解析金屬3D打印技術在航空領域的發展與應用
航空工業在上個世紀80年代就開始使用增材制造技術，之前增材制造在航空制造業只扮演了做快速原型的小角色。最近的發展趨勢是，這一技術將在整個航空航天產業鏈占據戰略性的地位。包括波音、空客、Lockheed Martin, 霍尼韋爾以及普惠都做出了表率行動。
新一代飛行器不斷向高性能、高可靠性、長壽命、低成本方向發展，越來越多地采用整體結構，零件趨向復雜化、大型化，從而推動了增材制造技術的發展與應用。增材制造技術從零件的三維CAD 模型出發，無需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，縮短研制周期，是滿足現代飛行器快速低成本研制的重要手段，同時也是滿足航空航天超規格、復雜金屬結構制造的關鍵技術之一。
電子束熔絲沉積成形
電子束熔絲沉積技術又稱為電子束自由成形制造技術(Electron Beam Freeform Fabrication，EBF3)。在真空環境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至制造出金屬零件或毛坯。
電子束熔絲沉積快速成形技術具有一些獨特的優點，主要表現在以下幾個方面：
(1)沉積效率高。電子束可以很容易實現數10kW 大功率輸出，可以在較高功率下達到很高的沉積速率(15kg/h)，對于大型金屬結構的成形，電子束熔絲沉積成形速度優勢十分明顯。
(2)真空環境有利于零件的保護。電子束熔絲沉積成形在10-3Pa真空壞境中進行，能有效避免空氣中有害雜質(氧、氮、氫等)在高溫狀態下混入金屬零件，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工。
(3)內部質量好。電子束是“體”熱源，熔池相對較深，能夠消除層間未熔合現象;同時，利用電子束掃描對熔池進行旋轉攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。電子束熔絲沉積成形的鈦合金零件，其超聲波探傷內部質量可以達到AA 級。
(4)可實現多功能加工。電子束輸出功率可在較寬的范圍內調整，并可通過電磁場實現對束流運動方式及聚焦的靈活控制，可實現高頻率復雜掃描運動。利用面掃描技術，能夠實現大面積預熱及緩冷，利用多束流分束加工技術，可以實現多束流同時工作，在同一臺設備上，既可以實現熔絲沉積成形，也可以實現深熔焊接。利用電子束的多功能加工技術，可以根據零件的結構形式以及使役性能要求，采取多種加工技術組合，實現多種工藝協同優化設計制造，以實現成本效益的最優化。
美國麻省理工學院的V.R.Dave等人最早提出該技術并試制了Inconel 718 合金渦輪盤。2002年，美國航空航天局(NASA)蘭利研究中心的K.M. Taminger 等人提出了EBF3 技術，重點開展了微重力條件下的成形技術研究。同一時期，在海軍、空軍、國防部等機構支持下，美國Sciaky 公司聯合Lockheed Martin、Boeing 公司等也在同時期合作開展了研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造。成形鈦合金時，最大成形速度可達18kg/h，力學性能滿足AMS4999 標準要求。Lockheed Martin 公司選定了F-35 飛機的襟副翼梁準備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預期零件成本降低30%~60%。據報道，裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35 飛機已于2013 年初試飛。2007 年美國CTC公司領導了一個綜合小組，針對海軍無人戰斗機計劃，制定了“無人戰機金屬制造技術提升計劃”(N-UCASMetallic Manufacturing Technology Transition Program)，選定電子束熔絲沉積成形技術作為未來大型結構低成本高效制造的方案。目標是將無人機金屬結構的重量和成本降低35%。
圖片：Sciaky制造的零件
中航工業北京航空制造工程研究所于2006年開始電子束熔絲沉積成形技術研究工作，開發了電子束熔絲沉積成形設備。開發的最大的電子束成形設備真空室46m3，有效加工范圍1.5m×0.8m×3m，5 軸聯動，雙通道送絲。在此基礎上，研究了TC4、TA15、TC11、TC18、TC21 等鈦合金以及A100超高強度鋼的力學性能，研制了大量鈦合金零件和試驗件。2012 年，采用電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國內飛機結構上率先實現了裝機應用。
圖片：中航工業北京航空制造工程研究的電子束熔絲沉積成形設備
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