3D打印的金属部件后期精加工工作量很低，磨削有潜力成为满足最终公差的有效解决方案。 增材制造在航空航天和医疗市场的广泛使用促使人们不断提高对精加工增材部件表面的要求，以满足最终应用需求。增材制造工艺能够生产出接近最终形状的组件，显著降低了最终精加工的需求。通过增材制造，可以降低材料浪费率，有利于整体制造工艺，但是这也意味着后续的精加工过程对后处理技术和一致性的要求越发严苛。因此，需保证后处理的一致性，满足部件公差和表面质量要求。在对公差和表面提出更高要求的应用中，磨削可以是增材制造的另一个有效选择。 与其他传统材料去除工艺相比，磨削得到的表面质量和完整性更好。为了进一步了解增材制造的精加工，尤其是应用于航空航天业中的镍基高温合金部件时，Norton|Saint-Gobain公司的工程师对采用增材制造的Inconel 718样品进行了精磨削研究。研究主要围绕3个问题展开：需要从增材制造的部件上磨掉的最低材料量/体积是多少？使用最新一代的砂轮对增材制造的部件进行磨削可以达到怎样的表面光洁度？第三，精磨削对增材制造组件的表面残余应力（如有）有什么影响？ 采用直接金属激光烧结（DMLS）工艺制造的AM IN718样品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供。图1所示为增材制造测试样品。增材制造后，对样品进行介质喷砂处理，完后消除应力。接着是热等静压、固溶处理/退火和沉淀硬化处理。样品硬度为40 HRC。然后使用Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技术中心的Magerle MFP-125.50.65间歇进给磨削机上的Norton NQX60E24VTX2砂轮进行样本磨削，图2和图3所示为测试设置。 图1 磨削前的AM Inconel 718测试样品 图2 整机设置 图3 设备特写 首先，逐渐加大切削深度，进行几个区域的磨削，确定需要清除的最小材料量后，对增材制造的表面进行处理。之后按照规定的切削深度进行磨削，然后检查表面是否存在明显缺陷。图4所示为实验期间部件清理后的样品图片。根据实验结果，为了消除增材制造过程中产生的所有几何不一致性和表面缺陷，需要从组件中去除大约0.30～0.45mm的材料。 本次测试采用的磨削长度为50.8mm，砂轮直径为462mm，工作速度为23m/s。总共对五个的材料去除率（MRR）进行了测试，范围为0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm。通过更改进给速度（mm/min）或切割深度（mm）调整材料去除率。对多个材料去除率进行了测试，以评估中低材料去除率对表面光洁度和磨削能力的影响。尽管可以使用现代工程磨料以较高的去除率对镍基合金（例如Inconel 718）进行磨削，但根据目前工业上用于精加工标准Inconel工件的标准精加工率，本研究选择了较低的材料去除率（图4）。以标准（非增材制造）工件磨削为例，预期结果是，随着材料去除率的增加，磨削功率增加，磨削后的工件表面光洁度（Ra）将增加或表面会变得更粗糙。 图4 部分磨削后的AM Inconel 718测试样品 磨削前后，采用联邦接触轮廓仪系统5000测量工件的表面光洁度，测量点包括工件上的多个位置和两个方向（图5a和图5b）。此外，还在多个位置进行了非接触轮廓仪表面测量。 图5(a)表面光洁度测量方向(平行于磨削方向)；图5(b)表面光洁度测量方向(垂直于磨削方向) 磨削前，对增材制造材料的表面光洁度进行评估后发现，在不同测量方向上，光洁度存在很大差异。纵向测量时，平均光洁度为3.3μRa；横向测量时，平均光洁度为2.1μmRa。而在测量标准铸态Inconel 718材料时，不会出现这种显著差异。这种差异似乎与3D制造方法有关，但是目前尚不清楚确切原因。 采用接触轮廓仪测量磨削后表面光洁度的常规方法是垂直于磨削线，而不是平行于磨削线。本次研究中，在平行于磨削线和垂直于磨削线两个方向上测量了表面光洁度。然后将磨削后的测量结果与磨削前的纵向和横向测量结果进行比较。 重点在于，沿着垂直于磨削线的方向进行测量磨削后的表面时，测针会越过磨削线的波峰和波谷。而在平行方向上进行测量时，测针平行于磨削线移动，永远不会越过峰谷。因此，不出所料，本次研究中，垂直测量得出的（粗糙）表面光洁度明显高于平行方向的测量结果。 磨削前后对增材制造材料的表面光洁度进行评估后发现，不同测量方向的光洁度存在显著差异。本次研究中，采用平行于磨削线和垂直于磨削线两个方向上进行表面光洁度测量，结果确实存在显著差异。在平行方向上测量时，磨削前，平均表面光洁度为3.3μmRa，研磨后为0.21μma。在垂直方向上测量时，磨削前，平均表面光洁度为2.1μmRa，研磨后为0.5μmRa。 此外，还采用了Nanovea 3D表面轮廓仪和白光色差技术对增材样品进行了分析，将表面特征以视觉化方式呈现出来。在本次测试中，收到增材制造样品后，采用玻璃介质对其进行介质喷砂处理，除去表面凸起的部分。磨削后在表面上可以看到的线条是磨削操作留下的线条。可以使用较细磨料粒度的砂轮或其他打磨产品，例如工程类磨带，进一步减少表面线条，形成超级精细的表面，前提是这点对于组件的性能和质量而言至关重要。 为了进一步了解磨削对AM IN718样品整体表面完整性的影响，采用Bruker-AXS D8 Discover微衍射设备，在收到和磨削样品后，进行了表面残余应力测量。对两种状态下同一样品6个不同位置的测量结果进行比较后发现，在两种条件下近表面残余应力均为负值/存在压缩力。这种情况主要发生在精磨削后的组件上，其近表面残余应力具有压缩性，可延缓表面裂纹扩散，提高疲劳寿命。 本次研究期间，按照5个材料去除率对磨削功率进行了测量。随着材料去除率的增加，磨削功率也随之增加。这种行为存在于大多数磨削操作中。在0.1mm3/sec./mm的最低速率时，磨削期间的峰值功率为1.4 kW。而在3.9 mm3/sec./mm的最高材料去除率下，磨削功率为10.8 kW。 本次研究的结果证明，对增材制造的镍基合金（比如Inconel 718）进行精磨削可以将表面的粗糙度降低近94％（平行于磨削线）或34％（垂直于磨削线）。可以根据要求，使用磨料粒度更精细的砂轮或其他打磨产品，比如工程类磨带获得超精细表面。此外，结果还表明，为了提高表面精细度，需从组件上去除0.30～0.45 mm的材料，并清除掉所有与3D制造过程相关的几何不一致性。对于增材制造商而言，最低去除率是关键信息，因为他们一直在努力以最具成本效益的方法让增材制造组件尽可能达到近净形状。此外，残余应力数据显示，磨削后的表面应力具有压缩性，可以延缓表面裂纹扩大，从而延长所制造的组件的疲劳寿命。 本文作者：K·Philip博士， John Hagan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 2.国家增材制造创新中心：金属增材制件环保高效后处理技术 3.材料、速度及后处理给增材制造生产带来的挑战 4.金属3D打印后处理系统

近日，通用电气宣布其旗舰民航发动机GE9X经过将近5,000小时和8,000个循环的测试后取得FAA适航认证。这是为其新型双引擎波音777X系列飞机提供动力的里程碑事件。 GE航空集团总裁兼首席执行官JohnSlattery介绍：“要想创造出改变游戏规则的产品，例如GE9X发动机，就需要世界上最出色的喷气推进技术方面的人才。“没有其他航空发动机能够实现像GE9X发动机这样在尺寸，功率和燃油效率方面如此完美的结合。这款发动机将为我们的航空公司客户提供无与伦比的价值和可靠性。我要祝贺整个GE9X团队，并感谢波音，我们的合作伙伴和供应商在这一令人难以置信的成就方面的合作。” 搭载GE9X航空发动机的波音747飞行测试平台目前GE航空已经取得600多个GE9X发动机的订单和承诺304个增材制造零件，涵盖七大类型 GE9X作为一款巨大的高旁通比涡扇发动机，拥有304个3D打印的零件，首次将多种材料和打印工艺投入到单一航空发动机的生产中。基于此，GE航空建立了第一个增材制造技术工业化航空航天供应链。 GE9X中七个增材制造部件分别是： 燃油喷嘴 T25传感器外壳 热交换器 粒子分离器 5级低压涡轮(LPT)叶片 6级涡轮(LPT)叶片 燃烧室混合器 识别出适用于增材制造的GE9X组件非常复杂。作为第一个获得FAA认证的增材制造飞机发动机部件，以及在LEAP发动机上取得的成功经验，T25传感器外壳和燃油喷嘴成为第一批被选择的部件。热交换器和粒子分离器的3D打印一体化制造显示了GE航空制造转型的巨大努力，而采用该技术进行涡轮叶片的制造则是一次巨大的飞跃。LPT叶片的3D打印制造非常困难，采用电子束粉末床技术制造的TiAl合金相比传统的镍基合金轻50％左右，具有更加优异的强度重量比，使整个低压涡轮机的重量减少20％，同时将使GE9X提高了10％的推力。 GE航空指出，采用增材制造进行批量生产，需要仔细规划、对潜在风险的认识以及对细节的极大关注。如果方法得当，增材制造可以带来巨大的益处，如缩短生产周期、节约成本、整合零部件数量、减少浪费，提高可持续性和加强供应链等等。显然，GE航空取得了成功。 GE9X的9大亮点 1. 134英寸的复合材料风扇机匣，是全球商用发动机中最大的，比波音737飞机机身还要大。 2. GE9X有300多个增材制造零件。除GE9X之外，GE Aviation及其合资企业CFMI目前还拥有另外四个通过了FAA认证的3D打印零件。这些零件是用于GE90-94B的T25传感器，CFM LEAP燃油喷嘴头，GEnx-2B电动门开启系统（PDOS）支架和GE Passport空气油分离器。 3. 尽管尺寸很大，但按每分贝推力磅数计算，GE9X有望作为有史以来生产的最安静的GE发动机投入使用。 4. GE9X引擎安装了第四代复合风扇叶片。GE的首个复合材料风扇叶片于1995年开始在GE90-94B发动机上投入使用。GE及其合资企业CFMI在过去25年中使用复合材料叶片累计飞行时间超过1.38亿小时。 5. GE9X发动机中的16个复合材料风扇叶片是GE商用喷气发动机最低数量。GE90发动机有22个风扇叶片，GEnx有18个风扇叶片。较小的CFM LEAP发动机有18个复合风扇叶片。 6. GE9X创造了一项世界纪录，在2017年11月10日于俄亥俄州皮布尔斯的GE室外测试设施进行的工程测试中，产生了134,300磅的推力。GE90-115B在2002年创下了127,900磅的推力纪录。 7. GE Aviation在其波音747飞行测试床上进行了72次GE9X测试飞行，总计超过400小时。首次试飞于2018年3月8日在加利福尼亚州维克多维尔升空。 8. GE9X发动机中有五个陶瓷基复合材料（CMC）组件，包括第一级高压涡轮（HPT）护罩，第一级和第二级HPT喷嘴以及燃烧室的内衬和外衬。GE航空在商用发动机中运行CMC零件方面拥有超过800万小时的经验。GE于1986年获得了有关CMC材料的第一项专利，并一直在继续开发这种材料。通用电气已在该技术上投资超过15亿美元，并在美国建立了第一条垂直整合的CMC供应链。 9. GE9X发动机的总压力比为60:1，是所有使用中的发动机中最高的压力比。这意味着发动机可以最有效地利用进气，从而提高燃油效率。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 2.GE Additive：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺 3.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 4.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？

航空发动机叶片由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成。由于服役环境苛刻，单晶叶片容易受到局部损伤，发展可靠的叶片修复技术对航空发动机延寿、降成本至关重要。近些年来，3D打印凭借其“精准定位、可控增材”的特点在单晶叶片的修复/再制造领域展现出诱人的应用前景。 激光增材制造修复叶片 然而，3D打印材料凝固过程冷却速度快的突出特点，极易造成高残余应力和高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降，造成安全隐患。 2月20日，由西安交通大学、美国麻省理工学院以及美国约翰霍普金斯大学组成的研究团队刊文指出，从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制热处理制度，可以解决单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。 3D打印镍基单晶的微观结构演变，与研究的新型高温还原退火相比较图 高温合金的标准热处理制度一般由固溶、时效组成，实践证明该工艺流程会导致3D打印高温合金发生再结晶。研究团队经过系统的文献调研与综合分析，提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。 经过“回复-固溶-时效”处理，高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。因所发现的现象与高温合金在高温蠕变条件下发生的筏化效应（Rafting）相似，且在事实上起到了回复的效果，故将其命名为“筏化-回复”效应（Rafting-enabled recovery）。 镍基高温合金叶片 这一发现为防止3D打印单晶由于残余应力未消除而开裂提供了一种实用方法，为增材制造修复、恢复和重塑其他高温合金单晶产品铺平了道路；突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据，并表明新的热处理制度完全能满足3D打印单晶叶片修复的需求。 注：文章题为《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》，已上传。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 2.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金 3.最新研究：调整增材制造工艺参数，控制材料凝固过程，实现性能可控

在上期的《2019年3D打印材料市场演变—聚合物篇》中，我们介绍了从高性能热塑性塑料、复合材料到具有特殊性能的专业材料等聚合物材料的发展概况和发展机遇，材料种类的多样化正在为新兴公司和现有材料供应商带来高额回报。材料是增材制造产业链中的关键一环，本期，我们将继续介绍陶瓷和金属3D打印材料市场的演变特点。 陶瓷材料 3D打印陶瓷市场目前还没有聚合物市场那么大，但发展速度令人意外。根据SmarTech Analysis的报告，2020年陶瓷3D打印市场将超过2000万美元，到2029年将超过4.5亿美元。该报告还强调了一个事实，由工业陶瓷或传统陶瓷材料所制造的最终用途零件，其增值效益将有望在中长期内推动用户对硬件和材料的需求。 特别是对于工业陶瓷或高性能陶瓷，此类材料具有先进的机械性能，如极高的强度质量比、耐高温和耐化学性，它们已经用于从航空航天到电子技术的多个高级制造领域，来自这些领域的企业也是3D打印技术的首批采用者。 2018年，以陶瓷和金属纳米粒子喷射（NPJ）技术著称的Xjet公司开发出氧化铝陶瓷，与氧化锆相比，氧化铝具有较高的硬度和强度，但耐磨性较低，在烧制前后易于加工和精炼。 Xjet3D打印的金属-陶瓷一体结构 尽管陶瓷3D打印落后于聚合物和金属3D打印，但陶瓷3D打印技术和相关材料在未来五到十年内具有巨大的发展潜力。 金属材料 金属3D打印材料市场充满增长潜力，据Wohlers Report 2019报告，2018年全球金属3D打印材料市场增长41.9％，达到2.6亿美元，连续五年增长率超过40％。采用金属3D打印的用户数量的稳步增长，推动了对材料多样性和更高材料质量的需求。 ▌金属粉末产量正在上升 近年来，金属3D打印工艺如选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）、粘结剂喷射和粉末直接能量沉积（DED）等技术，均呈现全面强劲增长趋势，越来越多的材料供应商开始加入该行业，而那些已经加入的材料商正在努力提高生产能力。 2018年的一个重要趋势是许多供应链间的合作和收购，材料供应商的生产能力也在提高，这使得市场上各种合金材料的储量实现增长。市场供应量的提高对材料价值链产生了积极影响，使得规模经济增加，成本降低，并向3D打印应用领域的临界质量迈进。 2009-2018全球金属3D打印材料市值变化（百万） HöganäsAB是世界领先的金属粉末制造商之一，其在德国新建立的雾化工厂专门生产3D打印高纯度镍基、钴基、铁基等金属粉末并销往全球。国内河北敬业集团是传统的钢材生产商，其于2015年开始生产金属3D打印粉末产品，并在2017年实现两公斤粉末卖出一吨钢价格的创举。瑞典先进材料开发商和生产商山特维克开设的钛合金粉末工厂则支持了钛材料3D打印的增长趋势。 目前，无论初创企业还是传统的材料供应商几乎全都受益于金属3D打印快速增长，并得到丰厚回报。 ▌金属材料生产商努力占据增材制造全价值链 除了增加金属粉末产量，许多生产金属3D打印材料的公司还通过战略收购和业务重组来扩大在3D打印价值链中的作用。 今年年初，英国航空航天和汽车公司GKN旗下子公司GKN Additive宣布了一个新的子品牌GKN Additive Materials，该子品牌是与母公司金属粉末制造商GKN Hoeganaes合并而成。这使GKN Additive也拥有了一个子品牌GKN Additive Components，这样一来，该公司就能够整合增材制造工艺和材料，强化增材制造应用，使其成为一个完整的由粉末到零件解决方案的全产业链供应商。 GKN加速从材料到零件的整个过程链的工业化 为了进一步巩固其在增材制造市场中的地位，GKN在10月份还收购了美国3D打印服务提供商Forecast 3D，虽然后者专门从事聚合物3D打印，但此举使GKN拓宽了增材制造的应用范围和领域。通过此次收购，总部位于英国的GKN可以在整个美国市场占有更大的份额，并将开拓全新的业务领域。 除此之外，瑞典山特维克在今年8月出人意料地收购了意大利金属3D打印服务商Beam IT 30％的股份。据该公司称，此举符合其战略目标，即扩大在更广泛的制造业中的存在，该公司希望通过投资增材制造来实现这一目标。 ▌用于增材制造的新型金属材料 所有这些活动都表明金属增材制造行业的快速发展态势，其增长的最终指标是持续的材料开发。众所周知，金属粉末很难开发，认证更是困难，但是也一直在取得进步。 H.C. JX日本矿业金属公司推出了一系列雾化钽、铌3D打印粉末。凭借高熔点、高耐腐蚀性以及高导热性和导电性，这些材料可用于化学加工、能源和其他高温环境行业。雾化的钽、铌粉末具有出色的流动性和高振实密度，“完美”的球形和狭窄的粒度分布，这些都是粉末床熔融工艺所用材料的关键特性。 H.C. JX推出钽、铌3D打印粉末 英国材料商OxMet Technologies开发的专为3D打印工艺设计的耐高温、高强度镍基合金，在900°C的高温下仍具有很高的强度。而目前可用于3D打印的镍基合金（IN 718）在650°C以上会变得不稳定，在涡轮机械组件的使用中存在风险，因此新材料的开发体现出显著的性能改进。 国内，由苏州倍丰吴鑫华研究团队开发的Al250C材料则将目前可用于3D打印的铝合金材料达到了最高水平，其拉伸强度超过600Mpa，屈服强度可达580MPa，延伸率11%，制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验，相当于发动机常规服役25年的要求。这一成就使该材料成为市售最强的铝AM粉末之一。 Al250C拉伸强度与其它铝合金对比 为了推进持续使用资源的循环经济理念，微波等离子技术专家6K采用机加工铣削、车削和其他再生原料生产优质的3D打印金属粉末。将来，6K还计划采用金属打印的支撑结构和废品制造粉末，从而真正实现材料的零浪费。这为增材制造用户提供了一种新方式来管理项目成本和控制供应链，同时还提高了金属增材制造的可持续性。 ▌材料：增材制造产业链的关键一环 材料在使3D打印成为真正的生产技术中起着关键作用。根据捷普最近的一项调查，41%的受访用户认为，引入更好的材料将对鼓励大规模采用3D打印进行生产产生最大的影响。 当前，增材制造产业链的上游企业正在积极响应这种需求，一系列的高级聚合物和特种金属不断面世。如今，材料供应商能够更清楚的识别、优化、制造和回收3D打印材料。同时，我们也看到更多的参与者进入了材料开发的新领域，无论是复合材料、硅树脂还是陶瓷。 虽然，高昂的材料成本仍然是限制3D打印应用的的关键瓶颈之一，但随着需求的增加，材料价格将会不断下降，从量变到质变还需要时间。最终，在大公司和新兴公司的推动下，3D打印材料行业将继续蓬勃发展，而这种上升趋势将在未来几年继续影响整个3D打印行业。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.3D打印金属材料全球发展态势及国内细分领域应用现状 2.国内空天动力部门对3D打印材料发展的有哪些期待 3.激光成型高温难熔金属材料的种类及应用 4.金瓷结合：Xjet将实现多材料一体打印

零部件直接制造是近年来增材制造技术应用发展最快的领域，尤其是金属增材制造技术的发展，与传统制造相比在提高生产效率，降低成本等方面有显著优势，有助于实现武器装备的快速制造及部署。近年来，美军在采用增材制造技术进行枪械、轻型无人机等武器装备的直接制造方面取得了多项突破。 ▌快速制造出榴弹发射器 美国陆军于2017年成功打印出榴弹发射器，其中发射管和受弹器采用选择性激光熔融铝粉制造，触发器、撞针等其它零部件采用4340合金钢粉打印。除此之外，他们甚至还打印了40毫米口径的训练弹。出于安全考虑，研究人员对组装部件进行了测试性发射，并获得了成功。 3D打印的榴弹发射器及部件 该研究项目的任务是弄清是否可以用增材制造工艺来制造武器和弹药，3D打印的武器是否可以有效射击，而不是为了检验3D打印是否省钱或节省资源。未来，3D打印有望在短短几个小时或几天内实现对战士武器的改进和修理。 ▌直接制造用于侦查的蜂群微型无人机 自2015年开始，美国国防部战略能力办公室开始领导实施一项名为“微型无人机”的实验。实验中，战斗机会发射出一种3D打印的微型无人机，它们拥有情境意识和能力，脱离发射箱后能够根据实际战场情形发现队友并组成“蜂群”队形。 3D打印的微型无人机 微型无人机“蜂群”战术在电影中的展示威力无敌 微型无人机的机翼宽度仅约1英寸(约合2.54厘米)，除了可由F-16和FA/18战机发射外，也可由地面投掷或像弹弓一样发射升空。“蜂群＂队形，可用于侦查，也可对敌方实施一定程度的干扰。有咨询机构猜测，美国超级无人机技术综合了“3D打印+无人机+无线传感网络+人工智能”等技术。 ▌开发新型耐腐蚀两栖无人系统 美国约翰霍普金斯大学为海军开发出一种名为“耐腐蚀空中隐蔽无人航海系统”的两栖无人机，机身采用增材制造技术制造，具有构件数量少、机身重量小、接缝数量少和耐腐蚀性强等优点，可防止发动机进水，并可长时间浸没水中，具有良好的隐蔽性。 点击查看该无人机所使用的3D打印技术 END 目前，该应用方向主要开展了建立材料、工艺和性能数据库，提升设备传感能力，制定相关规范和标准，提高増材制造产品质量等关键技术研究。未来，随着增材制造技术的不断进步，有望实现各种复杂结构、复合材料的快速按需制造，并将成为武器装备制造的一个重要手段，例如枪械、微小型无人机、卫星、头盔、战斗部以及一些小型海上装备将采用增材制造进行直接制造。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 将电子器件打印至武器装备中，实现结构功能一体化 实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 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 突破发动机复杂系统设计局限，改进武器装备性能

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。 ▌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。 ▌Fabrisonic公司开发出能在现有超声波增材制造设备中协同定位增减材单元的专利技术 2017年，美国Fabrisonic公司获得一项新的专利（源文件已上传QQ群），它涉及一种能在其已有超声波增材制造（UAM）设备中协同定位增材、减材单元的技术。该公司以超声波增材制造技术而著称，宣称此项专利进一步提高了其金属混合3D打印设备的能力。 点击查看3D打印“铣床”工作过程 新技术将超声波增材制造焊接头转变为一台标准数控铣床刀库中的一个工具，通过协同定位数控铣床中的焊接和铣削功能进行零件加工制造，成形速度可达245.8cm3/h，同时可提高加工精度，增大零件制造尺寸。 ▌GE公司大力推动增减材混合制造工艺发展 GE是与增材制造（AM）的进步最密切相关的主要“玩家”，最经典的当属LEAP喷气发动机的燃油喷嘴案例。2015年GE收购阿尔斯通电力公司后，还获得了通过Hamuel的混合增材制造设备来修复涡轮叶片的技术。 通过混合增材制造，GE提高涡轮叶片修复效率 该技术也是采用激光沉积焊接系统来实现增材制造，结合五轴加工、检验、抛光和激光打标于一体。特别是在修复磨损叶片和叶盘方面有着优秀的加工能力。GE采用该工艺不仅用于部件修复，还提升了部件性能。 END 目前，该应用方向开展的关键技术研究主要包括：零部件再设计、增减材混合制造系统开发等。随着航空航天等领域对高性能复杂零件需求曰益突出，如何兼顾零件复杂成形和高精度加工将受到广泛关注。未来，增减材混合制造系统将不断涌现，极大提高了成形效率和质量，将有力推动增材制造技术在批量化生产中的应用，将武器装备研制生产的周期缩短一半以上。 欢迎转发 延伸阅读： 武器：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能 装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 将电子器件打印至武器装备中，实现结构功能一体化 大尺寸金属制造（二）--激光熔覆制造技术 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

高温合金通常的工作温度超过600℃，在高温下的强度、延展性、抗蠕变性能以及抗腐蚀能力都很强。对于高温合金零部件，增材制造技术不仅能够缩短生产时间、降低生产成本，还能优先考虑功能设计，非常适用于制备航空发动机及燃气轮机喷嘴、叶片、燃烧室等热端部件，以及航天飞行器、火箭发动机等复杂零部件。近年来，高温合金增材制造技术发展迅速，已在航空航天领域实现了多项应用。 ▌航空发动机采用镍基合金增材制造零部件 赛峰集团是航空发动机市场中涡扇发动机和战斗机发动机的主要制造商之一。该集团eAPU60微型涡轮发动机采用了增材制造的镍基合金喷嘴，并作为AW189型直升机的辅助动力装置的核心部件之一。 eAPU60涡轮喷嘴采用选区激光熔化3D打印工艺制造，采用镍基合金X代替传统上使用的铬镍铁合金铸件。传统的涡轮喷嘴由八个组件组成，通过3D打印允许将其切割成仅仅四个部件，使得喷嘴比原来轻了35％。采用3D打印技术制造涡轮喷嘴也缩短了开发时间，3D打印组件可以在几天内就完成制造。 XWB-97拥有有史以来首个最大的3D打印民用航空发动机组件 罗罗公司通过与英国制造技术中心（MTC）合作，在XWB-97发动机中采用3D打印制造了镍基合金前轴承座结构件，该部件直径1.5米、厚0.5米，大小类似于拖拉机轮胎。该组件并非整体，其包含的48个气动形状的叶片组件也是采用増材制造技术制成。 ▌巡航导弹等高超声速武器使用高温合金增材制造燃烧室   超燃冲压发动机是高超声速武器的源动力之一，其整个结构在工作过程中整体会处于非常高的温度状态，当飞行速度为6倍声速时，燃烧室温度达2700 K左右，进口处的温度甚至也达到1500K。 高超声速武器发动机再生冷却结构（点击查看） 如此高的温度普遍使用主动冷却系统，即再生冷却结构，其水力直径约2 mm，比火箭发动机的冷却通道尺寸更小。2016年，美国ATK公司采用激光粉末床熔融技术，实现了燃烧室的一次性整体成型，不仅大幅降低了设计与制备难度，而且有效提高了燃烧室的整体性能，而高温合金就是制造燃烧室的主要材料。 ▌增材制造镍基合金用于火箭发动机部件 2017年，美国洛克达因公司与美国空军合作开发了价值约1.15亿美元的AR1火箭发动机，旨在取代俄制RD-180发动机。 AR1火箭发动机采用3D打印制造了一种高强度、耐烧蚀性好的镍基超金属合金材料(Mondaloy200™)，用于制造转子和流体之间传递能量的发动机部件，此前俄制RD-180发动机部件需要金属涂层，而这种新材料则无需涂层。 ▌空客部署高温合金大型工业级金属增材制造系统 2016年，西亚基公司向空客交付的电子束增材制造(EBAM)110系统，能够在打印过程中实时监测和控制，可用于许多金属和难熔合金，如铁、钽、铌、钨、镍和不锈钢等。 EBAM 110系统建造尺寸为1778×1194×1600 mm 从诸多报道也可以看出，当前电子束3D打印正普遍用于高温合金的成型，除了上述案例，最为知名的当属GE在近两年大批采购和使用ACRAM EBM打印机，其生产的钛铝合金叶片已经应用于GE9X发动机，相比传统使用的镍基合金轻50％左右，具有更加优异的强度重量比。 GE9X发动机低压涡轮TiAl合金叶片（点击查看） END 高温合金增材制造作为目前的研究热点与前沿方向，主要围绕钛合金、镍基高温合金、钴铬高温合金等材料开展大量技术与应用研究。该应用方向主要开展的关键技术研究包括：开发模型、性能预测、高温合金增材制造标准化等。未来，高温合金增材制造将成熟用于航空发动机、军用发动机、燃气轮机等装备，主要在燃气式、涡轮叶片、涡轮盘等核心部件的制造中使用，有望大幅降低武器装备的生产成本，缩短生产周期。 《高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号》已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 国内空天动力部门对3D打印高温合金的有哪些要求 突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能 发动机涡轮叶片的传统与3D打印制造过程 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

近年来，增材制造技术呈现出持续快速发展态势，军事强国围绕增材制造技术进行研究攻关，加速推进其在各类武器装备研制与维修保障中的应用。随着制造工艺、适用材料、设备加工能力、技术标准等不断优化和完善，增材制造工艺将获得更加广泛的应用，并扩展到更多的武器装备及其关键零部件设计及研制生产中。 综合分析近年来增材制造技术的研究进展，以及外军増材制造应用的典型事例，可以预见，未来将在八个方面将取得显著突破，成为武器装备增材制造技术应用的主要方向。本期我们介绍第一方面：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能。 随着航空航天领域的发展，发动机等复杂系统的性能要求越来越高，产品研发难度也将显著增大，采用传统设计制造模式难以满足需求。增材制造技术在复杂系统设计及制造方面的优势将使其在发动机等装备研发生产中获得广泛的应用。近年来，外军已将增材制造技术用于火箭发动机、航空喷气发动机等复杂系统的制造，不仅简化了设计流程，并且实现了传统制造手段无法满足的设计要求，大幅缩短了生产周期，降低了生产成本，同时提升了武器装备性能。接下来我们介绍几个典型案例。 ▌实现世界首台电动液体火箭发动机快速低成本研制 2016年，美国火箭实验室公司开发出世界首台采用电动泵输送推进剂的液体发动机——＂卢瑟福”，其75％以上的部件采用增材制造，可3天完成生产。由于减少了燃气涡轮泵系统中大量复杂的管路、阀门，及燃气发生器等装置，可大幅降低复杂度和制造成本，提高可靠性，便于快速批量生产。截至7月份，该公司已打印了100台卢瑟福火箭发动机。 Rocket Lab首席执行官彼得•贝克与3D打印（EBM）制造的火箭引擎▌实现火箭发动机喷嘴创新设计 火箭发动机喷嘴的外部结构看起来简单，但其内部结构非常复杂。2018年，NASA马歇尔太空飞行中心采用激光直接沉积金属丝材（LWDC）的方法，实现喷嘴冷却液通道的精确封闭，同时在适当的位置形成支撑结构，实现了火箭发动机喷嘴的创新设计，将喷嘴的制造周期从几个月缩短至几个星期。 NASA采用LWDC制造的多材料复合再生冷却推力室关于该工艺及产品的具体研究资料已上传QQ群▌GE公司将增材制造技术作为发动机设计制造的重要手段 2017年，GE公司采用面向增材制造的设计和制造方式完成了T901-GE-900涡轮轴发动机样件的生产，该发动机中使用了大量的增材制造零部件，其中一个零部件是由原来需要51个子部件组装而成的，使T901发动机的重量降低了20%，经过测试，其性能也获得了提升。 阿帕奇和黑鹰直升机使用T901动力 END 目前，该应用方向主要开展了复杂结构件设计、面向增材制造的设计、蜂窝结构设计优化、增材制造可靠性提升等关键技术研究。未来，火箭发动机、航空发动机等复杂系统将大量采用增材制造设计和生产，并且更多的复杂系统将逐渐采用面向增材制造的设计，突破传统设计局限，实现性能提升和创新式发展。更多内容，请关注延伸阅读。 关于NASA采用LWDC制造的多材料复合再生冷却推力室的具体研究资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

增材制造技术的发展为航空发动机的设计和制造带来了诸多便利，但其在航空发动机上的应用大多局限于单个零件的加工制造，如何在整机的范畴上对增材制造技术加以利用，满足提高性能、可靠性、集成化和轻量化的需求，无疑是未来研究的重点方向。 微型涡喷发动机测试过程（GE2016） 近日，中国航发动研所以一款微型涡喷发动机为技术验证平台，开展了基于3D打印的航空发动机结构集成化及轻量化设计研究，并针对3D打印的零部件及整机开展了验证试验工作，获得了一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机。本期，3D打印技术参考对该项目进行介绍。 全3D打印的涡喷发动机（中国航发2017） ▌项目总体思路和方案 该项目的预期目标是与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数减少50%以上，发动机本体减轻质量不低于15%，推力提升不低于10%。整个项目分为三个阶段实施：发动机集成化设计、发动机轻量化设计，以及为提升发动机性能的创新型冷却构型设计。 3D打印发动机研究总体思路（航发动研所2019） ▌发动机集成化设计研究 当前的微型涡喷发动机采用了大量螺栓连接和焊接等形式进行零件装配。如果采用3D打印直接制备传统结构零部件，则无法充分发挥增材制造技术的优势，甚至可能放大该技术的局限性。为此，项目团队须结合3D打印技术的特点及局限性，打破传统工艺下发动机设计的思维定式，在满足结构构型约束、性能约束、工艺约束、强度约束及刚度约束等多约束的基础上，开展发动机零件结构集成化设计研究，实现一体化打印，从而省去连接件和焊接件的使用，减少零件数量，降低装配难度，提高发动机寿命及可靠性；同时，省去部分零件安装边的设计，达到减轻零件质量的效果。因此，最终确定零件整合方案，以减轻发动机质量、提高结构可靠性为目标。 集成化设计思路 创新团队在详细剖析传统发动机零件结构、功能、材料及装配关系后，制订了多种零件集成化方案。针对集成化结构开展了性能评估、结构强度评估、转静子间隙评估及增材制造工艺可行性评估，突破了可提升结构可靠性的集成化设计技术，实现发动机本体零部件数量减少81%。 发动机集成化设计对比图（航发动研所2019） 微型涡喷发动机原模型结构优化及相应零件实物示例（中国航发2017） ▌发动机轻量化设计研究 结合发动机零部件结构功能与承载性能约束，创新团队将面向增材制造工艺的拓扑优化技术应用至零件的轻量化设计中。利用变密度拓扑优化设计驱动材料分布，从而获得零件高效、轻量化的创新构型。在此基础上考虑增材制造工艺约束性，对拓扑优化构型进行重构，优化零件结构形式，实现拓扑构型的可制造性及工程适用性。针对拓扑空间较小的集成化静子件，则利用增材制造可实现高度复杂构型成形的特点，对集成化零件进行结构适应性改进，在确保结构刚度和强度的基础上，实现静子件的轻量化设计。 轻量化设计方案 创新团队采用面向增材制造工艺的拓扑优化技术完成了发动机主要零部件轻量化设计，包括转子件和静子件等，最终实现整机减轻质量17.3%。 集成化静子件轻量化设计前后（航发动研所2019） 发动机结构优化前后质量对比 ▌空心叶轮盘冷却设计研究 根据拓扑优化设计后的转子件空腔结构特点，创新团队提出了一种新的气冷叶轮盘结构。其基本原理是从离心叶轮背腔引冷气，通过空心涡轮轴，到达叶轮盘内部进行冷却，从而达到叶轮盘温度降低的效果，可以显著提升发动机性能。 新型冷却结构设计方案 ▌整机验证 发动机的转子件仍采用传统工艺制造，其他零部件均采用3D打印，串装后的发动机已完成两次点火试验，性能达标，状态稳定。 3D打印的涡喷发动机零件成品状态（中国航发2017） 实验后发动机分解图（航发动研所2019） 为验证串装3D打印发动机的场外工作能力，创新团队将其装在航模飞机上，进行了飞行试验。 串装发动机航模试飞（航发动研所2019） END 中国航发动研所团队以微型涡喷航空发动机为技术验证平台，探索3D打印技术在航空发动机设计和制造领域的应用研究，从本项目获得的集成化、轻量化设计技术对提升发动机设计和制造能力具有重要意义，可推广应用至高性能发动机的研制。 项目的实施无疑能够使技术团队得到很好的训练，能够有效提高增材制造技术水平，积累更多的设计经验，有助于提升增材制造技术在国产大涵道比涡扇发动机中的工程化应用水平。 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印如何助力巡航导弹等高超声速武器制造 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738