呂堅院士團隊頂刊發表綜述：結構材料的增材製造（五）

江蘇激光聯盟導讀：

近日，香港城市大學呂堅院士團隊在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上發表綜述論文“Additive manufacturing of structural materials”該論文分別從增材製造領域的發展歷史，材料選擇，4D 打印，應用前景和趨勢展望等方面做了較爲系統的介紹。江蘇激光聯盟將陸續對其主要內容進行介紹，本文爲第五部分 ，增材製造結構在航空航天中的應用。

4. 增材製造結構的應用

4.1. 航空航天領域中的應用

AM技術在當前的和潛在的航空領域中的應用是目前最爲活躍的領域。

宇航學領域中的應用

▲圖1. 宇航領域中的應用部件舉例

圖2. 飛機中的AM技術應用舉例

4.1.1. 宇航中的應用

4.1.1.1. 航天飛行器工程

航空航天工業中應用AM技術來製造產品部件，這是因爲AM技術的設計邏輯，高的功能性，高的製造效率以及輕質的產品製造等優點造成的。採用SLM技術製造的整體式推力室和設計製造的蜂窩芯可以減少部件的數量以及同時具有輕質和呈現出良好的功能性。EOS引入了一個簡化的推進模板，採用直接金屬燒結設備進行了不同類型的規格製造。一體式基板和採用傳統的噴嘴設計工藝製造的噴嘴包括248個部件。新的設計和製造工藝會導致成本低50%並實現產品製造週期變得。

▲圖3.（a）採用一體化設計的辦法，利用EOS設備在基板上進行打印的部件；（b）採用EOS設備和一體化設計理念製造的噴嘴；（c）NASA的用於RS-25發動機的Pogo Z-反射板，該噴嘴採用SLM技術進行製造；（d）NASA測試3D打印的銅合金燃燒室，採用電子束自由成型製造的鎳基合金保護套

NASA同時還採用AM技術優化了火箭發動機。採用SLM進行製造時，同傳統的製造工藝相比較，至少降低了65%的製造成本，這是因爲焊接的數量和潛在的再工作量得到了顯著的減少。其設計同時也提高了穩定性和對工人熟練程度的依賴，從而減少了產品的不穩定性。採用AM技術製造的火箭推進系統在2018年進行了成功的測試。鎳基合金保護套是採用電子束工藝進行製造的並經過了測試，見圖3c和d。

4.1.1.2.太空載具部件

3D打印同時還可以拓展外層空間天線和航天載具部件的製造範圍和靈活性。一開始，官方組織使用AM技術來製造了大的航天載具部件，如戰鬥機和導航衛星，並且逐漸的拓展到其他應用領域，如製造無人駕駛飛行器和城市所用的近地衛星等。在採用3D打印技術之前，傳統的製造技術是不能進一步優化和減少航天器件部件材料的質量的。AM技術使得這變成可能，這在採用傳統工藝的時候是非常困難或者非常昂貴的。AM技術同時還可以保證產品質量，此外，部件的應力分佈將會更加均勻，這將減少部件的磨損和提高部件的服役壽命。

NASA拓展它的製造策略包括幾個狀態和沉積模式。NASA開始研究和發展了幾十年的時間，並在這一領域領先其他國家。它的主要興趣在於金屬材料。科學家嘗試了採用SLM技術來製造J-2X火箭發動機的渦輪泵排氣口蓋。該新部件的製造成本只有傳統制造工藝成本的25%。另外一個典型的例子RS-25航天飛機發動機的連接問題。該部件成功的通過了熱火焰測試，並且在採用現有工藝進行製造的時候其部件數量顯著的從原來複雜的127個減少到現在的4個焊縫數量。超級德拉科飛船的發動機引擎（Super Draco spacecraft’s engine）的關鍵部件採用3D打印技術進行了打印。在AM技術先進的整體式製造的幫助下，在以前需要幾十個部件的數量，在現在只需要3個部件就可以完成。超級德拉科飛船的燃燒室採用直接金屬燒結技術進行了鎳基合金的製造，這極大的縮短了整個部件設計和製造的週期。進一步的，兩個宇航飛行員Bob Behnken和 Doug Hurley乘坐SpaceX龍飛船時穿戴的就是3D打印的頭盔和防護帽完成了這一載人飛行，見圖4所示。這是3D打印技術在SpaceX中的另外一個應用，同時在獵鷹9”火箭（Falcon 9 rocket）和龍飛船V2上得到了應用。這兩個宇航員所穿戴的大多數的白色的頭盔和防護服都是採用3D打印技術進行製造的。中國的長征5B運載火箭配備了3D打印的部件。這是第一次國際上3D打印實驗的連續纖維增強複合材料在太空中的應用。圖4d顯示的是在軌運行的3D打印的連續纖維增強樣品的兩個實際應用案例。

▲圖4.（a）RS-25的連接接接頭；（b）超級德拉科飛船的發動機引擎（Super Draco spacecraft’s engine），（c）宇航員Bob Behnken和 Doug Hurley 及其所穿戴的頭盔和防護服；（d）中國的在軌運行的採用3D打印技術打印的兩個連續纖維增強3D打印部件:蜂窩結構和中國航天科技集團的Logo

▲圖5.（a）設計的波紋圓錐喇叭天線的設計圖；（b）波紋圓錐喇叭天線原型圖的橫截面

3D打印技術同時在天線的製造中也具有非常大的潛力。對於航天飛行器和航天衛星，通訊是非常重要的部件，天線的重要性是尤其重要的。天線必須滿足高的表面精度和在外太空非重力的條件下運行正常且穩定。此外，外太空還存在大量的輻射和宇宙射線。3D打印技術是一個非常優秀的天線製造技術，尤其是在製造框架和部署結構方面具有獨特的優勢。來自雅薩爾大學的研究人員製造了一個波紋圓錐喇叭天線來滿足衛星通訊所需要的反射，如圖5所示。該設計是在CST的微波Studio項目中完成的，可以運行在10.5–18.5 GHz波段。從成本和製造時間上來考慮，這一天線同採用其他高導金屬所製造的金屬的優勢要大得多。

4.1.2. 航空中的應用

4.1.2.1. 飛機發動機

AM技術的發展是在製造工業中不斷革新進步的一種技術。AM技術，伴隨着其製造的柔性和具有減少原材料的優勢，直接導致了在加工和製造工業中的變革。因此，這一技術非常適合應用在複雜，多變化，原材料昂貴的製造場合，尤其是在航空領域，將會不可避免的得到廣泛的應用和促進。這裡有四個大的優勢：（1）首選是製造生產力的提高。該技術製造發動機的週期在當前爲2-3周，而巨大的市場需要每週製造7個發動機才能滿足需要。AM技術可以應用到同時製造複雜的發動機部件上，避免複雜的部件連接，熱處理和加工以及傳統制造工藝的組裝過程，這顯著的提高了提到製造效率和減少了部件的交付時間。其次是反向工程設計變成可能。工程設計者不再受到傳統的製造工藝設計的限制，可以採用AM技術來製造按照部件自然屬性來製造和組裝部件。AM技術同時還可以實現採用傳統工藝無法實現的複雜形狀的製造，這有利於幫助製造出滿足單個項目所需要的適宜的部件的製造。第三是浪費和成本大爲減少。AM技術允許我們在設計的時候修改任何一個點和製造工藝，減少製造時間和加工成本。材料用在了它所需要的地方。並且不需要對每一個部件進行昂貴的加工和技術複雜的部件進行製造的困難，減少了材料的浪費和提高了製造產品部件的性能。第四是AM技術是一個數字製造工業。而採用AM技術，工程人員可以非常簡單的上傳3D打印的文件，然後非常容易的實現打印。這一技術可以非常顯著的減少部件的研發時間和不必要的裝運時間。

3D打印技術同時還可以應用到航空發動機的推進系統的部件中，並且這裡主要有兩種AM技術應用到這一領域，分別是EBM和SLM技術。SLM技術是一種粉末牀形式的層層堆積技術。在製造過程中，部件被激光所燒結熔化和然後凝固。這一辦法廣泛的應用在燃燒室和製造優異特徵以及高精度的場合。此外，該技術同時還可以實現內部複雜形狀的設計和製造。因此，SLM技術的限制在於其尺度，由此，它目前不適合應用於大型部件的製造。SLM技術和EBM技術存在稍微的區別。EBM技術採用電子束來代替激光進行加熱和熔化材料，同時電子束加工是在真空中進行的。此外，對於燃燒室部件的製造並不常見。真空製造的工藝比較適合活性材料的如Ti和Mg等材料的加工。由於AM技術在飛機發動機中應用的廣泛性，NASA發展了雙金屬的燃燒室。該燃燒室是採用銅合金作爲內襯，採用SLM技術進行製造。採用SLM技術製造內襯和採用能量直接沉積技術製造支撐部件。一個相似的製造過程應用到點火系統中，形成的是雙金屬，使用的是變形材料和直接能量沉積技術。NASA也採用AM技術發展了一系列的不同材料類型和不同元素類型的專用噴油器。噴嘴的直徑變化範圍自1.25到7.5英寸之間變化，噴嘴是採用粉末牀工藝進行製造的。採用AM技術製造噴嘴可以有效的減少製造成本和減少製造週期。進一步的，這一辦法同時還可以允許實現個性化的設計。因此，噴嘴採用AM技術製造的主要障礙在於其相對低的尺寸分辨率，尤其是在發射的方向上。此外，其表面粗糙度也是需要解決的一個問題。

推進系統的發展在提高航空飛行器產品的綜合性能上具有非常重要的作用。隨着模擬技術，粉末準備的技術和收縮變形控制技術以及其他關鍵技術的突破，3D打印數據庫和標準的建立將會得到更好的完善，從而進一步的促進3D打印技術在航空發動機中的應用。

AM技術已經廣泛的應用在航空和航天工業中，從而加速了部件的設計和製造。AM技術使得製造的產品更輕，更經久耐用和使得更加有效的設計變爲可能。根據GE公司的報告，AM技術在如下方面具有獨特的優勢。AM技術導致低的製造成本和簡化了產品的供應鏈，使得部件的製造更加整體化和減少了供應的成本。AM技術幫助提高了產品的性能，這是因爲材料和形狀的製造柔性變得更好。AM技術減少了製造的週期和改變了製造的分佈和對客戶定製產品的需求。

在航空飛機中，AM技術可以用來製造發動機部件，航空結構，飛機框架和飛機部件以及系統，內飾件，二次結構和航空電子零件。作爲最爲重要的應用，AM技術還用來製造軍用和民用發動機。世界上最大的發動機製造商，包括GE公司，普惠公司和羅羅公司，均在致力於將這一技術用來提高其發動機的性能見圖6。

▲圖6. 採用AM技術的民用和軍用發動機：(a) GE CT7-2 發動機 [365], (b) GE’s Catalyst™ 先進渦輪螺旋槳發動機 , (c) GE T901渦輪軸發動機 [367], (d) GE9X 商用航空發動機 [368], (e) CFM LEAP 商業發動機, (f) P&W GTF 商用發動機, (g) RR Advance 3 [362], (h) RR UltraFan® [362], and (i) RR Trent XRB-97

4.1.2.2. 飛行器部件

最爲常見的應用到航空工業中的AM技術是快速等離子沉積，金屬直接激光熔化，SLM，EBM，BJ等。金屬材料應用到這些工業中主要包括Ti，Ti合金，不鏽鋼，鋁合金，鋁，鎳基合金以及Co-Cr合金等。採用3D打印技術製造的航空部件在航空工業中成爲非常常見的工業選擇，因爲這些部件可以減輕30-55%，使用的原材料浪費減少90%。波音公司研究顯示3D打印技術在降低製造成本和減輕部件的重量方面具有十分明顯的優勢。在CNN的報道中，Grazia Vittadini，空客的CTO，聲稱可以高達55%的重量能夠減輕。圖7顯示的爲採用AM技術製造的其他 部件。

▲圖7. 採用AM技術製造的部件：（a）3D打印的用於空客A350XWB的支架，（b）3D打印的鈦合金支架安裝在空客A350 XWB的電纜塔上，（c）3D打印的航空面板安裝在空客A320的飛機上，這一部件比傳統工藝減輕15%，（d）3D 打印的閥塊安裝在空客A380上，這一部件減輕了35%，同時比傳統工藝少了至少10個部件，（e）3D打印的垂直尾翼支架安裝在空客A350 XWB上，這一部件可以減輕至少30%，（f）3D打印的管道系統安裝在直升機上，這一部件可以只需要更少的時間和更少的工具來實現製造

此外，AM技術還可以減少製造時間和製造所需要的費用。在2018年，波音公司採用AM技術製造了超過7500個工具，在2019年製造了超過14000個工具。如今不僅是製造商，同時飛機航線也開始使用AM技術。KLM荷蘭皇家航空公司成爲首個航線採用3D打印技術來修復和維護回收的PET工具。

除了AM技術在航空發動機工業中得到應用之外，框架部件連接也使用了金屬和塑料進行連接。這一快速發展的技術同時也顯著的對飛機的設計起到了積極的作用。飛機的翅膀也是關鍵部件，可以提供飛機所用的升力和作爲條件飛機飛行狀態的重要部件，尤其是變體機翼。隨着對飛行的高流動性和燃油效率的不斷提高，變體機翼和適應性結構成爲最爲常見的的選擇性技術來進一步的提高當前的固定機翼的飛行效率，從而使得這一結構的自適應的構型產生機械轉動。得益於3D打印技術的高效率和經濟性，AM技術也廣泛的用來進行變形機翼的概念研究，如圖8所示。採用AM技術製造的夾持銷結構曾經用來作爲自適應的弧形結構，這一結構同時採用連續碳纖維利用AM技術構建在一個順從結構上，如圖8a所示。在圖8b中，精細設計的蜂窩V形圖案和主肋採用AM技術進行了成功的製造，實現了焊縫，連續的和均勻的翼展變形翼，這一翼展變形翼是通過機械激勵和智能材料來實現刺激的。特殊設計的襯板，如圖8c所示，也採用AM技術進行了製造。採用機械的辦法很難加工中空的曲線形狀的機翼，諸如磨削或者激光切割，均可以非常容易的採用AM金絲狐老實現，從而加速了研發過程。

一個用於UAVs的變形機翼，由40個部件所組成，採用ABS塑料進行AM製造用於風洞實驗。尾翼，作爲最爲有效的調節空氣動力學的部件，也採用AM技術進行了製造。一些新的概念用於變形機翼的製造，如晶格爲基礎的蜂窩結構，如圖8d和e所示，也採用AM技術來完成了複雜部件的製造。AM技術同時h還可以有效的和經濟的製造用於承受載荷的框架結構，並且可以通過傳統的加工工藝組裝在一起。使用AM技術，整個框架結構可以在沒有一個連接接頭的前提下製造成一整個部件，並且該結構的剛性好和呈現出更好的耐振動性能。變形機翼和飛機在採用AM技術製造後進行風洞測試來檢查他們的空氣動力學行爲。一些製造的UAVs也進行了飛行測試，如圖8f所示。隨着4D打印的快速發展，這一新技術有可能在空氣動力學中具有更爲廣泛的應用，尤其是對於變形機翼的製造上。

▲圖8. 採用AM技術來製造變形機翼：（a）3D打印的複合材料柔順結構（綠色），（b）3D打印的蜂窩V形和主肋，（c）採用3D打印的自適應的機翼段，（de）變形機翼的晶格結構採用3D打印，（f）採用3D打印的的變形機翼進行飛行測試的UAVs

隨着AM技術的發展和不斷成熟，定製化的產品和結構將會進一步的提高在變形機翼中的應用和實現工程化的變形機翼的工業化進程。尤其是在多材料的AM製造和4D打印上。獲得的變形機翼結構將不會只是有利於民用和軍用航空飛行器的工業發展，同時也對其他空氣動力學應用領域有幫助，如變形汽車和風力發電等。

圖9. 3D打印的直升機的機翼及其軀體

未完待續，江蘇激光聯盟激光紅歡迎您的持續關注。

本文爲江蘇省激光產業技術創新戰略聯盟原創作品，如需轉載請標明來源，謝謝合作支持！原文題爲"Materials Science and Engineering: R: Reports"，發表在Additive manufacturing of structural materials上。