黃衛東：國產大飛機C919, 3D打印大顯身手
當下3D打印技術應用的主要領域就是包括國產大飛機零部件、艦載機起落架等重要核心零部件在內的航空航天。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室，是我國3D打印技術研發最出色的單位之一，主要發展名為“激光立體成形”的3D打印技術。該技術通過激光融化金屬粉末，幾乎可以“打印”任何形狀的產品。其最大的特點是，使用的材料為金屬，“打印”的產品具有極高的力學性能，能滿足多種用途。
隨著航空航天技術的發展，零件構造越來越復雜，力學性能要求越來越高，重量要求卻越來越輕，通過傳統工藝很難突破，而3D打印則可以滿足這些需求。為國產大飛機C919制造中央翼緣條，是3D打印技術在航空領域應用的典型。C919的中央翼緣條是一個長達3米的大型鈦合金結構件。作為機翼的關鍵部件，以我國現有制造能力依然無法滿足需求。如果向國外采購，勢必會影響大飛機的國產化率。西北工業大學與中國商用飛機有限公司合作，應用激光立體成形技術解決了C919飛機鈦合金結構件的制造問題。
黃衛東，西北工業大學教授
激光立體成形制造成本與國外鍛壓制造成本相差不多，但最重要的是形成了具有自主知識產權特色的新技術。這項技術在航空航天發動機等關鍵部件的制造上也得到了運用。
西工大3D打印技術對零部件的修復也可謂獨樹一幟。航空航天零件結構復雜、成本高昂，一旦出現瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成上百萬損失。而通過3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節約了時間和金錢。
3D打印技術正在成為發達國家實現制造業回流、提升產業競爭力的重要載體。可以說，新一輪的全球制造業競爭，極有可能是3D打印與機器人等高端裝備的競爭。以3D打印為代表的數字化、智能化制造以及新型材料的應用將重塑制造業和服務業的關系，重塑國家和地區，重塑經濟發展格局，加快第三次工業革命的進程。
當下，無論是航空航天、原型制造、醫療、創意產業還是時尚、建筑產業，都在被3D打印技術這種顛覆傳統的制造方式、全新理念和創新技術所喚醒。
鎖紅波：直面國內外增材制造技術差距
增材制造是一種根據三維數據將材料連接以制造物體的過程，相對于傳統的“減材”制造，它通常是逐層累加過程，由此衍生出了一系列金屬、非金屬、生物制造的技術。在這么多技術中，哪一種在軍工領域需求最為迫切、應用最為廣泛是我們最關注的問題。
對比在國防軍工領域主要應用的增材制造方法，目前使用最多的、需求最迫切的還是激光、電子束、等粒子弧等金屬直接制造技術。這金屬直接制造技術中，航空應用按使用對象不同，大致可分為兩大類。一類是大型承力結構的高效成形技術，第二大類是小型復雜功能結構的精密成形技術。事實上，包括電子成型和激光成型這類的金屬成型技術，它的源頭是連接技術。任何可控的熱源，能夠把材料連接在一起，都可以稱之為增材制造技術。
鎖紅波，中航工業北京航空制造工程研究所增材制造部部長
在大型承力結構的高效成型技術中，發展較好的一種是激光直接沉積成形技術（DMD）。它的原理是在惰性氣體氛圍中，激光熔化同步送進的金屬粉末，進入融池并逐層堆積制造零件。主要用于修復大結構的成形，同時也能用于修復小結構。另一種則是電子束熔絲沉積成形技術（EBF3），這種技術在國內研究較少，在美國相對知名度較高。它的原理是在真空環境下，用電子束融化同步送進的金屬絲材進入融池堆積成形。
兩種技術對比之下，電子束成形速度是激光技術的幾倍，且電子束在真空中成形，不存在雜質污染的問題。總結而言，兩種技術制造的都是零件毛坯，后續還需要機械加工，電子束熔絲沉積成形具有速度快、內部質量高的特點，適用于大型結構的高效、低成本制造。
第二大類中小型復雜功能結構的精密成形技術分為激光選區熔化技術（SLM）和電子束選區熔化技術（EBM），它們選取融化的熱源不同，前者是在氬氣保護環境中，后者則是在真空保護環境中，制造出的零件僅需表面拋光，甚至無需處理就可以使用。
除在軍工領域外，我們也結合航空制造的需求，列出了增材制造對武器裝備的促進作用。
首先，增材制造技術能夠促進設計思想的革命，支撐全新的設計理念。我們常遇到設計人員在設計前先詢問是否能實現設計？用哪種技術來實現？現在增材制造很大程度上能減小因工藝制造或結構的復雜程度帶給設計者的束縛。舉例來說，以前飛機的一個零件、一個機體結構，需要數十個零件組成，還需考慮裝配、連接、加工等一系列問題。現在通過增材制造，可以把數十個零件組建成一個零件。我們的目標就是把整個飛機的后機身用一個零件完成。
其次是可以實現先進的“混合制造”思想。實際上最早的增材制造來源于混合制造。例如國內通過數控技術加工的飛機零件，國外通過混合制造工藝，能大大提高加工效率，保證質量的同時也提升了競爭力。
第三則是可以實現快速反應，敏捷制造。增材制造技術無需預投工裝模具，加工柔性良好，反應敏捷可即時調整制造方案，實現快速響應制造。許多原本要花費長時間制造的飛機，利用增材制造技術，在短短1-2年內就可以起飛。最后一點，也是最常見的一點就是實現缺損零件的修復。
針對國外應用領域的情況而言，政府的高度重視以及需求的逐步擴大，致使增材制造技術發展迅猛且實力突出。據了解，歐洲于2007年成立了“大型航空零件快速制造中心”，積極推動了增材制造技術在航空領域的應用。美國在此方面也制定了大量的戰略部署，成立了增材創意制造中心。另外，歐洲國家的小型結構精密增材制造技術已處于世界領先水平，空客、羅•羅、EADS等公司在飛機及發動機上已有應用。
而在國內，我們的總體技術水平處于模型制作向零部件直接制造過渡的態勢，在直接制造高性能塑料盒金屬零件方面發展非常迅猛，總體上有很大的上升空間。增材制造技術也在典型的關鍵領域中開展了局部應用。例如，北航、西工大等已實現多種激光成形結構件在軍機、C919客機等多個型號上的裝機驗證和應用。
但與國外相比仍存在一些差距，這些差距是需要我們直視并面對的。首先是缺乏理論研究，我們主要關注于應用，理論研究則主要集中于高校，在廣度和深度上都比較欠缺。二是關鍵共性技術研究不足。三是對材料的研究薄弱，先進材料大多為國外研制。四是整體裝配性能低于國外水平，大部分增材制造工藝裝備國內都有研制，但在成形精度和智能化程度上與國外相比有所差距。最后是核心元器件依賴國外進口，難以形成本土化產業。
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