廣義增材制造：新的科技發(fā)展大趨勢(shì)

2012年12月13至16日，增材制造技術(shù)國(guó)際論壇暨第六屆全國(guó)增材制造技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議在武漢華工科技園舉行。本次會(huì)議由中國(guó)工程院、工業(yè)和信息化部、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)和美、英機(jī)械工程師學(xué)會(huì)共同主辦，是增材制造領(lǐng)域中最高規(guī)格的國(guó)際會(huì)議。中國(guó)工程院盧秉恒、關(guān)橋、李培根等八位院士及來(lái)自海內(nèi)外200多位相關(guān)領(lǐng)域的專家齊聚一堂，共同探討增材制造技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)。會(huì)議學(xué)術(shù)委員會(huì)主任關(guān)橋院士應(yīng)邀在會(huì)上做了“基于送絲、送粉和塊體組焊的廣義增材制造技術(shù)”的報(bào)告，引起了廣泛關(guān)注，也使“廣義增材制造”成為業(yè)內(nèi)專家熱議的話題。近日，本刊特約記者圍繞廣義增材制造這一主題走訪了關(guān)橋院士。

記者：2012年12月增材制造國(guó)際論壇中，您首次在學(xué)術(shù)會(huì)議上提出“廣義增材制造”的概念。請(qǐng)您談?wù)剰V義增材與狹義增材制造的內(nèi)涵。

關(guān)橋：“增材”的概念與“減材”相對(duì)。如果用人類構(gòu)建居所作比喻，砌磚蓋房就是“增材制造”，而掘鑿窯洞就是“減材制造”。在現(xiàn)代機(jī)械工程與材料加工成形中，我們已經(jīng)習(xí)以為常的用電焊條手工堆焊成形就是最原始的金屬增材制造方法，而金屬銑切加工則是減材制造的典型例子。

我把圖1上的內(nèi)圓示意為狹義增材制造，主要是以高能束流（電子束、激光束）作為特種能源的增材制造技術(shù)；而廣義增材制造除利用電子束、激光束外，還有更廣泛的能源，如：其他電能、化學(xué)能、電化學(xué)能、光能、機(jī)械能等，如圖1外圈橢圓所示。廣義增材制造包含了狹義增材制造，適用的材料范圍也很廣泛，包括金屬、非金屬、生物組織等；相關(guān)新方法和前沿技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)突飛猛進(jìn)、日新月異的態(tài)勢(shì)。

在過(guò)去20年間，增材制造技術(shù)得以迅猛發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)是高能束流（電子束、激光束）作為特種熱源的技術(shù)進(jìn)步和把增材制造應(yīng)用于金屬材料直接成形構(gòu)件的突破。

記者：如何理解增材制造與金屬材料直接成形構(gòu)件的關(guān)系？

關(guān)橋：如果要給“增材制造”一個(gè)定義，我認(rèn)為，增材制造就是采用高能束流（電子束、激光束）或其他能源，借助CAD/CAM技術(shù)將材料（絲、粉、塊體）熔敷沉積或組合焊接，逐步累積形成實(shí)體構(gòu)件的制造方法。具體而言，高能束流極具柔性，具有熱輸入能量可精確控制，可聚焦、長(zhǎng)焦距、可掃描、易偏轉(zhuǎn)的特性；因此，高能束流的柔性與CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合，在真空室內(nèi)或惰性氣體保護(hù)的環(huán)境中，向聚焦加熱區(qū)填送金屬絲材或鋪送金屬粉料，使材料逐層熔化、凝固堆積，這就構(gòu)成無(wú)模具的快速近凈成形，亦可稱為“金屬直接成形增材制造技術(shù)”。

廣義增材制造可以從三個(gè)技術(shù)層面進(jìn)行分類，見(jiàn)圖2所示：第一個(gè)層面是以材料類別劃分為：金屬構(gòu)件、非金屬制品、生物模型的直接成形制造；第二個(gè)層面是以增材制造方法劃分為：熔敷沉積、氣相沉積、塊體組焊、液相沉積、光固化等；第三個(gè)層面是以可采用的能源劃分為：電能（高能束等）、機(jī)械能、化學(xué)能、光能等。

記者：我國(guó)正處在由制造大國(guó)向創(chuàng)造強(qiáng)國(guó)跨越的戰(zhàn)略機(jī)遇期。請(qǐng)您談?wù)劙殡S增材制造技術(shù)異軍突起，將會(huì)對(duì)我國(guó)，特別是航空工業(yè)產(chǎn)生什么樣的重要意義。

關(guān)橋：相比較傳統(tǒng)的金屬銑削/切除減材制造的劣勢(shì)：需用模具制坯，留有較大加工余量，去除余量銑切工作量大，材料有效利用率低，制造周期長(zhǎng)，成本高等；增材制造具有諸多難以匹敵的優(yōu)勢(shì)：用于金屬材料，可以直接生產(chǎn)出近凈成形的零件，是一種柔性制造技術(shù)；與鍛鑄相比，無(wú)需模具 ；減少銑切加工，節(jié)省原材料；降低成本，縮短制造周期 ，是快速反應(yīng)的敏捷制造；同時(shí)，通過(guò)調(diào)控絲材、粉材的成份和成形熱過(guò)程工藝參數(shù)及后處理，可以獲得性能優(yōu)良，組織致密的實(shí)體構(gòu)件。

增材制造融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造技術(shù)（CAD/CAM）和高能束流材料加工與成形（ Power Beam Processes ）等技術(shù)，為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)制造，彰顯出新的科技發(fā)展大趨勢(shì)。增材制造雨后春筍般的創(chuàng)新發(fā)展，正在強(qiáng)勁地驅(qū)動(dòng)著新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)群的快速崛起，也會(huì)引領(lǐng)設(shè)計(jì)/制造/材料三位一體發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型，從傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式向定制式制造模式轉(zhuǎn)變，帶動(dòng)提升自主創(chuàng)新能力，整合制造、設(shè)計(jì)、材料等資源，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)。

航空工業(yè)對(duì)增材制造技術(shù)，特別是采用電子束、激光束、摩擦熱等能源增材制造技術(shù)的發(fā)展有很強(qiáng)的市場(chǎng)牽引力；尤其是把增材制造應(yīng)用于新型飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，制造的快速反應(yīng)方面，具有重要戰(zhàn)略意義。

記者：據(jù)悉，近年來(lái)，中航工業(yè)制造所擁有的高能束流加工技術(shù)科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究方面開(kāi)展了卓有成效的工作，請(qǐng)您談?wù)劕F(xiàn)已取得了哪些研究成果。

關(guān)橋：廣義增材制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)在制造所可以追溯到上世紀(jì)50年代末期，采用電化學(xué)液相沉積方法制造成功不同規(guī)格的黃銅波紋管，并批量生產(chǎn)。60年代激光束開(kāi)始用于航空材料和零件的加工，而電子束主要用于飛機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)重要結(jié)構(gòu)的焊接制造。這為90年代初建立高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室奠定了基礎(chǔ)。

在隨后的建設(shè)中，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了激光、電子束、等離子體和離子束多學(xué)科交叉融合的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究。制造所憑借其在高能束流加工技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展增材制造科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了良好的技術(shù)資源與人才環(huán)境；幾乎與國(guó)外同步開(kāi)始電子束增材制造技術(shù)的研究。在短短的幾年內(nèi)，滿足了研制新型飛機(jī)重要鈦合金承力結(jié)構(gòu)件的快速反應(yīng)制造。

中航工業(yè)制造所在高能束流增材制造方面重點(diǎn)開(kāi)展了三個(gè)方向的研究。一是基于送絲的電子束增材制造，原理示意于圖3a，即在真空環(huán)境中，電子束按CAD模型沿CAM設(shè)定的路徑，熔化金屬絲材，層層堆積，直接制造出毛坯或近凈成形的構(gòu)件?，F(xiàn)已能制造出如圖3b所示的重要承力鈦合金構(gòu)件。此外，為滿足飛機(jī)鈦合金重要承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，中航工業(yè)制造所還專門研制了絲材合金體系，可設(shè)計(jì)、調(diào)控合金體系及材料性能， 其綜合力學(xué)性能與鈦合金鍛件相當(dāng)；優(yōu)化了電子束參數(shù)和工藝過(guò)程，調(diào)控逐層熔敷的殘余應(yīng)力與變形；研究制定了對(duì)近凈成形構(gòu)件的后處理規(guī)范。

二是鋪粉電子束選區(qū)熔敷增材制造。這是一種精密增材制造，粉材的粒度和鋪層的厚度以及電子束聚焦掃描精準(zhǔn)性決定著構(gòu)件成形的精度，成形后的構(gòu)件即為最終成品?，F(xiàn)已制造出鈦合金復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4）。

三是激光選區(qū)熔敷增材制造（原理見(jiàn)圖5）。在惰性氣體艙內(nèi)，激光按CAD模型沿CAM設(shè)定的路徑軌跡掃描選區(qū)熔敷已經(jīng)鋪好的一層金屬粉材后，成形缸下降一個(gè)步長(zhǎng)，即層厚，同時(shí)右側(cè)料缸上升一個(gè)步長(zhǎng)，刮板將金屬粉材推向成形區(qū)，均勻鋪層，預(yù)熱后激光再次掃描選區(qū)熔敷，逐層堆積，周而復(fù)始，完成構(gòu)件的選區(qū)熔敷增材制造。激光束的品質(zhì)、粉材的顆粒度、層厚的尺度、過(guò)程工藝參數(shù)控制等因素決定著激光選區(qū)熔敷增材制造的精準(zhǔn)程度。復(fù)雜空間構(gòu)件成形后經(jīng)表面拋光即為成品，這是其他成形加工方法所不及。激光選區(qū)熔敷增材制造技術(shù)將在新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。

在重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光增材制造研究開(kāi)發(fā)中，把技術(shù)與裝備研發(fā)相結(jié)合，基于機(jī)械手的激光直接成形裝備，集同軸送粉直接成形、鋪粉選區(qū)熔敷成形、送絲熔化成形于一體，具備溫控、除氧、除塵等功能。

記者：除以電子束和激光束為熱源的狹義增材制造技術(shù)群的研發(fā)外，請(qǐng)問(wèn)制造所在廣義增材制造方面正在開(kāi)展哪些研究及工程化工作？

關(guān)橋：制造所正在研究與工程化應(yīng)用開(kāi)發(fā)相關(guān)的廣義增材制造技術(shù)有：采用激光焊或攪拌摩擦焊將擠壓型材筋條組合焊接在蒙皮上，這就是用塊體組焊方法制造鋁合金、鈦合金飛機(jī)帶筋整體壁板，替代傳統(tǒng)預(yù)拉伸厚板銑切加工的減材制造。相比之下，帶筋整體壁板的塊體組焊增材制造可以使原材料的利用率從10%提高到95%，從而大幅度地降低了銑切加工工時(shí)，縮短制造周期，降低成本，滿足新型飛機(jī)研制的快速反應(yīng)制造。這類鋁合金帶筋整體壁板攪拌摩擦焊的塊體組焊固相增材制造工程化批量生產(chǎn)，在我國(guó)造船、航天、高速列車等其他產(chǎn)業(yè)部門的推廣應(yīng)用方面已獲得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

另829a1b6800ea0d4aca78b3cc5a71c0746c0f6f7130066ff660c378f05ae4cee7外我想再舉兩個(gè)例子。一是采用線性摩擦焊制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤，這是基于塊體組焊固相增材制造技術(shù)的典型實(shí)例； 線性摩擦焊增材制造整體葉盤，接頭為固相連接的金相組織結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6），“固相增材制造”由此而得名，以區(qū)別于“熔敷”或“熔化”增材制造。高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)為提高推重比，必須減輕自身的重量，最有效的途徑之一就是把壓氣機(jī)葉片與盤的榫頭連接改為焊接整體葉盤（Blisk）， 可減重50%。相對(duì)于由整體鍛坯數(shù)控加工的減材制造而言，采用線性摩擦焊制造整體葉盤是增材制造（見(jiàn)圖7），大幅降低了銑切加工，節(jié)材、節(jié)時(shí)，降低成本，還可實(shí)現(xiàn)空心葉片的整體葉盤制造。此外，裝備是工藝技術(shù)的載體，為了新技術(shù)的工程化應(yīng)用，根據(jù)連接的面積和材料特性，制造所還自主研制了線性摩擦焊設(shè)備。

第二個(gè)例子是電子束物理氣相沉積增材制造技術(shù)。電子束物理氣相沉積是在真空中，利用高能電子束大束斑對(duì)靶材進(jìn)行轟擊并使之熔化、沸騰、蒸發(fā)，蒸汽原子或粒子流在基體或零件表面凝結(jié)、形成新沉積層的物理過(guò)程；可以有若干個(gè)電子槍和相對(duì)應(yīng)的靶材同時(shí)進(jìn)行氣相沉積，不僅提高效率，還用以制造不同功能的沉積層或梯度材料。制造所已經(jīng)采用電子束物理氣相沉積增材制造技術(shù)研制了超級(jí)冷卻渦輪葉片試驗(yàn)件：在骨架上制備氣冷通道，借助填充材料，形成葉型；在真空室內(nèi)將靶材蒸汽沉積其上，逐漸堆積達(dá)到葉片成品的要求。此外，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片缺損的修復(fù)工程中，電子束物理氣相沉積增材制造也正在展現(xiàn)出潛在的市場(chǎng)前景。

后記：

黨的十八大提出“推動(dòng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)的健康發(fā)展”，這既是增強(qiáng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展能力、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略舉措，也是構(gòu)建產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)、掌握未來(lái)發(fā)展主動(dòng)權(quán)的必然選擇。面向未來(lái)發(fā)展和全球競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)家需要廣義增材制造這樣的關(guān)鍵核心技術(shù)。更重要的是，從關(guān)橋院士的敘述中可以看到，廣義增材制造不是一花一木，而是一片森林，其背后是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)群的崛起，就像一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)著工藝方法、材料體系、裝備制造、后處理等技術(shù)體系的發(fā)展壯大。相信在關(guān)橋院士等一代又一代科技人員的努力下，廣義增材制造技術(shù)將為開(kāi)啟我國(guó)成為“創(chuàng)造強(qiáng)國(guó)”的一扇大門作出貢獻(xiàn)，為“中國(guó)夢(mèng)”的早日實(shí)現(xiàn)邁開(kāi)堅(jiān)實(shí)的步伐。