生发生在极短寿命内的内部孔隙的情况，可观察到过早失效。通过总结在各种研究中观察到的影响3D打印金属疲劳性能的缺陷特征发现，气孔、未熔合缺陷和未熔化颗粒的尺寸、位置、形状、密度、相互作用和取向都会影响疲劳性能。 3D打印零件在微观结构和缺陷方面都表现出各向异性。缺陷取向对疲劳性能的影响对于包含大的未熔合缺陷的试样更为显著，这与诸如由于夹带气体导致的孔之类的更大球形缺陷相反。大的缺陷通常形成在层之间，并且会根据加载方向发生不同的相互作用。各向异性甚至可能导致具有复杂几何形状的大型组件的各个位置处的特性发生变化，因此在打印过程中还需关注零件的摆放方向。 孔径对EBM Ti-6Al-4V疲劳寿命的影响。SN曲线仅显示那些因孔隙而失效的样品 对于气孔和不规则形状的未熔合缺陷（可能含有部分熔融颗粒），后者边缘的高应力集中通常也比前者大，并且在层间拉长，这使得它们对疲劳性能更不利，并导致更高程度的各向异性。与未熔合缺陷不同的是，气孔在不同方向上的分布大致相似，因此不会影响性能的方向性。 减少缺陷、提高疲劳性能的手段 使用高质量粉末和优化工艺参数（如层厚、能量输入、构建方向、扫描策略、扫描间距和扫描速度），仍然是减少缺陷的重要手段。后处理虽可以提供另一道保障（如热等静压可以减小缺陷尺寸和减少缺陷数量）但是不能将其完全消除。其他方法，如在打印过程中进行基板预热并保持在一定温度下，以及维持适当的冷却速度也会影响最终产品的缺陷含量。 与传统制造的零件类似，后处理也可以改善3D打印零件的疲劳性能。热处理手段包括消除应力、在不同温度下退火、热等静压（HIP）等；常规表面处理有机械加工和抛光、喷丸或表面涂层等；除了传统的表面处理方法外，最近还提出了振动磨削、电抛光、表面机械研磨处理和超声波纳米表面改性等技术。 电解抛光的医疗植入物 增材制造复杂结构件磨粒流抛光效果 热处理对孔隙率的影响不大，但热等静压已经证明可以显著减少缺陷的数量和大小，恢复微观结构，并提高材料的疲劳性能。不过，大的缺陷可能会在热等静压过程中变平，转变成CT无法检测到的裂纹状缺陷，从而对疲劳寿命不利；此外，热等静压可以极大减少内部缺陷，但对工艺固有粗糙度却没有显著影响，该工艺不能消除表面缺陷，以及与表面非常接近或相互连接的内部缺陷。因此最好的策略似乎是在热等静压后进行表面处理，如表面加工，以消除现有的表面粗糙度和近表面缺陷。由于局部塑性变形较小，在较长的疲劳寿命下，缺陷对疲劳性能的影响更为显著。 总的来说，减少缺陷、提高材料的疲劳性能，不仅要从工艺上尽量减少缺陷的产生，热处理和机械处理也要进一步通过减少缺陷、消除残余应力、改变微观结构和改善表面质量来影响零件的疲劳性能。 注：综述原文已上传（41页）。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.动画揭示激光金属增材制造过程中的熔体流动行为 2.增材制造中表面光洁度的重要性，及光整加工技术的种类和应用现状 3.【高被引综述】增材制造制备新材料的研究进展 4.顶刊评述：金属3D打印或成高温合金的颠覆性技术！

传统的金属增材制造技术均采用高能热源将材料熔化，这在材料的熔化/凝固过程中难免产生缺陷。本期我们要介绍的是一种新型的增材制造技术，它完全不基于高能热源，也不需要保护气氛，还能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整体构件，它就是搅拌摩擦增材制造技术。近日，美国公司Meld Manufacturing采用该技术打印出了直径3.05米的铝合金零件。 3D打印的直径3.05米的零件 搅拌摩擦增材制造的基础是搅拌摩擦焊技术，它利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。这样的焊接方式没有经过金属的熔化与凝固，只是经过塑性软化和轴向的挤压，连接处在材料性能上存在一定的优势。 搅拌摩擦焊的原理 搅拌摩擦增材制造就是基于搅拌摩擦焊的原理，把分离部件“连接”变成纵向的“堆积”，材料在高速旋转的刀具作用下摩擦生热，同时搅拌针的旋转使得前进侧的材料跑到返回侧，这样摩擦以及塑性变形产生的热量使材料软化，再在刀具的纵向压力下形成熔核组织; 刀具在控制系统的控制下按照预定的轨迹运动就会形成一个由焊核组织构成的“纯核”构件，最终实现增材制造。  Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造过程 搅拌摩擦增材制造的三种进料方式   笔者查询资料发现，搅拌摩擦焊增材制造有三种进料方式，分别是板材、旋转棒料和粉末三种。基于板材的进料方式很容易理解，但从Meld Manufacturing的制造过程来看，很显然不是这种方式。从其原理图可以看出，它采用的应当是棒材进料。 meld manufacturing搅拌摩擦增材制造原理 meld manufacturing搅拌摩擦增材制造视频演示 以棒材的进料方式已经证明了可以得到多道多层的成型件，其最大的特点是在送料和刀具上，也就是进料棒还充当了“刀具”的角色，起到摩擦挤压的作用，所以此模式的材料利用率很高。对于以板材为进料的方式，其进料上主要是根据需要逐层添加板材，然后用独立的刀具进行摩擦增材制造，在材料利用率上打了很大折扣，而且由于进料板的先前形状，在成型件形状上有了限制，所以成型控制性较差。另外，此方式需要夹具对进料板进行固定，给加工过程带来不便。以粉料添加进料的方式，可随刀具运动实时添加，具有很高的材料利用率和很好的成型控制性。  基于多层板材的搅拌摩擦焊 搅拌摩擦增材制造的技术优势   这三种进料方式的一个共同特点，也是该技术本质上的优势，就是经过摩擦搅拌过程可以得到性能良好的微观结构(细晶组织)，而这正是实现良好机械性能的本质。进料通过与搅拌针摩擦生热，发生塑性软化，然后再通过两者的挤压，实现增材过程。在这样的过程中，材料并未经历熔化与凝固而一直保持固态，且过程中的挤压又起到“锻造”作用，最终得到的是性能良好的细晶组织。细晶组织具有良好的机械性能和疲劳性能，且能改善材料的延展性，这也是材料提高强度等性能的原因。 Meld Manufacturing采用搅拌摩擦增材制造的部件 此外，由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加。 同其他大型金属增材制造技术一样，该技术所制造的零件需要通过铣削才能获得最终成品。 搅拌摩擦增材制造可成型材料和应用   虽然可查询到的资料多以铝合金的搅拌摩擦增材制造居多，但Meld Manufacturing已经成功开发出钛合金、铜合金、不锈钢以及镍基合金等主流材料的3D打印工艺。所制造的IN625的疲劳寿命相比原料棒材提高了4倍，并能够以至少10倍于粉末熔融工艺的速度进行材料沉积。而且，该工艺能够制造多金属材料和梯度材料。 Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造的铜合金部件 Meld Manufacturing的搅拌摩擦增材制造技术已经在大型卡车和国防装甲车辆中获得应用，该公司被美国陆军选为远征技术服务商，使其尽可能靠近战场进行维修和生产战斗车辆部件，同时提高整体效率并降低成本。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博交流和资料下载群：867355738；网址：  延伸阅读： 1.重磅：国家增材制造创新中心推出“激光增减材复合制造装备” 2.冷喷涂：动力学金属化过程 3.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度 4.连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式

在第二次世界大战之后，出现了“高温合金”一词来描述一种高性能合金，此类材料是专门为了延长暴露于极端高温下的飞机部件的使用寿命而开发。高温合金以镍、铁、钴为基，通过加入合金元素实现多种金属特性的超级融合，能够在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作，成为航空航天、石油化工、赛车等多个行业的支柱材料。 Inconel 718的特点与应用领域 Inconel 718是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金，于1965年开始批量生产，它能够固溶多种合金元素且避免析出低延性有害相，在高温环境中可保持较高的屈服强度、较好的塑性以及良好的加工性能和组织稳定性，使其成为多领域工业应用的理想选择。据统计，当代航空航天发动机用材总质量的一半以上都是镍基高温合金，而Inconel 718的使用量已经超过整个镍基合金使用量的三分之一。 飞机发动机中的材料分布 根据卡诺循环，以更高的温度运转发动机可以提高能源效率，进而使发动机更节能。从压气机、燃烧室、涡轮到保护和支撑发动机的机匣，从航空航天发动机中的诸多静止旋转件到各种螺栓紧固件，Inconel 718被广泛用于制造航空发动机的高温部件。尤其是当今处于领先地位的航空航天发动机，Inconel 718的使用量更大，GE公司著名的CF6发动机质量的三分之一都是该合金，而P&W公司的PW4000发动机中Inconel 718合金的使用量更是超过了该发动机质量的一半。 Inconel 718已经成为航空航天应用的基石，同时，它还在核反应堆（热交换器管道）、潜艇（螺旋桨叶片、快速断开装置、辅助推进马达）、化工（容器、泵、阀门、管道）、发电（工业燃气轮机）、石油和天然气工业（井下管道、井口硬件、火炬臂）等领域有着重要应用。 Inconel 718与不锈钢和钛合金 在苛刻温度环境下的性能方面，镍基合金（如Inconel 718）可能要优于钛合金或钢，镍基合金的氧化保护层进一步提高了机械性能。下表列出了Inconel 718、不锈钢和钛合金的性能。 高性能材料的比强度 3D打印Inconel 718的性能3D打印17-4 PH不锈钢的性能 3D打印316L不锈钢的性能 3D打印Ti6Al4V的性能 3D打印为Inconel 718带来加工与应用潜力 采用非3D打印工艺实现镍基高温合金所需要的设计可能存在挑战性。当使用机械加工、锻造或焊接等传统制造方法时，在工艺开始前往往需要退火，部件的高温腐蚀、抗蠕变性等会受到影响。Inconel 718合金的增材制造结果表明，机械性能并没有被牺牲，甚至可以超过铸造或锻造零件的性能。 除此之外，Inconel 718由于其切削温度高、加工硬化严重等问题，属于典型的难加工材料。对于航空航天应用中通常所需的复杂几何形状，Inconel 718零件的制造往往非常困难且成本高昂。 3D打印的Inconel 718发动机燃烧室衬套 3D打印的镍基高温合金热交换器用于高温高压环境中 3D打印的镍基高温合金火箭发动机 如GE航空这样的航空航天企业已经在飞机发动机制造中使用3D打印的Inconel 718。在最终实现燃料和成本节省的同时，设计自由、零件减少和供应链效率的提高使增材制造成为航空航天业关注的焦点。 3D打印超级合金的低温性能也具有应用潜力，管道和外壳、低温悬挂和支撑系统、叶轮或泵结构、阀杆、冷却管、热管、隔热设计、热交换器，以及高孔隙系统中的气体储存都非常适合高强度高温合金的应用，其温度范围覆盖从-273℃的低温到760℃的高温。 粉末金属的发展以及工业级金属3D打印机的发展，推动了许多行业之间的对话，从而释放了增材制造超级合金的优势。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.顶刊评述：金属3D打印或成高温合金的颠覆性技术！ 2.高温合金增材制造成熟用于武器装备核心部件高质量制造 3.西交大最新：3D打印单晶高温合金突破经典理念 4.航空发动机为何制造困难？1600℃的内外温差对材料有哪些要求？

近几年已经有非常多的增材制造标准陆续发布，从设计指南到材料、工艺、设备、测试以及从业人员资格认证等覆盖范围非常广泛。实际上诸多的标准在目前情况下仍处于探索阶段，随着人们对这项技术的认知逐步加深，相关的标准也在不断完善。 本期，我们列举标准化领域的两大权威组织——ASTM International以及国际标准化组织（ISO）已发布的增材制造标准，并介绍SAE和国内目前正在制定和已发布的标准。 ASTM：致力于完善增材制造标准体系 ASTM于2009年成立了ASTM F42，是最早成立的增材制造技术委员会的标准化协会组织。其主要目标是制定增材制造材料、产品、系统和服务等领域的特性和性能标准、试验方法和程序标准，促进增材制造技术推广与产业发展。 2012年，ASTM F42发布了F2792-12a 增材制造术语标准，并于2015年与ISO合作对该标准进行了修订，发布了第一份ISO/ASTM联合标准，对增材制造技术推广及产业发展中的术语与定义进行了规范。截至目前，其制定的标准规范如下： 应用 指定 标题 ISO / ASTM52942-20 增材制造—任职资格—航空航天粉末床激光熔融设备操作员 设计 指定 标题 F3413-19 增材制造指南—设计—定向能量沉积 ISO / ASTM52910-18 增材制造—设计—要求，指南和建议 ISO / ASTM52911-1-19 增材制造—设计—第1部分：金属粉末床激光熔融 ISO / ASTM52911-2-19 增材制造—设计—第2部分：聚合物粉末床激光熔融 ISO / ASTM52915-20 增材制造文件格式规范（AMF）1.2版 材料与工艺 指定 标题 F2924-14 用于粉末床熔融增材制造的Ti6Al4V标准规范 F3001-14 用于粉末床熔融增材制造的Ti6Al4V ELI标准规范 F3049-14 用于增材制造过程的金属粉末特性表征的标准指南 F3055-14a 用于粉末床熔融增材制造的镍基合金（UNS N07718）的标准规范 F3056-14E1 用于粉末床熔融增材制造的镍基合金（UNS N06625）的标准规范 F3091 / F3091M-14 塑料材料粉末床熔融标准规范 F3184-16 用于粉末床熔融增材制造的不锈钢合金（UNS S31603）的标准规范 F3187-16 金属定向能量沉积标准指南 F3213-17 增材制造标准–成品性能–通过粉末床熔融工艺制备Co28Cr6Mo的标准规范 F3301-18A 增材制造标准–后处理方法–通过粉末床熔融工艺制造的金属零件的热处理标准规范 F3302-18 增材制造标准–成品性能–通过粉末床容易制备钛合金的标准规范 F3318-18 增材制造标准–成品性能–通过粉末床激光熔融工艺制备AlSi10Mg的标准规范 F3434-20 增材制造指南–用于生产制造的粉末床激光熔融设备的安装/操作和性能鉴定（IQ / OQ / PQ）…

10月15日，美商务部再将六项新兴技术添加到《出口管理条例》的商务部管制清单中，其中包括混合增材制造、光刻软件和5nm生产技术。至此，受到出口管制的新兴技术总数已经达到了37项。美国商务部在官网发布公告中写道：“此举是为了支持关键及新兴技术这一国家战略”。实际上，就增材制造技术而言，我国早也已经将同类技术纳入了“中国限制出口技术目录”。 公告指出，最新商业出口管制中的新兴和基础性技术的出口将对美国国家安全起到至关重要的作用，这六项新兴技术为： 混合增材制造/计算机数控工具 特定的计算光刻软件 用于为5nm生产精加工晶圆的某些技术 有限的数字取证分析工具 用于监测电信服务通信的某些软件 亚轨道航天器 所谓混合增材制造，是将增材和减材集于一体的新型制造方式。它主要采用激光熔融与CNC加工相结合，可以用工业机器人、3轴或5轴联动切削加工机床、商业化的SLM机床等相结合，通过独立的增材与减材机器（机器人交换工件）、将增材制造装置安装在主轴上（无刀库）、在机床上安装永久性的增材制造头、或者是在商用SLM机床上进行设备重构来实现。本文叙述的重点主要包含前几项。 国外增减材混合增材制造设备及重要应用   金属增材制造技术在加工精度上与传统加工相比较低，因而受到极大限制。将增材制造与传统加工工艺有机地集成起来，成形件加工完成后无需后处理即可直接投入使用，大幅缩短了制造时间和生产成本，还可拓宽原材料范围，减少生产过程中切削液的使用，实现绿色加工。近年来，增减材混合加工工艺与装备不断涌现，在提高制造精度，增大制造尺寸、提高生产效率等方面取得多项进展。 1. 洛马公司建造世界首台多机器人增减材混合制造系统 几年前，洛马建成了世界上首台“多机器人增减材混合设备”，该设备由两个机器人串行工作，具备增材制造、减材加工和工艺过程监测、尺寸检查、热测量等多种功能，适用于多种材料加工，能够显著提升大型复杂结构的制造效率，降低制造成本。 洛马公司多轴激光束沉积打印机 洛马公司增减材制造的卫星燃料箱体 2018年，洛马公司使用电子束增减材制造技术生产了迄今为止最大的3D打印空间零件—卫星燃料箱体。采用该工艺，使部件减少了超过80％的材料浪费，并将总交付时间从两年减少到三个月，同时部件经过了严格的质量测试，使其能够承受严峻的发射和长达数十年的空间真空任务。目前，该部件已作为标准件用在了LM 2100卫星平台上。 2. Relativity Space世界最大金属3D打印机，一个手臂打印，两个手臂切削 在本月Relativity Space最新的在线讲座中，其工程师介绍了该公司的世界最大的“Stargate”的3D打印机。它基于定向能量沉积技术，拥有三只庞大的机械臂，一只用来熔化金属丝进行增材制造，另两只则用以进行减材加工。依赖智能数据驱动和机器学习控制算法，该打印机可协作进行增材和减材加工以制造复杂几何形状。 三只机械臂，一只进行熔丝增材制造，另两只用来进行减材加工 Relativity Space分别拥有若干台可以打印15英尺（4.5m）、20英尺（6m）甚至30英尺（9m）的“Stargate”的3D打印机，可同时打印第一级和第二级火箭以及整流罩。 Relativity Space世界最大金属3D打印机 尽管火箭通常由数千个单独的零件组成，但Relativity Space公司设计的零件却合并了一些部件，他们的火箭零件数量是同类火箭的零件数量的1/100（Terran 1火箭只有730个零件）。目前，Relativity Space可以在30天内打印出整个整流罩，能够在短短60天内生产出整枚火箭。 3. DMG MORI多金属增减材复合制造 DMG MORI公司独特的混合式（增材制造与传统制造结合）加工解决方案，是一项令众人瞩目的技术，它将铣削加工技术与激光金属沉积加工工艺结合在一起，应用于一台具有完整铣削功能的激光熔覆加工机床上。 灵活结合增材制造与铣削加工，生产成品质量的3D工件 LASERTEC 3D hybrid是DMG MORI推出3D打印混合制造打印机，这台“机床”中融合了5轴喷粉堆焊和5轴联动铣削加工技术，可交替进行堆焊、铣削以及车削加工。 增减材一体实现 DMG增减材一体设备制造的火箭发动机部件 但基于激光堆焊的增减材一体制造工艺不仅可生产非常复杂的几何形状，而且同时可解决3D打印的表面质量问题及材料复合问题。2019年5月，卫星发射公司Virgin Orbit采用DMG MORI增减材一体式设备为NASA打印了发动机燃烧室，其内衬采用GRCop-84铜合金，外部为镍基高温合金，其结构与材料与传统设计完全相同，制造工期则节省了数月时间，热火试验更证明了基于该工艺制造的复合材料部件与传统制造的性能相一致。 除上述公司之外，能够开发增减材混合制造设备的国外知名公司还有Optomec、沙迪克、Mazak等公司。篇幅所限，不一一赘述。 国产增减材混合增材制造设备，已被纳入禁止出口名录   2020年9月，国家增材制造创新中心重磅推出了“五轴激光增减材复合制造装备”，能够实现增材成形和减材加工的自由切换，完美呈现精密复杂结构零件精整加工，满足增减材复合制造及修复再制造的需求。对于具有内腔、内孔、内流道的复杂零件，在工艺制定阶段，可以将其分段制造，逐段增材、逐段切削，实现内腔的加工来保证质量。 国家增材制造创新中心“五轴激光增减材复合制造装备” 武汉天昱智能制造有限公司与华中科技大学合作开发的微铸锻铣一体化增材制造机床（点击），是针对航空、航天等行业对大型钛合金结构件的一体化制造需求而研发的，集成了电弧 / 等离子弧快速成形、柔性微型轧制、数控加工、惰性气氛保护等多种技术于一体，在熔积成形过程中对熔积工艺参数、熔积层表面形貌、制件冶金质量进行在线实时检测，对于在增材成形过程中产生的表面裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷的无损检测，采用多种无损探伤集成装置，判定缺陷的大小、位置、性质和数量；采用快扫红外热像仪测量成形件的温度场和热循环曲线、视觉成像分析诊断系统，监测电弧弧柱特征和熔池形态，并进行数控减材加工，达到制造件的质量要求。 武汉天昱微铸锻铣复合增材制造机床 微铸锻铣复合制造技术由于突破了增材技术无法制造锻件的瓶颈，一经问世便获得了GE、空客、商飞、西飞、成飞等大型企业的高度关注，并展开了相关合作。目前，该技术也已被列入“中国限制出口技术目录”。 此外，国产增减混合五轴加工中心相对于国际同类装备具有更高的性价比。大连三垒机器股份有限公司研发的 SVW80C-3D增减材复合五轴加工中心，是金属喷粉激光熔融与立式加工中心复合机床。采用2kW光纤激光器，工件最大回转直径1000mm，工作台最大承载850kg，主电动机最大功率36kW，主轴最高转速12000/min ，X/Y/Z 轴行程800mm/800mm/600mm，X/Y/Z 快移速度48m/min，A/C 轴转动范围±120°/360°。 国产增减混合五轴加工中心SVW80C-3D快速制造复杂零件 除上述知名企业外，国内可开发增减材混合制造设备的公司还有北京机电院机床有限公司、上海航天一亘智能科技有限公司、青海华鼎装备制造有限公司等单位。 END 由以上国内外增减材混合制造设备的研发现状可以看出，国外针对增减材混合制造的研发起步早，已出现了一批商业化的增减材混合制造机床。国内针对增减材混合制造的研发起步较晚，但是研发势头较强，正在迎头赶上，而且还出现了国外所没有的一些特色增减材混合制造机床。随着增减材复合制造技术的发展和逐渐成熟，将涌现出越来越多功能强大的复合制造设备，涵盖越来越多的应用领域。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度 2.3D打印铣床—混合制造的特点与优势 3.3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 4.国家增材院课程：金属熔丝高效低成本增减一体化制造技术及应用

10月20日，Velo3D推出新一代具有“超大容量”的Sapphire XC 3D打印机，φ600x550mm的构建体积与上一代φ315x400mm的成型尺寸相比，吞吐量提升了五倍，并且能够将零件的制造成本最高降低75％。 Velo3DSapphire XC3D打印机 配备8激光器的无支撑金属3D打印机 Sapphire XC配备了八台1000W的激光器，与上一代产品的两台相比，可实现更高的生产率和打印速度。除了这些主要差异之外，新系统保持了该公司一贯的体系结构，如光学设计、重复涂铺技术、气流技术和计量系统，Flow预处理和Assure质量控制软件同样集成在内。不需支撑结构进行大尺寸零件增材制造对许多工业最终用户来说非常有吸引力。在粉末床激光熔融系统中，大型组件的质量保证至关重要，任何制造失败都会造成严重的经济损失。Velo3D指出，其集成化的解决方案已经证明可以生产出更高产量的高质量零件，随着各种基础技术应用在Sapphire XC打印机上，客户将首次对增材制造大尺寸零件的质量拥有最好的信心。 Sapphire XC配备Velo3D集成化的解决方案 目前，Velo3D可打印的主要材料包括F357铝合金、Ti6Al4V、In718以及HastelloyX高温合金，Sapphire XC在3D打印材料的特性方面也与以往无异（点击查看材料性能）。 Velo3D IN718常温机械性能（垂直建造方向） 除Sapphire XC之外，今年4月Velo3D还推出了成型尺寸为φ315*1000mm的Sapphire 1MZ，与前者一起组成该公司第二代产品系列。在本次的新品宣传中，Velo3D还宣布将对初代Sapphire打印机进行软件和硬件升级，推出Sapphire Gen 2系统，有望将生产率和零件成本指标提高10-50%，而升级可在已安装的系统上进行改装（对此，国内的打印机制造商应该反思）。 Sapphire1MZ Velo3D旗下的 Sapphire系列产品专门用于解决航空、发电和能源市场对具有质量保证的复杂几何形状制造长时间以来未能得到满足的需求，因此日渐受到这些领域的关注。目前，Velo3D已经收到13个新增材制造系统的预购订单，因此可以看出终端用户对于其技术的认可以及对传统金属粉末床激光打印技术制造弊端的“无法容忍”。 “剑走偏锋”，创新传统打印工艺，全方位保障产品质量我们在此前的文章中曾经指出，目前金属3D打印机的形制基本上都大同小异，而技术的弊端却显而易见，谁能打破常规，谁或许就能创造新的营收空间。像Velo3D这样“剑走偏锋”的企业确实已经不少，但目前最成功的或许也只有这一家。SLM Solutions自去年开始宣布将推出12激光器的SLM打印机，近一年过去，其基于“下一代”打印机所制造的样件已经看了许久，12激光器的打印机尚未等来，Velo3D 8激光器打印机却率先登场。 VELO3D打印的高质量零件 当前，能够显著增加打印速度又能保证产品质量的有效手段是增加激光器的数量，国内外几乎所有能够实现工业生产的金属打印机制造商均在朝着多激光的方向迈进，目前已经有公司正在研发配备6激光器、成型尺寸达2米的金属SLM打印机。然而多激光同步打印带来的质量问题远比单激光要多，要复杂。 大尺寸零件的打印需要多台激光器协同工作，此时便出现了因激光器数量增加产生的扫描场域对准问题（或称拼接的准确性问题）、激光分配问题以及多光束的互不影响问题等，这对航空航天部件和其他大型部件影响显著。 Velo3DFlow预处理软件 Velo3D为此配备了一键式校准解决方案，只需点一下按钮，校准程序就可以对打印机的精度和一致性进行检查；在工作过程中，系统也会每隔几层自动检查激光对准情况，从而在出现问题之前消除任何漂移。除此之外，每次构建之前系统还会自动检查耗材的级别或寿命，并在机器监视器上显示相关信息。 在打印工艺方面，Velo3D在系统中配置有超过20种标准化的参数组合，用户只需要在Flow预处理软件中点一下按钮就可以自动根据零件的特征选择合适的工艺参数。这样可以节省数月的开发时间，并减少对专业技术人员的需求。 Velo3D Assure质量保证系统 Assure质量保证软件则可以逐层提取和跟踪数据，从而可以对机器的运行状况进行详尽记录，监视构建过程的任何缺陷确保生产质量，并最终提供详细的构建报告。 总的来说，Velo3D在其增材制造系统中集成了相当多的先进技术来解决传统SLM技术所面临的挑战，着力于满足生产领域对于效率、质量一致性以及加工稳定性的需求，这无疑能够推动增材制造技术在批量零件制造中实现更广泛的应用。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.多光束下的3D打印系统（二）：激光对齐校准将严重影响大尺寸零件的打印质量 2.VELO3D无支撑金属3D打印材料性能数据报告 3.全球首架自主研发超音速飞机XB-1将VELO 3D现有技术扩展到了绝对极限 4.SpaceX首次载人火箭发射成功，3D打印发挥作用，开始纳入Velo3D无支撑金属打印

经过十年的试验和完善，制造商已经将航空和医疗领域中小型零件的增材制造转向更大规模和尺寸的应用。在很大程度上，这是由新兴的商业航天公司和美国其他大型国防承包商推动的。在这里，重点主要放在结构和推进组件上，很多公司正在从设计和机器的角度寻求功能的突破，在保持SLM打印质量的同时，整合越来越多和越来越大的零件正在成为趋势。尽管大型零件的增材制造设计和制造具有极大的吸引力，但同时也充满挑战，如零件几何形状、支撑的角度、打印机的功能，以及粉末质量、重量和可追溯性等都需要被考虑。 3D打印的优化设计需要多团队密切合作 GE Additive的高级设计工程师Mark Fuller解释，“在项目开始时，多名设计人员、工程师以及其他分析人员会聚在一起，记录哪些是重要内容以及为什么重要。通常，大家面对的都是一个看起来很笨重的传统零件，设计师需要对其进行优化使其更易于打印。当开始更改一些功能或特征时，必须了解它是否更容易构建。在正式进行零件生产之前，工程师会进行零件预打印，以便验证和量化一些较高风险的区域。” GE Additive的首席制图技术员Bill Schneider对此表示同意，自2014年以来，其一直在从事增材设计工作，即便准备上机打印之前也会发现一些复杂情况，如文件大小以及文件管理等。大尺寸零件的复杂度会呈指数级增长（文件越复杂，文件越大，给打印机软件的识别带来困难），此类零件的打印会花费几天甚至一周时间，有时甚至更长的时间。这就是准备工作非常重要的原因，严格遵守设计规则并与各团队保持沟通，投入足够的精力才能保证成功构建。” 3D打印将中框结构的300个零件合并为1个 GE Additive的SLM产品经理Du Cauze de Nazelle指出，大型零件的3D打印设计与200x200mm的零件完全不同。“增材设计的学习曲线非常陡峭，多年来，我们已经在大型市场和设计领域获得了很多专业知识，因此在这个增长领域为合作伙伴提供支持是我们工作的关键部分。我们将继续学习，如何在更大的设计规模上纳入小尺寸特征，以及是否有额外的考虑因素。我们一直在重新思考如何设计零件或整个系统，前所未有的设计自由度将带来显著的性能提升，并改变我们设计太空飞船或飞机发动机的方式。” 3D打印的零件设计具有不同的复杂度等级 业界一致认为，这种设计自由只是大型零件增材制造改变行业的开始。 预计到2040年，全球航天工业将产生1.1万亿美元或更多的收入，而航空和汽车工业正在研究在疫情之后它们如何更好地重建，很明显，大型应用的增材制造将会越来越多。GE Additive将继续开发软件，实现工具和流程的自动化，使行业中的每个人都受益，推动大尺寸零件的设计。 3D打印将中框组件原来的50处维修点减少为5处 Mark Fuller补充说：“经验确实没有任何取舍。为了充分利用我们在通用电气学到的知识并继续深化对增材制造技术的掌握，我们正在考虑实现设计过程的自动化，软件将帮助发现潜在的问题，并让设计人员知道他们需要调整以及可能构建失败的区域。多激光在快速打印大尺寸零件方面具有显著优势，而打印机的质量和重复性则至为重要。 实际3D打印的中框结构 内置3D打印B型油箱的燃烧室外壳 3D打印将燃油加热器的零件数量由300个减少到1个，将曾经可能出现的燃油泄漏问题完全排除 2016年GE收购Concept Laser ，随后这一品牌的金属打印机就鲜少出现在市场范围内，GE已经将其纳入内部生产体系，Concept Laser X Line 2000R便是其中的杰出代表。 Concept Laser X Line2000R非常适合在航空航天和汽车工业中生产大型组件X Line 2000R的打印尺寸为800×400×500毫米，生产容积为160升，是世界上最大的粉末床激光熔融设备，用于无工具制造具有可重复材料特性的大尺寸功能部件和技术原型。由于该设备提供的大型构建平台可以容纳更多零件，因此还可以提高生产效率。 实际上，GE Additive的主要工作在于设计，最终的零件生产需要委托服务商。Protolabs是与GE Additive 重要的合作伙伴，其大部分金属3D打印客户都分布在航空航天、工业机械和医疗领域。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 2.GE Additive：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺 3.由GE赞助的增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 4.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？ --广告--

这项工作证明了利用增材制造热循环在不改变成分的情况下细化晶粒的可行性。SLM打印态的CP-Ti表现出34.3%的极高塑性，无明显机械各向异性。 增材制造中金属和合金的晶粒细化一直吸引着人们的极大兴趣，它促进了细等轴组织的形成并降低了热开裂倾向，从而在打印态下即可得到均匀且改善的机械性能。通常，增材制造过程中的晶粒细化可以通过与材料或工艺相关的策略来实现。前者通常涉及添加成核颗粒或限制生长的溶质，这在轻金属和合金的常规铸造中已得到充分研究。在过去三年中，此类晶粒细化手段已在铝合金增材制造过程中得到应用。 钛和钛合金由于缺乏有效的成核剂，在增材制造工艺中实现晶粒细化极具挑战性。目前已经表明，通过添加具有高生长限制因子的溶质（例如硼、铜、钨），可以改善增材制造的工业纯钛（CP-Ti）和Ti6Al4V的微观结构，尽管有显著的晶粒细化并因此提高了强度，但由于形成了脆性的金属间化合物，因此牺牲了延展性。此外，大量添加外来元素或颗粒会导致与“标准”成分的显著偏差，从而形成了新开发的钛基合金或复合材料，而非微量改性合金。 不同Cu添加比例的钛合金机械性能 通过调整增材制造过程中的外部和内部加工参数来控制晶粒度也是一种重要手段。研究表明，将高强度超声应用于直接能量沉积（DED），可以将Ti6Al4V的柱状晶转变为等轴晶。然而这项技术不能扩展到粉末床熔融（PBF）工艺，因为超声波会破坏粉末层。因此，调整工艺参数仍然是细化晶粒的常用方法。 通过SLM制备的Ti6Al4V可以通过原位或非原位热处理来控制相组成，从而调整力学性能；SLM制备的CP-Ti在室温下表现为单一的α/α’相，其力学性能在很大程度上取决于粒度。有文献证明，SLM制备的CP-Ti的微观结构通常是沿打印方向的柱状晶粒，这导致了机械性能的各向异性；而EBM制造的CP-Ti的微观结构由细等轴晶粒组成。那么能否通过调整SLM的打印参数实现CP-Ti的原位晶粒细化呢？ 近日，来自昆士兰大学和丹麦技术大学的研究人员揭示了采用SLM制造CP-Ti实现原位晶粒细化的可能性及其潜在机理。制备的CP-Ti表现出34.3%的极高塑性，无明显机械各向异性。这项工作证明了利用增材制造热循环来细化金属晶粒而不改变成分的可行性。 SLM过程中原位晶粒细化的示意图 钛合金经调质处理或淬火后，常出现高密度位错，这与高冷却速度有关。考虑到SLM高冷却速率的制造特点，势必也会形成大量位错，但实际情况是沿打印方向的顶端常具有相对较高的位错密度，而底部则由于不断的热循环加热导致位错逐渐湮灭，造成了一种打印过程中“固有热处理”的效果。在本研究中，使用的较高的能量密度使已打印区的CP-Ti的温度可以保持在再结晶退火的温度范围内，结果导致底部区域原位实现了显著的晶粒强化。 EBSD图对应于样品靠近顶部表面的顶部和下部区域：（a1）和（a2）IPF贴图（黑线表示错误对准角≥15°的边界），（b1）和（b2） KAM图，（c1）和（c2）GOS图（GOS值<1.5°的晶粒被视为重结晶晶粒）。 SLM对CP-Ti的多物理场模拟：（d1）ZX平面（平行于扫描方向）的温度轮廓和速度场，其中黑色轮廓线表示熔池边界，（d2）温度轮廓和速度场在 ZY平面（横向于激光束下方的扫描方向），以及（d3）SLM过程中计算域的3D视图。 同时可以看出，晶粒大小沿打印方向呈现梯度分布。当热循环峰值温度低于β-转变温度时，大循环重熔是一个“固有”退火过程，在此过程中发生再结晶，再结晶的驱动力来自晶粒内部位错的储能。因此，大的母晶逐渐被再结晶晶粒所消耗，导致微观结构强化。 （a）SLM以Ev = 69.4 J / mm3制作的CP-Ti的工程应力-应变曲线（沿构造方向和扫描方向进行测试），以及断层表面的SEM图像和（b）（b）通过不同制造工艺制造的CP-Ti的屈服强度与伸长率 研究发现，较高的体积能量密度有利于晶粒细化。似乎存在一个临界的体能量密度，只要在该能量密度上就可以进行完全的晶粒细化。SLM打印态的CP-Ti的屈服强度为502.2±1.7 MPa，延伸率极高，达到了34.3±0.5％。此外，在沿打印和扫描方向测试的样品中均未发现各向异性。断裂面在较高放大倍数下显示出面积显着减少和韧窝前移，这是典型的韧性断裂。将文献中可获得的拉伸性能数据与当前工作进行了比较，SLM制造的CP-Ti具有很高的数据分散性，但大多数显示出比其常规制造的同类产品（如铸造和退火）的ASTM标准更高的屈服强度。 注：本文内容来自3D打印技术参考，研究原文已上传QQ群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.可替代Ti6Al4V | 结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料 2.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性 3.中国学者 | 动画揭示激光金属增材制造过程中的熔体流动行为 4.知识回顾：粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制

在《南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战》一文中，我们已经介绍了顾冬冬教授关于航空航天领域高性能金属材料的综述，以铝、钛为代表的轻质高强合金，以及以Ni基高温合金为代表的承载耐热合金，是激光增材制造中重要的应用材料；轻量、大型、整体及复杂结构则是增材制造主要的发展方向，这其中包含了非常多复杂而先进的科学问题。本期，我们继续跟随顾冬冬教授的脚步进行深入学习。 一、大型金属构件的激光增材制造 应用于航空、航天、船舶、核电等现代工业的大型金属构件正朝着复杂化、一体化、高性能化方向发展，激光能量沉积技术已证实可满足大型金属构件的成形要求。然而若要在钛合金、镍基高温合金、高强钢、难熔合金等难加工金属材料大型关键构件上获得更广泛的工业应用，仍需进一步解决两大关键难题： 1. 高能激光长时间剧烈非稳态循环加热和高速冷却条件下，成形材料的晶粒形态及显微组织很难控制，以凝固晶粒、内部缺陷及显微组织为核心的冶金质量和性能控制是激光增材制造大型金属构件的基础难题； 2. 激光增材制造过程中热应力、组织应力、凝固收缩应力等多种类型复杂应力的累加与耦合，易导致大型金属构件变形，甚至开裂，大大制约了大型金属构件激光增材制造的控形与控性。 有研究指出，增材制造技术实现工业应用的最大障碍是成形件中的热应力及多种结构缺陷。北京航空航天大学王华明院士认为，内应力及变形开裂是长期制约金属构件激光增材制造技术发展的瓶颈。钛合金密度低、比强度高、耐蚀性强，已被广泛应用于飞机发动机构件、主承力构件、起落架等，但其较差的加工性能制约了它的工程应用范围。 经过多年研究，王华明院士团队突破了飞机钛合金大型主承力构件，TA15、TC4、TC11等大型复杂整体结构主承力飞机钛合金加强框及 A-100超高强度钢飞机起落架等关键构件的激光增材制造，并实现了主承力构件的装机应用。 大型整体金属构件的激光熔化沉积制造 (a)钛合金飞机大型关键主承力构件；(b)航空发动机梯度性能钛合金整体叶盘；(c)轮盘-叶片梯度过渡区的凝固晶粒组织　 西北工业大学黄卫东、林鑫教授团队面向中国C919中型客机的需求，利用激光能量沉积技术制造了TC4合金体系C919飞机翼肋缘条，其长为3100mm，探伤和力学性能测试结果皆符合中国商飞的设计要求。 (a)LMD成形C919钛合金翼肋缘条 (b)SLM成形钛合金风扇叶片包边 (c)SLM成形镍基高温合金发动机机匣 此外，近年来大型SLM装备的发展为结构更为复杂的大型整体金属构件的成形开辟了新途径，基于SLM成形的钛合金风扇叶片包边长度可达1200mm，具有复杂的空间曲面结构，且成形尺寸精度较高；基于SLM成形的镍基高温合金发动机机匣尺寸达到了Ф576mm×200mm，为发动机关键零部件的设计、制造及应用验证提供了重要的技术支撑。 二、复杂整体结构的SLM制造 随着航空航天领域对热端部件服役性能要求的日益提高，整体结构的设计与制造越来越受到重视，内含复杂内流道、多孔点阵等难加工结构，已超出了传统工艺的制造能力，而基于SLM技术可使这些复杂整体结构的快速制造成为可能。 整体结构的增材制造技术已证实对未来空间探索至关重要，NASA提出了火箭发动机核心部件“制造速度提升10倍、生产成本降低50％以上”的目标。其采用SLM技术实现了氢火箭助推器的整体制造，继而实现了结构减重、制造效率和服役性能的显著提升；火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件的打印和应用是其近年来的另一项成功实践，该案例克服了铜材料的高反射和微细流道结构优化以及激光增材制造成形质量的多重挑战。这种大型复杂结构的整体制造，为增材制造技术的发展提出了更高要求。 NASA基于SLM成形的铜合金整体构件及性能测试。(a)NASA和AerojetRocketdyne公司开展的激光增材制造构件点火试验；(b)火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件 美国GE公司基于SLM技术研发了发动机新型燃油喷嘴，这是近年来复杂整体结构增材制造航空工业应用最为著名的案例。燃油喷嘴作为典型的复杂装配体，无论是成形制造还是装配组装，工序多、工装多、耗时长、成本高，且加工精度及稳定性很难达到使用要求，对于传统制造技术来说都是一大挑战。针对这一难题，GE公司采用SLM技术加工IN718镍基高温合金，实现了燃油喷嘴的整体设计与制造，将原先20个小部件的“组件”变成一个整体的构件。这不仅消除了不同部件之间冗余的连接结构，还对燃油喷嘴结构进行了优化。最终整体设计制造的燃油喷嘴实现了25％的减重效果，同时缩短了制造周期，降低了生产成本，且使用寿命提升了5倍以上。 GE公司基于SLM技术制造的航空发动机燃油喷嘴构件。(a)先进涡桨发动机(ATP)；(b)燃油喷嘴在发动机内的工作原理；(c)激光增材制造燃油喷嘴构件 三、轻量化点阵结构的增材制造 对于航空航天飞行器而言，减重是永恒的主题，而传统制造方法已将零件减重的可能性发挥到了极致。将点阵结构优化设计与增材制造技术相结合，可使构件具有高比强度和高比刚度等优异的力学特性。激光增材制造因具有叠层自由制造的工艺特性，赋予了复杂轻量化结构极高的设计及成形自由度，可成形传统加工方法难以成形的轻量化复杂点阵结构。 点阵结构在多领域广泛应用 近年来，激光增材制造成形复杂轻量化点阵结构已成为热点研究方向之一，为航空航天等领域轻量化金属构件性能及功能的突破带来新契机。传统经典结构、创新结构以及基于拓扑优化的点阵结构都能为构件性能提升带来突破。 增材制造技术在航空航天点阵结构产品设计与制造领域已展现出一定的发展与应用潜力，并以轻量化和高性能作为主要考核目标。而且，激光增材制造点阵构件已在国际民航客机制造领域获得了实际工程应用。空客公司基于SLM技术设计和制造的仿生点阵结构机舱隔板，在成形材料上选用新型轻质高强铝合金，该在结构设计上基于生物启迪实现了跨尺度仿生点阵结构设计，在宏观尺度上基于“黏菌自适应网络”算法实现了主体结构设计，在微观尺度上则借鉴了骨骼生长的生物灵感，完成了超过66000个网格的排布，实现了微观网格稠密度与应力分布相匹配，最终使得跨尺度仿生点阵构件较原蜂窝复合材料隔板结构在相同冲力下的位移减少了８％(９mm)，有望批量应用于A320客机上。 空客基于SLM技术设计制造的新型仿生点阵结构机舱隔板.(a) 机舱仿生隔板结构图 ;(b) 机舱仿生隔板实物图 ;(c) 跨尺度仿生结构设计 ;(d) 机舱仿生隔板零部件选区激光熔化成形实物图 四、多功能仿生结构的增材制造 激光增材制造的金属构件正从高性能向多功能发展，Nature以“推开3D打印的限制”为题发表评述指出，材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展，并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”，道法自然，突出生物仿生、生物灵感，以实现预期的功能。 空客为未来航班生成仿生设计 未来增材制造的发展将更加凸显材料创造、结构仿生以及多功能集成优化。生物系统经过数十亿年的进化和自然选择，已形成并优化了其复杂的多层级组织结构，以达到最优的性能/功能来应对环境的变化。许多生物系统具有独特的多功能组合，而这往往是人工合成材料难以实现的。现代分析表征技术已证实，天然材料的优异性能或特殊功能，是依靠其内部复杂的多层次结构实现的，其尺度范围通常横跨纳米尺度到宏观尺度。对于性能/功能驱动的增材制造，基于生物灵感的仿生结构设计，是创新增材制造结构的重要途径之一，并有望实现增材制造结构性能/功能的跃升。 然而，仿生设计在原理上很简单，但在实际制造中却有相当难度，原因主要是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。 顾冬冬教授团队基于下一代高超音速飞行器、空间探测器等航空航天装备的整体化、多功能化发展趋势及潜在工程应用，面向减振抗冲击、隔热/防热等综合功能需求，创新发展了仿生结构及材料布局，实现了仿生结构的激光整体增材制造及其多功能化，其中涉及结构、材料、工艺、功能等多因素的耦合、匹配及一体化调控。 激光增材制造轻量化抗冲击仿生功能结构.(a) 皮皮虾尾节宏观形貌 ;(b) 仿生双向波纹板抗冲击结构SLM加工;(c) 水蜘蛛及其在水下构建的住所—潜水钟;(e)SLM成形仿生网壳结构 仿生设计为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径，但“结构易仿、制造不易、科学更难”，其中涉及的关键科学难题包括：仿生微结构与构件典型功能的映射关系及优化模型；仿生设计的跨尺度结构激光增材制造工艺约束性及成形机制；激光增材制造仿生结构的多功能一体化评价方法及响应机制等。因此，增材制造新技术与仿生结构设计相辅相成、相得益彰，而关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。 思考与展望：激光增材制造技术未来的研究与发展趋势 激光增材制造技术的科学内涵决定了其发展趋势是实现微观-介观-宏观跨尺度的材料-结构-工艺-性能/功能一体化。激光增材制造技术未来的研究与发展趋势中，下列方向值得进一步关注： （1）以高性能/多功能为驱动的激光增材制造材料-结构-工艺一体化，主动实现构件的高性能和多功能； （2）激光增材制造的“多相材料”和“多材料”设计、制备与成形，以实现将“合适的材料添加到合适的位置”； （3）激光增材制造创新结构设计实现构件高性能化和多功能化，以凸显“独特的结构实现独特的功能”； （4）构建面向全尺寸构件和全工艺流程的激光增材制造工艺仿真、监测、反馈及工艺优化关键技术与方法，全面提升激光增材制造工艺技术水平、质量以及工业应用水平。 注：本文主要内容来源于顾冬冬《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》，部分内容参考自《中国激光》。文章原文已上传至QQ群。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读： 1.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 2.航发综述：增材制造典型复杂结构的种类及应用情况