近幾年來(lái)，增材制造在全球范圍內迅速走熱，各國對于增材制造技術(shù)又開(kāi)始重新重視起來(lái)，美國總統奧巴馬將其視作制造業(yè)回歸升級的重要方向，中國也在金屬增材制造領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先水平。隨著(zhù)技術(shù)不斷的進(jìn)步，增材制造已經(jīng)在航空航天、模具以及汽車(chē)等領(lǐng)域獲得大規模應用，而走在應用前列的當屬美國NASA。

　　據美國國家航空航天局（NASA）官網(wǎng)近日報道，NASA工程人員正通過(guò)利用增材制造技術(shù)制造首個(gè)全尺寸銅合金火箭發(fā)動(dòng)機零件以節約成本，NASA空間技術(shù)任務(wù)部負責人表示，這是航空航天領(lǐng)域3D打印技術(shù)應用的新里程碑。

　　增材制造（AM）技術(shù)又稱(chēng)為快速原型、快速成形、快速制造、3D打印技術(shù)等，是指基于離散-堆積原理，由零件三維數據驅動(dòng)直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系?；诓煌姆诸?lèi)原則和理解方式，增材制造技術(shù)的內涵仍在不斷深化，外延也不斷擴展。增材制造技術(shù)不需要傳統的刀具和夾具以及復雜的加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實(shí)現了零件“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且產(chǎn)品結構越復雜，其制造速度的作用就越顯著(zhù)。

　　歐美發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展和推動(dòng)增材制造技術(shù)的國家戰略和規劃，增材制造技術(shù)已受到政府、研究機構、企業(yè)和媒體的廣泛關(guān)注。2012年3月，美國白宮宣布了振興美國制造的新舉措，將投資10億美元幫助美國制造體系的改革。其中，白宮提出實(shí)現該項計劃的三大背景技術(shù)包括了增材制造，強調了通過(guò)改善增材制造材料、裝備及標準，實(shí)現創(chuàng )新設計的小批量、低成本數字化制造。2012年8月，美國增材制造創(chuàng )新研究所成立，聯(lián)合了賓夕法尼亞州西部、俄亥俄州東部和弗吉尼亞州西部的14所大學(xué)、40余家企業(yè)、11家非營(yíng)利機構和專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì )。

　　其他歐洲國家也在積極跟進(jìn)增材制造技術(shù)的研發(fā)。英國政府自2011年開(kāi)始持續增大對增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費。以前僅有拉夫堡大學(xué)一個(gè)增材制造研究中，諾丁漢大學(xué)，謝菲爾德大學(xué)、?？巳卮髮W(xué)和曼徹斯特大學(xué)等相繼建立了增材制造研究中心。英國工程與物理科學(xué)研究委員會(huì )中設有增材制造研究中心，參與機構包括拉夫堡大學(xué)、伯明翰大學(xué)、英國國家物理實(shí)驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學(xué)、研究機構及企業(yè)。法國增材制造協(xié)會(huì )致力于增材制造技術(shù)標準的研究。在政府資助下，西班牙啟動(dòng)了一項發(fā)展增材制造的專(zhuān)項，研究?jì)热莅ㄔ霾闹圃旃残约夹g(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等四方面內容。

　　目前，除了美國外，其他一些發(fā)達國家也在積極推動(dòng)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應用。德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推動(dòng)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結構輕量化方面的應用。澳大利亞政府于2012年啟動(dòng)“微型發(fā)動(dòng)機增材制造技術(shù)”項目，旨在使用增材制造技術(shù)制造航空航天領(lǐng)域微型發(fā)動(dòng)機零部件。日本政府也很重視增材制造技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)優(yōu)惠政策和大量資金鼓勵產(chǎn)學(xué)研用緊密結合，有力促進(jìn)該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應用。之所以會(huì )產(chǎn)生這一熱潮，是因為金屬3D打印增材制造技術(shù)對航空航天領(lǐng)域帶來(lái)的效益是廣泛的。

　　第一，加速新型航空航天器的研發(fā)。金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)擺脫了模具制造這一顯著(zhù)延長(cháng)研發(fā)時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節，兼顧高精度、高性能、高柔性，可以快速制造結構十分復雜的金屬零件，為先進(jìn)航空航天器的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。

　　第二，顯著(zhù)減輕結構重量。減輕結構重量是航空航天器最重要的技術(shù)需求，傳統制造技術(shù)已經(jīng)被發(fā)揮到接近極限，難以再有更大的作為。而金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過(guò)最優(yōu)化的結構設計來(lái)顯著(zhù)減輕金屬結構件的重量。

　　第三，顯著(zhù)節約昂貴的戰略金屬材料。航空航天器由于對高性能的需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但很多零件的材料利用率非常低，一般低10%，有時(shí)甚至于僅為2%-5%。大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑，同時(shí)伴隨著(zhù)極大的機械加工量。作為一種高性能近凈成型技術(shù)，金屬3D打印高性能增材制造技術(shù)可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60%-95%，甚至更高，同時(shí)也就顯著(zhù)減少了機械加工量。

　　第四，制造一些過(guò)去無(wú)法實(shí)現的功能結構，包括：最合理的應力分布結構；通過(guò)最合理的復雜內流道結構實(shí)現最理想的溫度控制手段；通過(guò)合理的結構設計和材料分布實(shí)現振動(dòng)頻率特征的調控，避免危險的共振效應；通過(guò)多材料任意復合實(shí)現一個(gè)零件的不同部位分別滿(mǎn)足不同的技術(shù)需求等。

　　第五，通過(guò)激光組合制造技術(shù)改造提升傳統制造技術(shù)，使鑄造、鍛造和機械加工等傳統制造技術(shù)手段更好地發(fā)揮作用。激光立體成型技術(shù)可以實(shí)現異質(zhì)材料的高性能結合，從而可以在通過(guò)鑄造、鍛造和機械加工等傳統技術(shù)制造出來(lái)的零件上任意添加精細結構，并且使其具有與整體制造相當的力學(xué)性能。這就可以把增材制造技術(shù)成型復雜精細結構的優(yōu)勢與傳統制造技術(shù)高效率、低成本的優(yōu)勢結合起來(lái)，形成最佳的制造策略。

　　增材制造技術(shù)是有助于NASA繼續探月行動(dòng)，甚至維持火星探測人員生存的眾多技術(shù)之一。發(fā)動(dòng)機是由大量不同材料制成的復雜零件組裝而成，其提供的推力為火箭提供動(dòng)力。增材制造具有降低火箭零件制造時(shí)間和成本的潛能，如火箭燃燒室銅合金內襯，在火箭燃燒室內超冷推進(jìn)劑被混合并加熱到將火箭送到太空所需的極端溫度。在紙一樣厚的銅合金內襯壁里面，溫度激增到2760，通過(guò)氣體循環(huán)，將內襯壁外面的溫度冷卻到絕對零度以上100以下，來(lái)防止熔化，銅合金內襯是專(zhuān)為實(shí)現這一目的而制造。為了使氣體循環(huán)，在燃燒室內襯內、外壁之間建造了200多條復雜通道。

　　這種具有復雜內部幾何特征的小通道對NASA增材制造團隊帶來(lái)挑戰。馬歇爾太空飛行中心材料與加工實(shí)驗室采用其選擇性激光熔融設備融合了8255層銅合金粉末，在10天零18小時(shí)的時(shí)間內制造了燃燒室內襯。在制造燃燒室內襯之前，材料工程師建造了幾個(gè)其他試驗件，對材料進(jìn)行了表征，且設計創(chuàng )造了銅合金增材制造工藝。銅合金具有極好的導熱性，這也是銅合金作為發(fā)動(dòng)機燃燒室及其他零件內襯理想材料的原因。然而，這種屬性卻為銅合金增材制造帶來(lái)挑戰，因為激光很難連續熔化銅合金粉末。

　　目前，僅有少量銅合金火箭零件的可采用增材制造技術(shù)來(lái)制造。因此，NASA正在通過(guò)3D打印一個(gè)火箭零件來(lái)開(kāi)辟技術(shù)新天地，這一組件必須經(jīng)受極端高溫和低溫，且具有復雜的冷卻通道，該通道是建造在內壁厚度為鉛筆斑痕的外部上的。該零件是由NASA格倫研究中心的材料科學(xué)家創(chuàng )造的GRCo-84銅合金建造而成。格倫研究中心廣泛的材料表征有助于驗證3D打印的工藝參數，確保建造質(zhì)量。格倫研究中心將開(kāi)發(fā)材料機械性能的廣泛數據庫，用于指導未來(lái)的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機設計。

　　制造銅合金發(fā)動(dòng)機燃燒室內襯僅僅是低成本火箭上面級推進(jìn)項目的第一步，該項目由NASA空間技術(shù)任務(wù)部的顛覆性開(kāi)發(fā)計劃資助。NASA的顛覆性計劃資助那些將變革未來(lái)太空活動(dòng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，包括NASA的探月計劃。對于工程人員而言，項目的下一步是將銅合金內襯運送到NASA的蘭利研究中心，采用電子束自由成形在銅合金內襯外部直接沉積鎳合金結構外殼。之后，預計于今年夏季在馬歇爾飛行中心進(jìn)行發(fā)動(dòng)機部件的熱點(diǎn)火測試，以確定在模擬的極端溫度和壓力條件下，發(fā)動(dòng)機的運行情況。