激光增材制造技术是一种基于离散/ 堆积成形思想的新型制造技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进产品研究与开发技术。其基本过程是将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片；根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；成形机制造一系列层片并自动通过激光熔敷、烧结、沉积等将它们联接起来，得到三维物理实体。这样将一个物理实体的复杂三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。该技术的主要特点有：高柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；成形过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或只需较少干预，是一种自动化的成形过程；成形全过程的快速响应，适合现代激烈的产品市场。

尤其是金属零件，其主要采用激光增材制造技术，以高功率或高亮度激光为热源，逐层熔化金属粉末，直接制造出任意复杂形状的零件。其主要方法有：

1、激光直接沉积增材制造技术

该技术可追溯到20 世纪70 年代末期的激光多层熔覆研究，但直到20世纪90年代，国内外众多研究机构才开始对同轴送粉激光快速成形技术的原理、成形工艺、熔凝组织、零件的几何形状和力学性能等基础性问题开展大量的研究工作。

激光直接沉积技术为航空航天大型整体钛合金结构制造提供一种短周期、高柔性、低成本手段。为了提高结构效率、减轻结构重量、简化制造工艺，国内外飞行器越来越多地采用了大型整体钛合金结构。与锻压- 机械加工传统制造技术相比，激光直接沉积增材制造技术具有以下特点：无需零件毛坯制备，无需锻压模具加工，无需大型或超大型锻铸工业基础设施及相关配套设施；材料利用率高，机加工量小，数控机加工时间短；生产制造周期短；工序少，工艺简单，具有高度的柔性与快速反应能力；采用该技术还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度材料高性能金属零件的直接制造。

激光直接沉积技术还可以为航空航天、工模具等领域高附加值金属零部件的修复提供一种高性能、高柔性技术。由于工作环境恶劣，飞机结构件、发动机零部件、金属模具等高附加值零部件往往因磨损、高温气体冲刷烧蚀、高低周疲劳、外力破坏等因素导致局部破坏而失效。另外，零件制造过程中误加工损伤是其被迫失效的另一重要原因。若这些零部件被迫报废，将使制造厂方蒙受巨大的经济损失。与传统热源修复技术相比，激光直接沉积技术因激光的能量可控性、位置可达性高等特点逐渐成为其关键修复技术。

2、激光选区熔化增材制造技术

激光选区熔化技术是由德国Frauhofer研究所于1995年最早提出，在金属粉末选择性烧结基础上发展起来的。2002年该研究所在激光选区熔化技术方面取得巨大成功，可一次性地直接制造出完全致密性的零件。

随着高亮度光纤激光的出现，国外金属粉末选区熔化激光精密增材成形技术发展突飞猛进。譬如，德国EOS GmbH 公司新开发的激光选区熔化设备EOSINT M280 采用束源质量高的Yb 光纤激光器，将激光束光斑直径聚焦到100μm，大幅提高激光扫描的速度，减少成形时间，其成形零件性能与锻件相当。

激光选区熔化技术可直接制成终端金属产品，省掉中间过渡环节；零件具有很高的尺寸精度以及好的表面粗糙度（Ra 为10~30μm）；适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构、用传统方法无法制造的复杂工件；适合单件和小批量复杂结构件无模、快速响应制造。2009 年以来，中航工业北京航空制造工程研究所通过与国际著名激光粉末烧结设备制造商——德国EOS 公司的技术交流，自主开发建立激光选区熔化增材制造技术平台，研制出一些典型金属结构件，其TC4 钛合金力学性能与锻件相当，但仍受到层片扫描轨迹优化设计、应力及变形协调控制等基础问题制约。

激光增材制造其实质就是CAD软件驱动下的激光三维熔覆过程。所以其不仅可实现激光熔覆制备耐磨涂层和功能梯度材料，而且可修复高附加值的金属件和直接制造任意复杂结构的金属零部件。随着其成形工艺和装备不断地成熟和提高，成形材料从钛合金、镍基合金、不锈钢、钴铬合金等成熟材料种类，不断推出新材料。通过拓扑优化设计结构，激光选区熔化技术可制造出大幅减轻重量的航空航天金属结构件。目前，金属零件激光增材技术面临的主要挑战包括成形过程应力及变形、材料组织及性能控制、质量检测及标准建立等。

产品创新是我国制造行业可持续发展的基础，而金属零件的激光快速成形技术对新产品的开发速度和重要零部件的再制造将起到十分重要作用。金属零件激光增材制造技术开创了一个崭新的设计、制造概念。它以相对低的成本、高速造型、可修改性强的特点，独特的工艺过程，为提高产品的设计质量、降低成本、缩短设计及制造周期，为将产品尽快推向市场提供了有效的方法，尤其适合于形状复杂的零件。

（本文由《3D打印商情》编辑徐子建译自IndustrialLaserSolutions）

　　空客对增材制造工艺的研究已有20余年了，从最早的塑料和快速打样应用到往后几年的（LBM）激光束熔化和(EBM)电子束熔化在金属方面的应用。空客仍然存在的问题是，缺乏增材制造解决方案的经典商业案例，以及如果几乎所有的工业决策都得靠商业案例的讨论来推动，那么如何着手创造一个案例？

　　在95%的时间里，增材制造让每个项目都更简单、更便宜、更快捷地投入实施，而不需要通过不断调整来得到永久的基础数据。

产品开发的快速通道

　　关于增材制造的能力无需过多赘述，因为设备本身就是一个活生生的证明。从2012开始，空客由一开始的250W（250*250*280mm）的LBM设备，发展到现在有2到4台400W/1kW(最大尺寸800*400*500mm)的激光器在服务，这一爆发性的扩张趋势将随着未来10年新类型激光器的到来一直持续。

　　商业案例同样适用于公司的低成本产品中期（2020年起）。伴随着目前已完成的250多个金属增材制造项目，空客七年来获得的经验教训是，增材制造将能够实现高度一体化和多功能的产品，在未来的生态和环境足迹方面将有很大的机会。

材料、工艺和设备

　　材料方面，空客未来的商业计划首先专注的材料是钛（Ti6-4），其次是不锈钢，并计划在2018年底开始铝的应用。从2015年底开始，用在Ti6-4钛上的激光束熔或电子束熔（LBM/EBM）的增材制造工艺已经达到了TRL6的级别，此外，首个低速率系列部件也由空客的子公司PremiumAerotech在2015年底完成。

　　此外，从2018年开始，Scalmalloy也将开始应用--Scalmalloy是空客子公司AP-Work经营的一种高性能铝合金。2018年开始，空客将会有第一组增材制造材料用于开始真正的系列化生产。未来增材制造系列应用面临的最大挑战之一是低成本金属粉末的有效供应，因此，看到全世界围绕着这一未来的需求而运转，是非常令人愉悦的。

　　再说工艺，熔融沉积成型（FDM；使用StratasysFortus的设备）目前已经连续两年用于加工空客的A350部件，使用聚酰胺（PA）的选择性激光烧结（SLS）已被应用于空客新的Beluga运输机的支架和直升机的第一系列应用和展示部件的加工。由于阻燃性能有限，这个技术至今尚未在民用客机上应用。

　　最后说设备，增材制造设备供应商的数量正在迅速持续增长，使得世界市场的竞争越来越激烈。从工业的角度来看，在制造过程中，高质量的设备将在未来自动化增材制造设施中扮演关键角色。在未来十年内，我们将看到很多不同尺寸的设备和特定部件的增材制造设备，以及多功能增材制造系统。例如，一个荷兰的设备商就提供一个热处理一体化设备，而DMGMORI铣削中心则集成了一个HDR同轴送粉增材制造设备。

增材制造登上飞机的第一步

　　2014年2月，空客公司在一个为期两年的项目中，首次向一家航空公司提供了第一台3D打印的FDM备件，并重新设计了一个三十年历史的客舱座椅部件手动绘图。3D打印设备是纯数字化的产品，它生产的数量是根据空客本身的需求量制定的，而不是根据死板的库存计划而定。

　　从2014年开始，首批数百FDM试验支架应用于新的A350测试飞机，并首次使用LBM工艺生产的钛仿生座舱支架，2014年6月，搭载增材制造部件以及新的拓扑优化设计方法（图1）的A350开始为期两年的测试。这些实验表明增材制造在实际工业用途上已经展现了技术可行性和未来潜力，它们也已经极大地帮助了空客2016年后的增材制造应用发展。

图1：通过LBM加工的钛合金仿生客舱支架。

　　增材制造技术在飞行安全相关液压部件中已经展现了能力。到目前为止，大部分LBM项目已经投产，其中95％由空中客车公司合作伙伴LaserCenterNorth（LZN），HofmannInnovationGroup，Toolcraft和AP-Works等公司负责生产。

案例

　　1、高速发展过程。

　　在现实中测试高科技目标，这是一个几乎完全由塑料和几个铝制零件打印的3.7米的飞机，飞行重量小于25公斤。图2显示了正在使用的THOR飞机。

图2.飞行中的高科技微型（THOR）飞机，纯粹增材制造的产物。

　　2、飞行测试LBM硬件。

　　在几台A350/A330NEO测试飞机上测试了钛、不锈钢和铝部件的性能，包括用于垂直尾翼的铝合金相机盖（图3）。

图3.使用LBM生产用于垂直尾翼平面的铝相机盖。

　　3、首批在飞机构造上使用的钛。

　　首款于2016年交付的高性能AEROTEC（PAG）钛双壁燃料连接器取代焊接铸件组件，成本降低了约50％，因为不需要铸造工具，并且交货时间从几个月降至11周（图4）。

图4.替代焊接铸件组件的钛双壁燃料连接器。

　　4、首批拓扑优化钛支架。

　　A350飞机的第一个连续PAG增材制造的零件，其重量到2017年第四季度将能减少30％。

　　5、飞行安全相关增材制造的液压部件。

　　2017年3月30日，A380飞机上的首个飞行安全相关增材制造部件飞行重量减少了35％（图5）。

图5.这种与飞行安全相关的增材制造的部件减轻了A380飞机35％的重量。

从第一个部件到清洁薄片设计

　　进入增材制造新领域的第一步是1：1可替换的增材制造部件，而下一步是重新考虑完整的部件，目标是充分利用通过增材制造免费的多功能、高度一体的"清洁薄片设计"。这可以是具有三部分组件的液压单元或支架，其以前由126个部件和铆钉制成。这意味着大约有120个零件成本的零件，使组装减少了95％（而且没有模具维护，库存和物流）。

　　增材制造允许我们真正重新考虑一种产品，例如将巨型睡莲结构复制到扰流板中，或将超薄模具的成长转移到设计数学中，比如3D设计软件公司Autodesk和其他合作伙伴的Bionic-Partition项目就展示了与未来增材制造生产相关的通用设计方法的功能，从而减少了45％的飞机重量，因此将可以为每架A320飞机每年节省约3吨燃料（图6）。

图6.Bionic-Partition项目展示了与未来增材制造生产相关联的通用设计方法的功能，为A320飞机每年节省约3吨燃料。

展望2025

　　2016年，空客公司在10所大学和研究机构的帮助下开始制定2025年的景愿，着眼于产品快速开发、无需模具、按需生产、减少原材料需求、减少重量变化，更多的使用增材制造。

　　为使增材制造市场继续发展，必须组织和开发完整的工业化体系。最大的挑战是了解"清洁薄片设计"未来的产品机会，并开发所有必要的设计原则和工业软件解决方案。那么所有这一切都必须得到验证，包括新的要求和政府的认可。