吕坚院士团队顶刊发表综述：结构材料的增材制造（五）

江苏激光联盟导读：

近日，香港城市大学吕坚院士团队在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上发表综述论文“Additive manufacturing of structural materials”该论文分别从增材制造领域的发展历史，材料选择，4D 打印，应用前景和趋势展望等方面做了较为系统的介绍。江苏激光联盟将陆续对其主要内容进行介绍，本文为第五部分 ，增材制造结构在航空航天中的应用。

4. 增材制造结构的应用

4.1. 航空航天领域中的应用

AM技术在当前的和潜在的航空领域中的应用是目前最为活跃的领域。

宇航学领域中的应用

▲图1. 宇航领域中的应用部件举例

图2. 飞机中的AM技术应用举例

4.1.1. 宇航中的应用

4.1.1.1. 航天飞行器工程

航空航天工业中应用AM技术来制造产品部件，这是因为AM技术的设计逻辑，高的功能性，高的制造效率以及轻质的产品制造等优点造成的。采用SLM技术制造的整体式推力室和设计制造的蜂窝芯可以减少部件的数量以及同时具有轻质和呈现出良好的功能性。EOS引入了一个简化的推进模板，采用直接金属烧结设备进行了不同类型的规格制造。一体式基板和采用传统的喷嘴设计工艺制造的喷嘴包括248个部件。新的设计和制造工艺会导致成本低50%并实现产品制造周期变得。

▲图3.（a）采用一体化设计的办法，利用EOS设备在基板上进行打印的部件；（b）采用EOS设备和一体化设计理念制造的喷嘴；（c）NASA的用于RS-25发动机的Pogo Z-反射板，该喷嘴采用SLM技术进行制造；（d）NASA测试3D打印的铜合金燃烧室，采用电子束自由成型制造的镍基合金保护套

NASA同时还采用AM技术优化了火箭发动机。采用SLM进行制造时，同传统的制造工艺相比较，至少降低了65%的制造成本，这是因为焊接的数量和潜在的再工作量得到了显著的减少。其设计同时也提高了稳定性和对工人熟练程度的依赖，从而减少了产品的不稳定性。采用AM技术制造的火箭推进系统在2018年进行了成功的测试。镍基合金保护套是采用电子束工艺进行制造的并经过了测试，见图3c和d。

4.1.1.2.太空载具部件

3D打印同时还可以拓展外层空间天线和航天载具部件的制造范围和灵活性。一开始，官方组织使用AM技术来制造了大的航天载具部件，如战斗机和导航卫星，并且逐渐的拓展到其他应用领域，如制造无人驾驶飞行器和城市所用的近地卫星等。在采用3D打印技术之前，传统的制造技术是不能进一步优化和减少航天器件部件材料的质量的。AM技术使得这变成可能，这在采用传统工艺的时候是非常困难或者非常昂贵的。AM技术同时还可以保证产品质量，此外，部件的应力分布将会更加均匀，这将减少部件的磨损和提高部件的服役寿命。

NASA拓展它的制造策略包括几个状态和沉积模式。NASA开始研究和发展了几十年的时间，并在这一领域领先其他国家。它的主要兴趣在于金属材料。科学家尝试了采用SLM技术来制造J-2X火箭发动机的涡轮泵排气口盖。该新部件的制造成本只有传统制造工艺成本的25%。另外一个典型的例子RS-25航天飞机发动机的连接问题。该部件成功的通过了热火焰测试，并且在采用现有工艺进行制造的时候其部件数量显著的从原来复杂的127个减少到现在的4个焊缝数量。超级德拉科飞船的发动机引擎（Super Draco spacecraft’s engine）的关键部件采用3D打印技术进行了打印。在AM技术先进的整体式制造的帮助下，在以前需要几十个部件的数量，在现在只需要3个部件就可以完成。超级德拉科飞船的燃烧室采用直接金属烧结技术进行了镍基合金的制造，这极大的缩短了整个部件设计和制造的周期。进一步的，两个宇航飞行员Bob Behnken和 Doug Hurley乘坐SpaceX龙飞船时穿戴的就是3D打印的头盔和防护帽完成了这一载人飞行，见图4所示。这是3D打印技术在SpaceX中的另外一个应用，同时在猎鹰9”火箭（Falcon 9 rocket）和龙飞船V2上得到了应用。这两个宇航员所穿戴的大多数的白色的头盔和防护服都是采用3D打印技术进行制造的。中国的长征5B运载火箭配备了3D打印的部件。这是第一次国际上3D打印实验的连续纤维增强复合材料在太空中的应用。图4d显示的是在轨运行的3D打印的连续纤维增强样品的两个实际应用案例。

▲图4.（a）RS-25的连接接接头；（b）超级德拉科飞船的发动机引擎（Super Draco spacecraft’s engine），（c）宇航员Bob Behnken和 Doug Hurley 及其所穿戴的头盔和防护服；（d）中国的在轨运行的采用3D打印技术打印的两个连续纤维增强3D打印部件:蜂窝结构和中国航天科技集团的Logo

▲图5.（a）设计的波纹圆锥喇叭天线的设计图；（b）波纹圆锥喇叭天线原型图的横截面

3D打印技术同时在天线的制造中也具有非常大的潜力。对于航天飞行器和航天卫星，通讯是非常重要的部件，天线的重要性是尤其重要的。天线必须满足高的表面精度和在外太空非重力的条件下运行正常且稳定。此外，外太空还存在大量的辐射和宇宙射线。3D打印技术是一个非常优秀的天线制造技术，尤其是在制造框架和部署结构方面具有独特的优势。来自雅萨尔大学的研究人员制造了一个波纹圆锥喇叭天线来满足卫星通讯所需要的反射，如图5所示。该设计是在CST的微波Studio项目中完成的，可以运行在10.5–18.5 GHz波段。从成本和制造时间上来考虑，这一天线同采用其他高导金属所制造的金属的优势要大得多。

4.1.2. 航空中的应用

4.1.2.1. 飞机发动机

AM技术的发展是在制造工业中不断革新进步的一种技术。AM技术，伴随着其制造的柔性和具有减少原材料的优势，直接导致了在加工和制造工业中的变革。因此，这一技术非常适合应用在复杂，多变化，原材料昂贵的制造场合，尤其是在航空领域，将会不可避免的得到广泛的应用和促进。这里有四个大的优势：（1）首选是制造生产力的提高。该技术制造发动机的周期在当前为2-3周，而巨大的市场需要每周制造7个发动机才能满足需要。AM技术可以应用到同时制造复杂的发动机部件上，避免复杂的部件连接，热处理和加工以及传统制造工艺的组装过程，这显著的提高了提到制造效率和减少了部件的交付时间。其次是反向工程设计变成可能。工程设计者不再受到传统的制造工艺设计的限制，可以采用AM技术来制造按照部件自然属性来制造和组装部件。AM技术同时还可以实现采用传统工艺无法实现的复杂形状的制造，这有利于帮助制造出满足单个项目所需要的适宜的部件的制造。第三是浪费和成本大为减少。AM技术允许我们在设计的时候修改任何一个点和制造工艺，减少制造时间和加工成本。材料用在了它所需要的地方。并且不需要对每一个部件进行昂贵的加工和技术复杂的部件进行制造的困难，减少了材料的浪费和提高了制造产品部件的性能。第四是AM技术是一个数字制造工业。而采用AM技术，工程人员可以非常简单的上传3D打印的文件，然后非常容易的实现打印。这一技术可以非常显著的减少部件的研发时间和不必要的装运时间。

3D打印技术同时还可以应用到航空发动机的推进系统的部件中，并且这里主要有两种AM技术应用到这一领域，分别是EBM和SLM技术。SLM技术是一种粉末床形式的层层堆积技术。在制造过程中，部件被激光所烧结熔化和然后凝固。这一办法广泛的应用在燃烧室和制造优异特征以及高精度的场合。此外，该技术同时还可以实现内部复杂形状的设计和制造。因此，SLM技术的限制在于其尺度，由此，它目前不适合应用于大型部件的制造。SLM技术和EBM技术存在稍微的区别。EBM技术采用电子束来代替激光进行加热和熔化材料，同时电子束加工是在真空中进行的。此外，对于燃烧室部件的制造并不常见。真空制造的工艺比较适合活性材料的如Ti和Mg等材料的加工。由于AM技术在飞机发动机中应用的广泛性，NASA发展了双金属的燃烧室。该燃烧室是采用铜合金作为内衬，采用SLM技术进行制造。采用SLM技术制造内衬和采用能量直接沉积技术制造支撑部件。一个相似的制造过程应用到点火系统中，形成的是双金属，使用的是变形材料和直接能量沉积技术。NASA也采用AM技术发展了一系列的不同材料类型和不同元素类型的专用喷油器。喷嘴的直径变化范围自1.25到7.5英寸之间变化，喷嘴是采用粉末床工艺进行制造的。采用AM技术制造喷嘴可以有效的减少制造成本和减少制造周期。进一步的，这一办法同时还可以允许实现个性化的设计。因此，喷嘴采用AM技术制造的主要障碍在于其相对低的尺寸分辨率，尤其是在发射的方向上。此外，其表面粗糙度也是需要解决的一个问题。

推进系统的发展在提高航空飞行器产品的综合性能上具有非常重要的作用。随着模拟技术，粉末准备的技术和收缩变形控制技术以及其他关键技术的突破，3D打印数据库和标准的建立将会得到更好的完善，从而进一步的促进3D打印技术在航空发动机中的应用。

AM技术已经广泛的应用在航空和航天工业中，从而加速了部件的设计和制造。AM技术使得制造的产品更轻，更经久耐用和使得更加有效的设计变为可能。根据GE公司的报告，AM技术在如下方面具有独特的优势。AM技术导致低的制造成本和简化了产品的供应链，使得部件的制造更加整体化和减少了供应的成本。AM技术帮助提高了产品的性能，这是因为材料和形状的制造柔性变得更好。AM技术减少了制造的周期和改变了制造的分布和对客户定制产品的需求。

在航空飞机中，AM技术可以用来制造发动机部件，航空结构，飞机框架和飞机部件以及系统，内饰件，二次结构和航空电子零件。作为最为重要的应用，AM技术还用来制造军用和民用发动机。世界上最大的发动机制造商，包括GE公司，普惠公司和罗罗公司，均在致力于将这一技术用来提高其发动机的性能见图6。

▲图6. 采用AM技术的民用和军用发动机：(a) GE CT7-2 发动机 [365], (b) GE’s Catalyst™ 先进涡轮螺旋桨发动机 , (c) GE T901涡轮轴发动机 [367], (d) GE9X 商用航空发动机 [368], (e) CFM LEAP 商业发动机, (f) P&W GTF 商用发动机, (g) RR Advance 3 [362], (h) RR UltraFan® [362], and (i) RR Trent XRB-97

4.1.2.2. 飞行器部件

最为常见的应用到航空工业中的AM技术是快速等离子沉积，金属直接激光熔化，SLM，EBM，BJ等。金属材料应用到这些工业中主要包括Ti，Ti合金，不锈钢，铝合金，铝，镍基合金以及Co-Cr合金等。采用3D打印技术制造的航空部件在航空工业中成为非常常见的工业选择，因为这些部件可以减轻30-55%，使用的原材料浪费减少90%。波音公司研究显示3D打印技术在降低制造成本和减轻部件的重量方面具有十分明显的优势。在CNN的报道中，Grazia Vittadini，空客的CTO，声称可以高达55%的重量能够减轻。图7显示的为采用AM技术制造的其他 部件。

▲图7. 采用AM技术制造的部件：（a）3D打印的用于空客A350XWB的支架，（b）3D打印的钛合金支架安装在空客A350 XWB的电缆塔上，（c）3D打印的航空面板安装在空客A320的飞机上，这一部件比传统工艺减轻15%，（d）3D 打印的阀块安装在空客A380上，这一部件减轻了35%，同时比传统工艺少了至少10个部件，（e）3D打印的垂直尾翼支架安装在空客A350 XWB上，这一部件可以减轻至少30%，（f）3D打印的管道系统安装在直升机上，这一部件可以只需要更少的时间和更少的工具来实现制造

此外，AM技术还可以减少制造时间和制造所需要的费用。在2018年，波音公司采用AM技术制造了超过7500个工具，在2019年制造了超过14000个工具。如今不仅是制造商，同时飞机航线也开始使用AM技术。KLM荷兰皇家航空公司成为首个航线采用3D打印技术来修复和维护回收的PET工具。

除了AM技术在航空发动机工业中得到应用之外，框架部件连接也使用了金属和塑料进行连接。这一快速发展的技术同时也显著的对飞机的设计起到了积极的作用。飞机的翅膀也是关键部件，可以提供飞机所用的升力和作为条件飞机飞行状态的重要部件，尤其是变体机翼。随着对飞行的高流动性和燃油效率的不断提高，变体机翼和适应性结构成为最为常见的的选择性技术来进一步的提高当前的固定机翼的飞行效率，从而使得这一结构的自适应的构型产生机械转动。得益于3D打印技术的高效率和经济性，AM技术也广泛的用来进行变形机翼的概念研究，如图8所示。采用AM技术制造的夹持销结构曾经用来作为自适应的弧形结构，这一结构同时采用连续碳纤维利用AM技术构建在一个顺从结构上，如图8a所示。在图8b中，精细设计的蜂窝V形图案和主肋采用AM技术进行了成功的制造，实现了焊缝，连续的和均匀的翼展变形翼，这一翼展变形翼是通过机械激励和智能材料来实现刺激的。特殊设计的衬板，如图8c所示，也采用AM技术进行了制造。采用机械的办法很难加工中空的曲线形状的机翼，诸如磨削或者激光切割，均可以非常容易的采用AM金丝狐老实现，从而加速了研发过程。

一个用于UAVs的变形机翼，由40个部件所组成，采用ABS塑料进行AM制造用于风洞实验。尾翼，作为最为有效的调节空气动力学的部件，也采用AM技术进行了制造。一些新的概念用于变形机翼的制造，如晶格为基础的蜂窝结构，如图8d和e所示，也采用AM技术来完成了复杂部件的制造。AM技术同时h还可以有效的和经济的制造用于承受载荷的框架结构，并且可以通过传统的加工工艺组装在一起。使用AM技术，整个框架结构可以在没有一个连接接头的前提下制造成一整个部件，并且该结构的刚性好和呈现出更好的耐振动性能。变形机翼和飞机在采用AM技术制造后进行风洞测试来检查他们的空气动力学行为。一些制造的UAVs也进行了飞行测试，如图8f所示。随着4D打印的快速发展，这一新技术有可能在空气动力学中具有更为广泛的应用，尤其是对于变形机翼的制造上。

▲图8. 采用AM技术来制造变形机翼：（a）3D打印的复合材料柔顺结构（绿色），（b）3D打印的蜂窝V形和主肋，（c）采用3D打印的自适应的机翼段，（de）变形机翼的晶格结构采用3D打印，（f）采用3D打印的的变形机翼进行飞行测试的UAVs

随着AM技术的发展和不断成熟，定制化的产品和结构将会进一步的提高在变形机翼中的应用和实现工程化的变形机翼的工业化进程。尤其是在多材料的AM制造和4D打印上。获得的变形机翼结构将不会只是有利于民用和军用航空飞行器的工业发展，同时也对其他空气动力学应用领域有帮助，如变形汽车和风力发电等。

图9. 3D打印的直升机的机翼及其躯体

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本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！原文题为"Materials Science and Engineering: R: Reports"，发表在Additive manufacturing of structural materials上。