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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

3D打印的英文為Three-Di-mensional（三維）打印，這種技術是一種利用光固化和紙層疊等技術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，這一技術在很多領域得到應用，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打印技術又稱為增材制造、增材技術（工藝），美國ASTM國際（International）在其有關材料中將增材制造與3D打印這兩個術語等同起來，即“增材制造也被稱為3D打印，使用計算機輔助設計逐層制備。”維基百科稱：精確度、可重復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，名曰增材制造。也有人認為，增材制造就是3D打印的工業(yè)版。

與增材制造對應的就是減材制造，零部件的常規(guī)制造工藝就是減材制造技術，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打印技術是當前制造業(yè)中一項新的尖端制造技術，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廣泛的應用。此工藝的出現(xiàn)，對工業(yè)制造領域傳統(tǒng)思維模式和設計理念來說，是一個巨大的沖擊與挑戰(zhàn)，使設計師的思想與構(gòu)思得到更加深遠與更徹底的釋放，產(chǎn)品設計不再受傳統(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打印技術可以順利實現(xiàn)傳統(tǒng)減法制造技術很難或無法達到的設計，更不要說制造了。3D打印作為一項前沿制造技術，在短短數(shù)年間其應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（SLM）打印了公務機的起落架殼體，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性能，可承受更高的應力。該項目研發(fā)技術平臺負責人指出：“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力。在這種性質(zhì)和尺寸下的一個關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。通過適應增材制造的新設計方案，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。

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。當下，該公司計劃在2022年對打印的殼體進行認證測試，航空器零部件必須經(jīng)過相關部門的認證，這是關鍵的一步。

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、西安交通大學盧秉恒院士團隊采用增材制造技術制成了全球首件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、變形與應力控制等方面都實現(xiàn)了重大技術突破，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支撐。