增材制造——3D打印的正称
摘要：三维打印具有狭义和广义两种概念，广义上的三维打印在国内外学术界和政府文件里被称为增材制造。文章还介绍了增材制造技术相关的多种制造工艺。
关键词：增材制造，三维打印
收稿日期：2013-07-15
作者简介：余前帆(1969—)，男，江西樟树人，硕士，全国科学技术名词审定委员会副编审，主要研究方向为计算机科学技术等。通信方式：yuqf@cnctstgovcn。
近来，3D打印这一名词频频出现在有关科技创新的新闻报道中，越来越多的读者开始注意到3D打印技术和3D打印机。这种数字化信息技术与新材料的结合，被西方媒体誉为将带来“第三次工业革命”的新技术，已经开始撼动传统的制造行业，必将催生以定制式数字制造为特征的新时代。为了使读者对3D打印技术有所了解，我们在这里对3D打印技术及相关名词和概念进行简要的介绍。
一三维打印概念的起源
从构词结构上看，3D打印是包含英文字母的汉语字母词，并不是一个规范的术语。它的英文全称为three dimensional printing(简称为3D printing或3DP)，中文名称应为三维打印，也有资料译作三维印刷。三维打印技术诞生于20世纪80年代的美国，中国从1991年开始研究三维打印技术，当时的名称叫快速原型技术(rapid prototyping，RP)，即开发样品之前的实物模型。
三维打印作为科技名词具有狭义和广义两种概念。狭义上的三维打印在业内专指快速成型制造的一种工艺，它是于20世纪80年代由美国麻省理工学院教授伊曼纽尔·萨克斯(Emanuel M Sachs)和他的学生保罗·威廉姆斯(Paul Williams)发明的。这种工艺的流程是，先铺好粉末，然后用喷墨打印机的方式喷出黏结剂，反复操作，最后打印出产品。
二广义的规范名称：增材制造
为便于快速原型制度技术的推广和公众的接受，业界把这一类基于离散——堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系，统称为三维打印，也就是广义上的三维打印，但是在国内外学术界和政府文件里则称为增材制造(additive manufacturing， AM;英文也曾写作material increase manufacturing，MIM)[1]。
通俗地讲，增材制造是相对传统制造业采用的减材制造而言的。减材制造就是通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削、去除，从而最终生产出成品。与减材制造方法正相反，增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，它将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，就好比用砖头砌墙，逐层增加材料，最终形成物件。它是一种“自下而上”的制造方法，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。从技术上说，增材制造技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等五大技术特征①。增材制造技术的核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合，它是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。
近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展，早期出现过快速制造(rapid manufacturing， RM)、快速原型(rapid prototyping，RP)、快速原型制造(rapid prototype manufacturing， RPM)、分层制造技术(layered manufacturing technology，LMT)、实体自由制造(solid freeform fabrication， SFF)等不同的名称，从不同侧面表达了这一技术的特点。增材制造技术将会广泛应用在科学研究、航空航天、国防、医疗、建筑设计、产品原型、文物保护、制造业、食品、汽车制造、配件、饰品等领域。
三增材制造技术的工艺类型
增材制造技术结合了众多当代高新技术，包括计算机辅助设计、数控技术、激光技术、材料技术等，并将随着技术的更新而不断发展。自1986年出现至今，短短二十几年，世界上已有大约二十多种不同的成型方法和工艺，而且新方法和工艺不断地出现。三维打印机采用的增材制造技术的主要工艺有：立体光刻、分层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成型、激光工程化净成型、无模铸型制造和三维打印等。
立体光刻(stereo lithography， SLA)，也有资料译成光固化、光造型。这种工艺是由美国的查尔斯·赫尔(Charles Hull)于20世纪80年代发明，1986年美国3D Systems公司推出商品化样机SLA1，这是世界上第一台快速原形系统。其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地黏在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。该工艺的特点是原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等[2]。
分层实体制造(laminated object manufacturing， LOM)，也有资料译成叠层实体制造。这种工艺由美国Helisys公司的迈克尔·费金(Michael Feygin)于1986年研制成功。其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片黏结成三维实体。其工艺过程是首先铺上一层箔材，如纸、塑料薄膜等，然后用激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地黏结在已成型体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。由于该工艺材料仅限于纸或塑料薄膜，性能一直没有提高，因而逐渐走入没落，大部分机构已经或准备放弃该工艺。
选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)，也有资料译成激光选区烧结。这种工艺最早由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究员德卡德(CR Dechard)于1989年研制成功。该工艺常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成型材料。其工艺过程是先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。
熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)，也有资料译成混合沉积建模、熔融挤出成型。这种工艺由美国学者在1988年首次提出，美国Stratasys公司在1992年开发推出第一台商业机型。其工艺过程是以热塑性成型材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，制造成本低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染[3]。
激光工程化净成型(laser engineered net shaping，LENS)，也有资料译成激光近形制造技术或者激光近净成型技术。这种工艺是由美国Sandia国立实验室首先提出的。它将选择性激光烧结工艺和激光熔覆工艺(laser cladding)相结合，快速获得致密度和强度均较高的金属零件。选择性激光烧结工艺如前所述。激光熔覆工艺是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基材表面快速熔化，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。激光工程化净成型工艺既保持了选择性激光烧结技术成型零件的优点，又克服了其成型零件密度低、性能差的缺点[4]。
无模铸型制造(patternless casting manufacturing，PCM)是由清华大学激光快速成型中心于1997年开发研制。其工艺过程是首先从零件计算机辅助设计(CAD)模型得到铸型CAD模型。通过计算机分层得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息。造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上喷射黏结剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂，两者发生胶联反应，一层层固化型砂而堆积成型。在得到的砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。该工艺的特点是制造时间短，无需木模，一体化造型，型和芯同时成型，可制造含自由曲面、曲线的铸型[5]。
三维打印工艺，即上文所说的由伊曼纽尔·萨克斯教授等人发明的一种快速原型制造工艺。三维打印工艺与选择性激光烧结工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用黏结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。具体工艺过程如下：上一层黏结完毕后，成型缸下降一个距离，供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按照下一个建造截面的成型数据有选择地喷射黏结剂建造层面。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂，最终完成一个三维粉体的黏结。未被喷射黏结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，成形结束后易于去除[6]。
四三维打印技术的延伸：四维打印
当人们正在为三维打印技术感到惊叹的时候，科研人员紧接着又推出了四维打印技术。2013年2月在美国洛杉矶举办的“2013科技、娱乐、设计大会”上，来自美国麻省理工学院自我组装实验室的斯凯勒·蒂比茨(Skylar Tibbits)向人们展示了四维打印技术。
四维打印(four dimensional printing，4DP)，俗称4D打印。四维打印是由麻省理工学院与三维打印技术的领先企业Stratasys公司的教育研发部门合作研发的，是一种无需打印机器就能让材料快速成型的革命性新技术。所谓第四维度指的是时间，就是在三维打印的基础上增加时间元素。人们可以通过计算机软件设定模型和时间，让物体随着时间的推移自我进行变化，按照产品的设计自动变形成相应的形状。四维打印的关键材料是记忆合金，准确地说，四维打印是一种能够自动变形的材料，直接将设计内置到物料当中，不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。与之前三维打印概念相比，四维打印具备更大的发展前景。
注 释：
① 参见张人佶2013在山西新产业革命国际论坛——数字制造、能源互联网和高性能计算的发言《增材制造的技术特征及发展潜力》。
参 考 文 献
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[6]胡迪·利普森，梅尔芭·库曼3D打印：从想象到现实[M]赛迪研究院专家组，译北京：中信出版社，2013：79-85
作者：余前帆
摘要：介绍目前增材制造技术的研究现状和基本原理，分析我国农机研发的特点，阐述光固化成型技术、选区激光烧结技术、直接金属激光烧结技术、熔融沉积技术在农业机械制造中的应用。采用熔融沉积技术制备全新外槽轮排肥器，搭建基于电子施肥控制器控制的施肥试验平台。试验数据表明，基于熔融沉积的外槽轮排肥器的变异系数低于传统排肥器。增材制造技术将改变传统农业机械设计的流程和思路，提高农业机械的可靠性和服役时间，促进农业机械制造水平的提高。
关键词：增材制造;3D打印;农业机械;应用
收稿日期：2016-01-28
基金项目：国家自然科学基金(编号：51505157);广东省自然科学基金(编号：2014A030313460、2015A030310330);广东省科技计划(编号：2013B020501002)。
作者简介：孙健峰(1983—)，男，吉林长春人，博士，讲师，主要从事农业机械化研究。E-mail：sunjianfeng@scau.edu.cn。
通信作者：杨洲，博士，教授，主要从事农业机械化研究。E-mail：yangzhou@scau.edu.cn。增材制造(additive manufacturing)是以三维数据为基础，由CAD模型驱动的一种制造方法，其特点是采用“加法”成型，通过先离散后叠加的思想成型零件[1]。随着科学技术的发展及《中国制造2025》的提出，采用增材制造方法成型零件越来越受到人们的关注[2]。增材制造技术生产柔性大，加工响应时间短，单件小批量生产中无需开模，设计制造一体化集成度高，可直接成型零件，成型中不受传统加工方法中夹持、切削方式的约束，可加工高脆性、高熔点、高硬度的材料，《经济学人》杂志认为，该技术将引起第3次工业革命。目前，增材制造技术已被广泛应用于航空航天、汽车、医疗、模具、建筑等行业[3-4]。
1增材制造技术的研究现状
美国于2012年启动并投资10亿美元资助包括增材制造在内的振兴美国制造计划，建立了ASTM F2792-12a[5]、ASTM F2915-12[6]、ASTM F2912-11[7]、ASTM F2924-12a[8]等一系列增材制造技术标准。英国于2011年开始增加增材制造研发经费的投入，并在拉夫堡大学、诺丁汉大学、谢菲尔德大学、埃克塞特大学、曼彻斯特大学等相继建立了增材制造研究中心。澳大利亚于2012年2月启动了“微型发动机增材制造技术”项目，该项目使用增材制造技术制造航空微型发动机零部件，对增材制造技术在航空航天的应用起到推动作用。日本通过优惠政策和大量资金鼓励产学研用紧密结合，促进增材制造技术在日本的发展[4]。
我国于2012年成立了3D打印技术联盟(增材制造)，于2015年成立了中国工程学会增材制造(3D打印)分会，参与的主要科研机构有清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、华南理工大学、西北工业大学、西安交通大学等。 3D打印产业联盟和增材制造分会的成立有利于尽快建立行业标准，加强行业与行业、行业与政府以及国际间的广泛交流[4]。
2增材制造的基本原理
增材制造是将三维零件先离散后堆积的一种加工方法，其成型过程主要是通过被加工材料受到外界不同环境的影响(如受热、受光)而发生物理或化学变化来实现的[9-11]，制造过程如下：(1)设计(三维制图软件)或通过逆向工程(三维扫描)等获得所要加工产品的计算机三维模型。(2)根据工艺要求，将所建立的模型按一定规律在计算机中离散化，该过程也叫切片或分层，将原来的三维数据转换为平面数据。(3)将离散后的平面数据按一定规律进行累加成型，获得实体零件。其原理见图1。
3农业机械研发的特点
3.1农业机械特点
由于农用机械受作物生长条件的约束，所有农业机械均须进行田间试验验证。种植机械、植保机械、收获机械均受到田间试验季节的影响，每年的试验时间是固定的，错过试验时间只能等待下一年，因此农业机械的研究周期较长。农业机械还受到作业过程中因素差异的影响，我国幅员辽阔，每个省的农作物和农艺均有明显差别，同一作物在不同区域的农艺也不完全相同，使得农业机械研发具有种类繁多、通用性差、研发面广、研发成本高等特点[12]。
3.2农作物特点
与工业相比，农业作物有其自身的特点。农业作物的研究对象多为生物，种类繁多、个体差异明显、性能差异大、物料规律性不强，多数生物受外界条件影响较大，不同降水量、施肥量可使同一作物在不同收获年表现出差异。以柑橘为例，古语有“南橘北枳”的说法。
3.3农业机械市场特点
中国农业机械市场已经成为中国机械行业的热点市场，农业已成为高回报率产业。从欧美、日韩等农业发达国家引进的农机不能完全适应我国农业的需要，这些差异导致农机研制具有复杂性和周期性[13]。目前，农业、农机的投资一直是资本市场中投资的热点，但国内的农机企业高端技术研发能力较弱，国际农机巨头相继在中国设厂，争相占领中国市场，导致我国农机市场的高端领域被国外农机行业占领;中低端领域，尤其是低端领域的小农机企业较多，恶性竞争严重，一味追求价格低廉导致产品质量不过关、农机使用服役时间短、市场认可度低。尽快提高农机的使用稳定性和服役时间、尽快争夺高端农机市场已成为亟待解决的问题[14-15]。
4典型增材制造技术在农机制造中的应用
4.1光固化成型技术(stereo lithography apparatus，SLA)
光固化成型是由Charles W. Hull于1984年获得的美国专利，1998年美国3D System公司推出SLA-250商品产品，是目前最成熟的增材制造技术之一。光固化成型技术可获得形状复杂、表面质量较好的零件[16-18]。光固化成型工艺的原理见图2，在紫外激光束控制单元的驱动下，将零件的各分层信息在光敏树脂表面加工，被扫描区域的光敏树脂材料因紫外光照射发生聚合反应而固化，形成零件的1个切片层;一层固化后，工作台向下移动1个层厚的距离，新一层的液态树脂填充加工表面，采用刮板将液面刮平，进行下一层的扫描加工，如此反复直到整个零件制造完成[18]。由于SLA设备昂贵，光敏树脂价格较高，国产价格约为1 000元/kg，导致SLA技术在农业机械中的应用不广泛，仅少数科研单位采用SLA技术设计、制造全新农业机械部件并进行相关田间试验，如华南农业大学罗锡文院士团队采用SLA技术成型播种机中的排种器和水田激光平地机中的控制盒等。
4.2选区激光烧结技术(selective laser sintering，SLS)
选区激光烧结技术由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989年申请专利，并于1992年由DTM公司开发了首款商业设备[19-20]。SLS最大的特点是可以成型金属零件，成型材料采用的是外表包裹聚合物的金属粉末。SLS原理见图3，粉末首先被均匀置于成型平台上，激光通过扫描振镜按照切片层数据将加工区域内的粉末加热，粉末因聚合物受热而粘结在一起;单层加工完成后，成型台下降1个层厚，铺粉机构将新的粉末重新预置于加工区域之上，激光再次开始加工，重复以上过程直至零件加工完成。成型后的零件须置于高温保温炉中进行保温，将聚合物黏合剂熔化。目前该技术在模具行业应用广泛，选用型砂进行激光烧结，完成砂型铸造，制备模具。选区激光烧结在农机方面有较多应用，如滤水器中的过滤器。过滤器由5层丝网组成，分别是保护层、过滤控制层、分散层、支撑骨架层、骨架层，每层均由多个尺寸较小的孔洞组成。由于受到加工路径和刀具尺寸的约束，采用传统成型方法很难成型，而采用SLS技术可十分方便地成型多孔滤网。
4.3直接金属激光烧结(direct metal laser sintering，DMLS)技术
直接金属激光烧结技术由RPI(Rapid Product Innovations)和德国EOS公司的 GmbH于1994年共同研发，是首个商业化的直接生产金属零件的成型方法[21]。直接金属激光烧结技术的原理见图4，与SLS十分相似，DMLS多采用两缸结构。与SLS相比，DMLS选用的金属粉末尺寸更小(一般直径为20 μm)，粉末无需黏结剂或助熔剂，无需后续加热和渗透处理，铺粉厚度更薄，成型零件形状更加复杂，获得成型零件的致密度更高(一般致密度高于95%)。目前可成型材料主要有合金钢、不锈钢、工具钢、铝、青铜、钴铬、钛等，主要应用领域有快速模具、医疗植入物、高温应用、航空航天零部件[19]。目前，DMLS在农业上主要应用于形状复杂、曲面较多的零件，如旋耕刀、水泵叶轮机、送料螺旋等。随着农业航空植保技术在农业中的应用不断增加，农业航空中无人机的关键部件对于轻量化的极限需求与日俱增，这将为DMLS在农业航空提供新的研究领域。
4.4熔融沉积成型技术(fused deposition modeling，FDM)
熔融沉积成型是由美国Stratasys公司开发的继光固化成型工艺后另一种被广泛应用的成型方法[22-23]。其原理见图5，将丝状的热熔性材料加热熔化，通过微细喷嘴将熔融丝挤出，喷嘴按照控制单元指令相对工作台沿水平方向移动，熔融丝挤出温度略高于固化温度，以保证热熔材料的黏结性，与前一层熔结在一起。一层成型后，工作台按设定值下降1个层厚，继续熔喷沉积，直至整个实体完成。目前，新的熔融沉积采用双喷头或多喷头，双喷头是将支撑与实体分开成型，可分别控制支撑和实体的成型参数。熔融沉积是目前成本最低廉、应用最广泛的增材制造方法，主要用于办公用品、模具开发、医学植入体、医疗器械、建筑等三维实体制造[24]。
华南农业大学杨洲团队采用熔融沉积设计并制造了全新外槽轮排肥器的排肥轮(图6)。图6中红色部分为采用熔融沉积成型的外槽轮排肥器的外槽轮及其联轴器，米白色部分为目前市场上通用的外槽轮。杨洲团队通过步进电机控制每个外槽轮，并对2种外槽轮的排肥量进行了对比研究。试验选用华南农业大学自行搭建的排肥检测平台(图7)，采用电子施肥控制器控制直流电机转速，采用HX-T型电子天平测量排肥质量，以外槽轮旋转10圈为1个指标，连续测量5次，试验数据见表1。数据表明，采用增材制造的外槽轮排肥器变异系数更小，设备更加稳定可靠。
5增材制造技术应用于农机机械制造的前景
发展增材制造技术可为农机发展开拓设计思路，减少无用功的消耗。增材制造技术目前已被应用于多个行业，在农业机械制造中的应用也势在必行。传统的农机设计流程复杂，包括确定设计目标和方案、设计样机、田间试验、优化设计、完成开发。传统农机设计中首先要考虑加工，在能够实现加工的基础上进行设计，导致在理论中最省功的仿生(仿形)设计无法在实际生产中实现。增材制造最大的优势在于突破传统设计思路，采用层层叠加的方式，加工过程中几乎不考虑走刀路线等加工约束，特别适于加工形状复杂的空间渐变曲线、仿生(仿形)结构。采用增材制造可为农机设计提供新的思路，将有更多的仿生(仿形)结构得以应用，大幅减少农机的功耗损失。
发展增材制造技术可缩短农业机械试制周期，减少成本投入。农业机械与其他机械最大的区别在于农机需要田间试验，而田间试验又受到作物生长周期的限制，因此样机试验效果的反馈成为缩短农机研发周期的瓶颈，许多农机需用几年时间完成田间试验。增材制造技术最大的优势在于田间试验效果的快速反馈，小尺寸关键部件的成型时间一般为1～2 d，自动化程度高，几乎不需要人为操作，成型单件成品时间远远少于传统加工。相同时间内可反复多次进行田间试验及设计修改，提高了优化效率，缩短了农机的试制周期，使田间试验与设计修改结合得更为紧密，效率更高，减少了产品的市场响应时间和研发成本。发展增材制造技术可提高农机制造水平，增加农机设备的可靠性。农机多采用传统的车钳铣刨磨进行加工，制造成本低，精度和稳定性差，虽然国家每年都有农机补贴，但农机使用寿命过短造成了资源的极大浪费。增材制造属于先进制造技术，将数控机床与计算机相结合，加工精度和自动化程度高，成型过程中受外界干扰条件少，成型零件性能稳定可靠，是《中国制造2025》重点发展方向之一。采用增材制造技术将大幅提高我国农机制造行业的制造水平，增加农机装备的可靠性，提升我国农业机械制造行业的竞争力。
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作者：孙健峰 朱卿创 杨洲 黄忠奎
摘要：金属零件的修复技术是飞机维修的核心技术，其发展关乎我国航空维修水平与能力的提高。针对飞机领域涉及的金属零件修复技术，包括鎢极氩弧焊、等离子弧焊、搅拌摩擦焊等焊接修复技术和激光直接沉积、电子束熔丝沉积、冷喷涂等增材制造修复技术，分析其工艺特点、优势，梳理其技术研究和工程应用现状。指出了国内外航空修复技术研究与应用存在的差距，并对该领域未来的发展趋势、研究方向和重点做出了研判。
关键词：航空维修;飞机;金属零件;焊接修复;增材制造修复
0 前言
飞机、现代铁道车辆等承载结构在制造和服役过程中产生的缺欠和伤损，会降低结构的承载能力和服役寿命。对经安全评估后不可接受的缺欠和伤损(即缺陷)进行修复，是提升结构寿命和减低成本的重要手段和途径之一，近年来得到工业界的广泛重视[1]。其中，航空修理是指飞机及航空发动机在服役期间的维护及定期修理，以确保航空飞行的安全可靠[2]。飞机在起降与飞行过程中经受复杂的拉压弯扭及振动和冲击载荷，承受大气腐蚀、沙尘等环境的侵蚀作用，其金属零件会发生磨损、腐蚀甚至裂纹等损伤。在日常检修和周期性维修过程中，对损伤严重但尚未达到报废要求的金属零件进行可靠、及时和成本可控的修复，对于保障飞机运行的安全性、经济性，以及保障任务执行和出勤率，具有重要的作用和意义[3-4]。飞机金属零件的修复是航空维修的核心技术，是各国竞相发展的维修保障技术。随着飞机设计、材料和制造技术的发展，现有的维修技术越来越难以满足先进飞机安全、可靠、经济运行的需求[5]。因此，发展和掌握飞机起落架、框梁等承力关重件和传动器、齿轮箱等复杂零件的修复技术，是提高飞机自主维修能力、保障航空安全运行、保障军队战斗能力的内在要求，也是控制航空运行成本和加快形成国内航空维修产业化能力、降低民航国外送修率的客观需求。
目前在飞机修理领域，以钨极氩弧焊为代表的焊接修复技术和以激光直接沉积为代表的增材制造修复技术共存互补，各有所长和适用场合。增材制造在维修领域的应用包括两个方面，一是可作为再制造技术用于航空零件损伤的修复，二是可用于维修所需备件的增材制造。文中仅涉及零件损伤的增材制造修复，即损伤零件的再制造。
1 飞机金属零件修复技术种类与特点
1.1 焊接修复
飞机零件主要损伤形式有磨损、裂纹、腐蚀和加工缺陷。根据零件、材料、缺陷类型的不同，采用不同的焊接方法进行修复[6]，常用的焊接方法主要有焊条电弧焊、氩弧焊、等离子弧焊、激光焊、电子束焊等，近年来单面电阻点焊、搅拌摩擦焊等修复新方法开始出现。不同焊接修复方法的优缺点及应用领域如表1所示。
(1)焊条电弧焊修复。
焊条电弧焊修复是采用药皮焊条对部件损伤进行补焊，主要用于结构钢、不锈钢、镍基合金类材料部件的修复，优点是操作简单、可达性好、成本低。一代、二代等早期飞机零件多采用该方法修复，目前应用较少。
(2)钨极氩弧焊修复。
钨极氩弧焊修复主要采用手工焊方式，是目前最常用的焊接修复方法。其特点是操作灵活方便、适用范围广、修复成本低。其不足是：大面积修复时的热应力和变形较大;用于焊接性差的材料，如碳含量高的高强度钢等材料修复时容易产生裂纹。
(3)等离子弧焊修复。
与氩弧焊相比，等离子弧焊能量密度高、热输入小、焊接变形小、产生裂纹倾向性小，多用于复杂结构局部磨损部位的自动堆焊修复。
(4)激光焊修复。
激光焊修复的主要方式是激光焊接补片，即利用激光焊接将补片或补块焊接到零件受损部位进行重建，然后再按零件形状要求进行修磨。主要优点是能量密度更高、焊接热输入更小、热影响区小和焊接变形小。
(5)电子束焊修复。
电子束焊修复的特点与激光焊相似，主要采用焊接补片的形式，适用于补焊规则的焊缝。一般需要对待补焊部位进行标准形状加工，再进行补片焊接。
(6)电阻点焊修复。
电阻点焊最适合用于飞机零件损伤修复的方式是单面点焊。其基本原理是：由焊件的一侧施加电极压力，通过点焊机向焊接区输送焊接电流，对焊件接触面通电加热，利用塑变能和热能激活接触点的原子，形成熔核、实现连接。单面点焊操作方便、受结构限制少，适合于飞机结构裂纹、缺口、破孔和刚度失稳等损伤的原位快速修复[7]。
(7)搅拌摩擦焊修复。
搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，焊接过程中材料只是软化而非熔化，软化的组织不受重力影响，因而可用于免拆卸修理和原位修理，提高修理效率。适用于飞机机体构件裂纹、破孔、缺口、断裂等损伤的修理[8-9]。
1.2 增材制造修复
由于在维修过程中发生变形、开裂或热损伤而造成零件报废，或者由于修复后使用寿命缩短，许多零件不能用现有焊接技术维修。此外，维修效率低、沉积成形差、后续加工量大也是制约焊接修复技术应用的因素[10]。在这种情况下，增材制造技术为航空维修和大修提供了新颖独特的解决方案。该技术适用的材料更为广泛，能够维修可焊性差的材料，具有自动化程度高、热应力小、变形小等优点[5]。目前适用于飞机金属零件修复的增材制造技术主要有激光直接沉积、电子束熔丝增材制造、电弧增材制造[11]。冷喷涂作为一种更广义的增材制造工艺，在飞机修复领域也极具应用前景。
(1)激光直接沉积修复。
采用激光熔敷技术可以避免普通焊接维修带来的很多问题，但是仍然存在生产效率低、表面质量差、报废率高和后续加工困难等一系列问题。激光直接沉积是激光熔覆技术的进一步发展。激光直接沉积修复技术以金属粉末为材料，在CAD/CAM软件支持下，NC控制激光头、送粉喷嘴和工作台按指定空间轨迹运动，依据缺陷几何形状，在待修复部位逐层成形，最后生成与缺陷部位近形的三维实体，完成对损伤零件的几何形状和力学性能的恢复[12]。
激光直接沉积修复是目前应用最广的增材制造修复技术，其优点有：
a.高能密度激光作为能量源，热输入小，零件修复区域的热影响区小，因而应力及变形小。
b.零件基体和激光修复区界面处为致密的冶金结合，不会出现脱落、剥离等问题。
c.激光修复区的力学性能良好。
d.激光修复区形状和零件缺损形状接近，表面质量好，修复后仅需少量的处理即可使用。
e.修复过程可由计算机控制，无需人为干涉，修复可靠性高、重复性好，可修复形状复杂零件。
修复步骤包括修复前准备(损伤部位信息采集、加工和清理)、修复、修复后处理(修复部位机械加工及热处理)。
(2)电子束熔丝增材制造修复。
电子束熔丝增材制造在真空室内进行，用于重要钛合金零件的修复，有利于保证零件性能。
(3)电弧增材制造修复。
电弧增材制造技术可采用非熔化极和熔化极惰性气体保护焊、熔化极活性气体保护电弧焊以及冷金属过渡焊方法。其中冷金属过渡焊更适合用于修复。该技术通过数字化协调熔滴过渡和送丝运动，实现数控方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控。熔滴过渡时电弧熄灭，焊接电流降低为0，从而大大降低焊接热输入，实现无焊渣飞溅，而且电弧更加稳定。
此外，微束等离子弧增材制造也可归类于电弧增材制造范畴，用于修复时多采用送丝模式。该技术以小电流(通常小于30 A)的等离子弧为热源，通过熔丝方式在工件表面以拟定的路径实现逐层材料的堆积[13]。其具有自动化程度高、型面近净成形、力学性能高等独特的优点。
(4)冷喷涂增材制造修复。
冷喷涂增材制造是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制造方法，修复的零件表面温度低、变形小。特别适用于温度敏感材料(Al、Cu、Mg)合金的零件修复。在航空维修领域应用前景广泛，配合便携式喷涂设备，可实现失效零件的现场快速修复。
(5)微弧沉积与激光熔覆复合修复技术。
微弧沉积与激光熔覆复合修复技术是利用微弧沉积和激光熔覆交替在损伤零件表面形成冶金修复层的再制造技术。其具有热影响区极小(0.1～0.2 mm)，熔覆層与基体金属为冶金结合等特点[14]。主要用于超高强度结构钢等飞机关键重要受力构件的表面损伤修复。
2 国外飞机零件修复技术研究与应用
2.1 焊接修复
钨极氩弧焊修复技术在国外飞机维修领域已获得了成熟应用。
英国空中客车公司对在役商用客机的机翼蒙皮结构的搅拌摩擦焊修理进行了研究[15]。文献[8-9]指出，采用搅拌摩擦焊修理机翼裂纹能消除高应力集中，使蒙皮表面需要的首次安全检验时间推迟3.5 倍，并减少了随后的检验次数。对框、肋裂纹进行搅拌摩擦焊修理时，搅拌头沿裂纹方向进行焊接，如图1 所示，即可消除裂纹，并且基本达到等强度修理的性能指标。与铆接加强片修理方案比较，搅拌摩擦焊提高了修理速度和修理质量，而且不会增加额外的修理重量。
搅拌摩擦焊用于蒙皮破孔修理时，先将破孔切割成规则形状，再对切割孔和补片边缘进行机械加工，使边缘成一定互补的角度，再进行搅拌摩擦焊接，如图2所示。不仅可满足飞机结构强度要求，而且不改变气动性能。
对于位于翼梁、翼肋等飞机骨架构件上的缺口损伤，采用搅拌摩擦焊技术修理时，仅需对腹板作局部更换，然后操纵搅拌头沿新腹板和原腹板连接处进行移动焊接，即可完成修理。
2.2 增材制造修复
随着增材制造技术的发展，高附加值、修复性能要求高的飞机零件更多地采用增材制造技术修复[16-17]。
美国AeroMet公司率先将激光直接沉积应用于飞机修复，使F15战斗机中机翼梁的检修周期缩短为1周[12]。美国宾州大学研制出便携式1 800 W Nd：YAG激光修复设备，利用光纤与机器人结合的系统对海军舰艇与飞机进行现场原位激光直接沉积修复。
2000年，美国陆军研究实验室(ARL)开始开展冷喷涂修理技术在航空领域中的应用研究，涉及B-1轰炸机、F-18战斗机、“ 黑鹰 ”直升机和“ 海鹰 ”直升机的冷喷涂修理工作。目前，该中心应用冷喷涂修理军机的成功实践经验已经被移植至民用领域[18]。穆格(Moog)公司采用钛、不锈钢、铜和其他原料粉末对机轮、机身板类件等进行冷喷涂修理。美国Villafauerte等人采用冷喷涂技术修复飞机铝-镁合金零件的腐蚀区域。美国Champagne等人采用冷喷涂Al涂层，对飞机传动器和齿轮箱的镁合金外壳进行修复，修复件服役超过7 000 h而未见明显腐蚀。该技术的推广有望减少40%的零件更换。
FAA目前批准的冷喷涂维修技术应用范围限于变速箱或壳体等附件。Airborne维修工程公司(AMES)正致力于向FAA证明冷喷涂技术可应用于机体结构件。AMES首先选择次级结构件进行修理验证，如蒙皮面板、空气负载拱肋和波音767的机轮等结构件。为降低成本和提高环保性， AMES率先在军机的冷喷涂修理中以氮气替代氦气，目前还在试图获得民航维修领域的应用许可。
2.3 修复结构完整性和寿命评估
现代修复技术从技术上需要考虑结构失效部位是否修复完全、修复过程中的焊接缺陷以及修复后的性能能否达到工作要求等问题，因此应将焊接修复的完整性评定作为修复系统工程的一部分进行配套解决。根据国外已经比较成熟的技术标准，金属结构焊接修复完整性评定工作应包含失效分析、断裂性能测试和寿命预测等方面[19]。
零件修复后重新投入使用，由于补修技术、操作技术和实施工艺参数等不尽相同，尤其是补修后局部材料性能随着服役时间的延长会有所变化，需要对补修后部件的材料性能、服役寿命的演化关系及相应的检查监控方法开展深入探索[1]。
补焊区域的高温热效应会改变补修区域的材料组织和力学性能，形成一定程度的应力集中，引入复杂的残余应力场(拉伸应力会促进裂纹萌生和扩展)，因此焊后通常要采取局部热处理和冲击处理等措施以均匀化近焊缝区的微观组织，提高其材料性能。
热等静压可以有效消除内部疏松、缩孔和裂纹等缺陷，同时具有均匀化组织和残余应力的作用，主要适用于零件内部缺陷的补修[20]，在增材制造零件完整性评价中也得到了广泛应用[21-22]。
目前，飞机结构疲劳寿命的计算方法通常采用应力寿命和损伤容限分析方法[23]。通过对不同种类的军用飞机进行机身结构疲劳试验，Molent等得出了Paris疲劳裂纹扩展公式，用于处理飞机典型结构的疲劳裂纹扩展问题[24]。
3 国内航空零件修复技术研究与应用
国内各专业航空修理厂、制造厂和相关研究单位采用焊接和增材制造技术对高强度钢、高温合金、钛合金材料和复杂结构件的裂纹、磨损和腐蚀等故障开展修复研究，取得了重要进步。
3.1 焊接修复
国内在高强钢或超高强度钢起落架等零件长期焊修的过程中，已经形成了成熟的焊条电弧焊修复裂纹技术。对于壁厚大于3 mm的零件中产生的非穿透性裂纹，首先沿裂纹的整个深度剔槽，使其呈U形面。然后烘干焊条，以不超过最终热处理回火温度的温度预热零件，采用HT-4焊条焊满U形槽，焊接结束后，立即将零件放入200～250 ℃做等温处理[25]。
国内目前仍普遍采用钨极氩弧焊方法修复飞机的服役损伤零件。飞机上故障率较高的焊接件主要有5A05合金导管，3A21合金油箱和导管，1Cr18Ni9Ti钢燃油导管、喷管和GH3030合金尾喷管等。针对这些零件的裂纹损伤，已经形成较为成熟的钨极氩弧焊修复工艺[26]。
国营芜湖机械厂针对某型飞机30CrMnSiA高强钢封严盖内侧肋条表面机械磨损，采用脉冲钨极氩弧焊修复[27]。选用材质相近焊丝，严格控制焊接电流和焊接速度，采用小电流焊接，道间温度控制在100℃以下，并留有0.5～2.0 mm加工余量。修复零件的力学性能和变形量均能满足技术要求。
北京航空材料研究院针对飞机的钛合金滑轨、不锈钢滑轨、镁合金支座和壳体、铝合金摇臂组件等服役损伤零件，開展钨极氩弧焊修复研究，解决了焊接材料、力学性能和变形控制等技术问题，实现了修复零件的交付、使用[28]。
空军第一航空学院针对TC4钛板裂纹和破孔损伤进行了单面点焊修理试验研究，如图3、图4所示。静力试验表明，裂纹和破孔经单面点焊加强后的强度回复率分别达到无损伤件的86.07%和86.95%，均满足飞机结构原位修复的强度要求[7]。
3.2 增材制造修复
北京航空材料研究院针对 A320、A330、第三代战机、伊尔 76 飞机超高强度钢起落架、不锈钢端轴颈、大螺栓、钛合金襟翼滑轨等承力构件，开展了激光直接沉积修复工艺研究，突破高强韧粉末材料设计与制备以及超高强度钢等高性能材料的修复组织、缺陷及性能控制关键技术，建立了系列标准及规范，修复零件通过装机评审或装机应用[6，29-32]。修复的部分零件如图5所示。其中修复的伊尔 76 飞机超高强度钢起落架作动筒经 900 h起落飞行，状态良好，已得到批量应用，见图5b。
微弧沉积与激光熔覆复合修复技术已经用于飞机端轴颈表层损伤的修复、起落架活塞杆法兰盘裂纹的修复等，如图6所示[14]。
3.3 修复结构完整性和寿命评估
承载零件修复后还必须从结构完整性角度进行考核，以确保在实际运用中不形成新的缺陷源。对于缺损件的再制造，必须“ 修形修性 ”并行。目前国内欠缺在部件补修后服役过程中的更新检查和持续监控方面的深入系统研究[1];关于修复部件使用寿命评定还没有系统、可靠的修复技术标准和规范[19]。
零件修理过程中的焊接或补焊会导致材料的性能损失。一些零件焊接或补焊后无法通过热处理消除应力和恢复性能，对产品性能和质量影响极大，如何恢复或增强焊缝性能一直是难以解决的工艺问题。超声冲击和振动时效技术属于非热处理消除焊接残余应力的方法，它通过微观塑性变形和应力均匀化作用能够消除或降低焊接残余应力水平，避免热处理带来的焊接变形问题，并可大幅提高焊接接头疲劳寿命[33]。近年来，国内越来越关注激光表面冲击强化技术的研究，铝合金激光表面冲击强化研究的结果显示，激光强化后零件抗塑性变形能力、耐磨性和抗疲劳性均得到了相应的提高[34]。
飞机结构疲劳寿命预测受不确定性因素影响较大。为了克服这种缺陷，林琳[35]等提出了将扩展卡尔曼滤波(EKF)和实时状态数据相结合的结构剩余寿命预测方法。通过对结构的疲劳裂纹扩展模型中的不确定性参数进行实时更新，使模型具有自适应消除噪声能力，提高了寿命预测精度。整个预测流程分为参数评估和寿命预测两部分。在参数评估部分，EKF算法利用实时状态参数观测值，不断更新疲劳裂纹扩展模型中的状态参数，以更好地反映结构裂纹的扩展趋势。在寿命预测部分，基于更新后的疲劳裂纹扩展模型，通过不断迭代来求得结构的剩余寿命。
国内针对飞机机身结构的修复寿命预测研究开展还较少。典型的航空修复寿命评估研究是发动机涡轮盘再制造低周疲劳寿命预测。王常浩[36]等针对再制造涡轮盘低周疲劳参数数据缺乏的现实，提出了再制造涡轮盘寿命修正系数，对应用新品涡轮盘低周疲劳参数数据和寿命预测模型得到的寿命预测结果进行修正，实现再制造涡轮盘低周疲劳寿命预测。
3.4 国内外差距分析
(1)航空零件修复的自动化水平。目前国内航空零件的修复主要依靠传统的钨极氩弧焊，并且以手工氩弧焊为主，对焊工的操作水平要求高，零件修复质量和性能因人而异，产品修复性能的稳定性较难控制。而国外公司重视发展自动化修复装备和工艺技术。美国2000年启动的用于维修行动的工业技术项目(CTMA)，很早就将第二阶段目标锁定在通过软、硬件闭环控制提高零件修复质量[10]。
(2)航空零件修复的新方法研究方面。国外在材料加工和制造技术方面的原创性能力强，并且具备很强的设计制造新工艺装备的能力。因此，激光直接沉积增材制造、冷金属过渡CMT焊接等材料加工和零件制造新方法出现后，很快就被国外用于航空零件的修复。国内对修复新方法的初期研究主要依赖进口国外的工艺设备，这导致国内新方法的研究与应用有所滞后。
(3)修复技术应用研究方面。国内激光、电子束焊接与增材制造修复等先进的修复方法研究不足，缺乏高强钛合金、超高强度钢等关键材料修复性能基础数据;修复过程中裂纹等缺陷控制和应力变形控制研究不足;专用修复粉末、丝材需要研发，材料体系需要完善;铝、镁等轻质合金零件的修复研究尚不系统，暂时无法应用;损伤零件可修复性评估基础工作不足，缺乏指导性标准文件;修复缺陷控制和产品验收标准仍主要依据制造标准;修复零件损伤容限和寿命预测等研究缺乏。
(4)航空零件修复产业化方面。国外已形成军民用飞机和发动机修复产业，既有整机维修企业，也有部件修复维修企业，形成完整的产业链。国内仅整机维修形成产业，尚无专业化修复规模企业，零件修复业务零散分布于高校、科研院所和整机制造厂、整机维修厂，未形成零件修复产业。
除了在设备、工艺、应用研究和产业化等技术本身和产业应用方面外，国内外对飞机修复的重视程度也存在差距。认识论上的差距在一定程度势必导致航空修复技术发展和产业应用的滞后。西方主要发达国家早已认识到修复技术在保证航空装备正常运行、延长使用寿命方面的重要意义和巨大的技术经济效益，并在零件损伤机理、损伤容限、可修理性评估、修复工艺方法、修复后的质量评定和使用可靠性评定等方面进行了大量系统的基础性研究[37]。而国内的航空修复基础和应用研究，其启动往往较迟、经费投入不及国外。
4 航空零件修复技术发展趋势、研究方向和重点
4.1 发展趋势
为适应飞机和发动机结构设计、材料和制造技术的发展，并满足新形势下的军事保障、环境保护、资源节约、职业健康等要求，对航空金属零件修复的质量性能、可靠性、现场可实施性、效率成本等提出越来越高的综合要求。相应地，航空领域修复技术发展呈现出以下趋势：
(1)零件修复所使用设备的自动化水平提高，修复工艺标准化，手工作业逐渐减少。
(2)新材料、新结构的零件修复需求增加，修复过程裂纹防止、性能调控、变形控制难度增大。
(3)低热量输入、高成形精度的焊接和增材制造修复方法应用更加广泛。
(4)航空零件修复专业化的规模企业逐渐形成，修复的产业化水平提高。
4.2 研究方向和重点
为顺应航空领域修复技术发展的趋势，促进修复技术发展和维修保障能力提升，推动修复产业化发展，应重点开展以下研究工作：
(1)自动化修复工艺设备的研制，解决功率管理、高精度进料、质量在线监控等关键技术。
(2)高能束焊接与增材制造修复、冷喷涂增材制造修复、搅拌摩擦焊修复等技术应用研究。
(3)高强韧和轻质材料的焊接与增材制造修复技术研究。
(4)关键重要承力结构的损伤容限性能、寿命预测研究。
(5)战场条件便携修复设备和工艺研究。
5 结论
钨极氩弧焊在国内外飞机和发动机维修领域已获得普遍应用。增材制造为零件修复提供了个性化、高效率的实现手段，是欧美发达国家首选的航空发动机零件再制造技术。随着激光增材制造技术的发展，国内附加值高、修复性能要求高的航空零件开始采用增材制造技术修复，并取得了明显成效，提升了飞机自主修理保证能力。
但与国外相比，国内航空零件修复技术研究与应用仍存在自动化水平低、新方法研究滞后、应用研究不足、未形成产业化以及重视程度不够等差距。随着飞机结构设计、材料和制造技术的发展，以及新形势下的军事保障、环境资源、职业健康等方面要求的提出，零件修复技术发展呈现出新特点、新趋势。为促进国内修复技术的发展和维修保障能力的提升，推动修复产业化发展，应重点开展自动化修复工艺设备、增材制造修复应用、高性能材料和复杂结构修复、损伤容限及寿命预测、战场条件修复等研究。
相信通过国内科研院所和航空产业部门的共同努力，我国的飞机修复技术的基础理论研究、工藝应用和工程实践水平必将取得快速和质的提升，促成国内航空修复产业的快速和健康发展局面，使我国跻身世界航空修复强国。
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作者：杨爱民 秦仁耀 张国栋
附件6 “增材制造与激光制造”重点专项 2018项目申报指南建议
为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《中国制造2025》等提出的任务，国家重点研发计划启动实施“增材制造与激光制造”重点专项。根据本专项实施方案的部署，现提出2018项目申报指南建议。
本重点专项总体目标是：突破增材制造与激光制造的基础理论，取得原创性技术成果，超前部署研发下一代技术;攻克增材制造的核心元器件和关键工艺技术，研制相关重点工艺装备;突破激光制造中的关键技术，研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器，研制高端激光制造工艺装备;并实现产业化应用示范;到2020年，基本形成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面，促进传统制造业转型升级，支撑我国高端制造业发展。
本重点专项按照“围绕产业链，部署创新链”的要求，从增材制造与激光制造的基础理论与前沿技术、关键工艺与装备、创新应用与示范三个层次，围绕增材制造与激光制造两个方向，共部署10个重点研究任务。专项实施周期为5年(2016-2020年)。
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考核指标：单电子枪功率不小于3kW，最小束斑直径200μm;扫描范围不小于400mm400mm，精度优于100μm;电子枪系统无故障工作时间大于200小时;在电子束增材制造装备中得到应用验证。
1.3面向增材制造的模型处理以及工艺规划软件系统(重大共性关键技术类)
研究内容：适用于各种增材制造技术的普适性数字模型处理方法;针对数字模型的高效切片算法;增材制造典型结构件的高效路径规划算法;工艺仿真优化工具软件。
考核指标：建立普适性的模型处理软件，可自动生成不少于5种工艺支撑和不少于5种点阵结构;GB级数字模型切片时间不大于30分钟;适用于3种以上主流增材制造工艺的高效路径规划算法，能够自动识别增材制造模型工艺特征不少于5种，GB级数字模型自动工艺路径规划时间不大于1小时;开发不少于三种以上主流增材制造工艺(包括金属和非金属)的仿真优化工具软件。
1.4高负载旋转件增材制造技术与装备(重大共性关键技术类)
研究内容：针对动力、能源等领域的叶片、叶盘、叶轮等高负载(高转速与高温)旋转件的增材制造需求，研究：基于增材制造的旋转件结构优化设计方法;旋转件增材制造工艺特性及组织和性能调控技术;高预热温度激光选区熔化增材制造装备;增材制造旋转件后续热处理、精整加工、检
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用研究。
考核指标：设备加工尺寸不小于300300300mm，制作精度不低于0.05mm;满足制造工艺的可降解材料5种以上，制作过程满足植入物安全规范，产品通过安全性评价，符合外科植入物国家/行业标准;植入物降解后达到组织的功能再生，临床试验 40例以上。
1.7 多细胞精准3D打印技术与装备(重大共性关键技术类)
研究内容：多细胞体系的3D打印设备和细胞存活维持系统;细胞与基质材料一体化的生物打印墨水体系;以复杂人体组织和器官为对象的药物模型和动物试验研究。
考核指标：设备加工尺寸不小于300300200mm，保证85%以上细胞存活不小于10天;满足打印工艺的细胞材料(生物墨水)10种以上，材料与设备达到生物安全标准，药物和动物实验各20例以上;建立多组织与器官的打印工艺规范，满足国家生物医学安全相关规范或标准。
1.8高性能聚合物材料医疗植入物增材制造技术(重大共性关键技术类)
研究内容：聚醚醚酮等高性能聚合物材料医疗植入物增材制造技术;适用医疗植入要求的聚合物材料增材制造材料体系;增材制造聚合物医疗植入物临床试验应用。
考核指标：制作精度优于0.05mm，达到医疗植入标准的聚合物材料(粉料或线材)4种以上;制件拉伸力学性能
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术，建立增材制造金属零件结构特征、材料组织、应力状态与电化学精整加工的工艺匹配关系。
考核指标：最终制造件单方向尺寸不小于500mm，尺寸精度优于±0.05mm，表面粗糙度优于Ra 1.6μm;同等加工精度条件下整体制造效率较采用铣削方法精整加工提高3倍以上(以镍基高温合金为参考);具备成形加工空间曲面、凸台、孔等复杂结构的能力;建立相关的标准与规范，实现钛合金、高温合金等典型产品在国家重大工程中应用。
1.11在传统制造结构件上增材制造精细结构(重大共性关键技术类)
研究内容：针对现有金属增材制造技术难以兼顾高效率和低成本制造的瓶颈问题，研究：在锻件上增材制造局部精细结构;在机械加工件上增材制造局部精细结构;在铸件上增材制造局部精细结构。
考核指标：可在包括镍基高温合金、钛合金、铝合金和钢类合金的传统制造结构件上增材制造精细结构;复合制造的整体结构件不低于原件的综合力学性能;较传统制造方法效率提升一倍，成本降低30%以上;建立相关的工艺数据库和标准与规范。
1.12金属增材制造的高频超声检测技术与装备(重大共性关键技术类)
研究内容：不同时、空调制下，超声激励方法在金属增材制件中激发超声的作用机理和规律;增材制造的材料组
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研究内容：针对国产大型客机高强铝合金结构件，研究：基于增材制造工艺的大型客机结构件优化设计方法;批量化增材制造的工艺稳定性和性能评价;基于增材制造工艺的专用高强铝合金设计许用值;民机适航条款符合性验证方法以及可靠性评价方法;基于增材制造的大型客机“材料-设计-工艺-检测-评价”全流程技术体系。
考核指标：建立满足适航审定要求的整套制造工艺、材料及评价体系文件;在保持同等刚度并满足相关服役要求的基础上相对传统制造方案实现减重10%，制造周期缩短20%;使用增材制造技术批量生产典型铝合金零件并装机应用，零件的主要性能离散度小于5%;应用国内自主研发的增材制造装备与技术成果。
1.15增材制造支撑动力装备设计、制造和维修全流程优化的应用示范(应用示范类)
研究内容：针对航空发动机和燃气轮机等动力装备，研究基于增材制造的创新设计、快速研发、高性能制造和快速维修全流程优化技术，并进行应用示范，包括：面向系统级、性能优先的功能集成化设计;新产品研发的快速迭代技术;高性能、高效率和经济可行的增材制造技术;高性能快速外场维修技术。
考核指标：建立动力装备系统级架构到典型功能部件的基于增材制造的创新设计方法、标准规范、制造工艺数据库及评价体系，形成轻重量、高性能、长寿命、高可靠、集约
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期长的问题，开展增材制造整体结构陶瓷铸型(模壳与型芯一体化增材制造)的应用示范研究，包括：陶瓷铸型结构设计;陶瓷材料优化设计;陶瓷铸型的增材制造;增材制造陶瓷铸型熔模精密铸造全流程工艺技术;陶瓷型高温性能、精度、制造效率与成本的综合评价;在国家重大工程任务中开展应用示范。
考核指标：1500℃铸型抗弯强度≥15MPa，成形相对精度优于0.2%;实现复杂结构高性能零件精密铸造，铸件不合格率相对于传统技术降低50%;实现国家重大工程任务中5种以上关键铸件的示范应用;应用国内自主研发的增材制造装备与技术成果。
1.18高性能聚合物零部件增材制造技术的应用示范(应用示范类)
研究内容：针对航空航天、汽车、船舶等领域高性能复杂结构聚合物零部件的制造需求，在优化设计、高性能聚合物材料、增材制造装备、工艺、环境适用性和环保性、性能检测与质量评价方法等方面开展系统的增材制造示范应用，实现显著缩短制造周期，降低制造成本的产业化应用目标。
考核指标：零部件制作精度和性能满足工程应用要求，单件制造周期相对于传统制造工艺缩短80%，材料节省50%，综合成本降低20%;建立4-5种应用材料体系、制造工艺规范和质量评价标准;100种以上零部件进入工程应用;应用国内自主研发的增材制造装备与技术成果。
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1.21个性化医学假肢与肢具的增材制造应用示范(应用示范类)
研究内容：以假肢、肢具、矫正器等个性化康复与治疗为目标，进行增材制造技术应用示范，建立三维测量和个性化设计、增材制造、适用评估和临床应用系统。
考核指标：相对现有技术制造时间缩短50%以上，成本降低50%以上;建立制作和医疗应用规范，产品符合相关标准并获得市场准入，在5个医院建立应用示范单位，个性化应用案例200例以上; 应用国内自主研发的增材制造装备与技术成果。
1.22 个性化医疗功能模型3D打印技术应用(应用示范类) 研究内容：开展复杂人体组织器官手术规划和技能培训的3D打印功能模型应用示范，显著提高人体复杂模型3D打印的色彩精准性、影像对比度、质感及功能拟人化程度，推动多组织器官功能模型的大规模应用。
考核指标：应用功能模型15种以上，功能材料20种以上，缩短手术时间2/3以上;应用案例1000例以上，培训500人以上;建立人体组织功能模型材料与工艺规范、质量控制规范;应用国内自主研发的增材制造装备与技术成果。
2.激光制造
2.1飞秒激光精密制造应用基础研究(基础前沿类) 研究内容：面向信息、新能源、交通、医疗等领域中的国家重大需求和国民经济主战场中核心结构关键制造挑战，
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2.3微纳结构激光跨尺度制造工艺与装备(共性关键技术) 研究内容：研究激光与材料相互作用的物质瞬态弛豫过程，探索激光诱导自组干涉微纳结构的调控机制，研究微细结构、功能阵列微孔高效制造、减阻功能微结构制造新方法，突破宏-微-纳跨尺度激光纳米级加工中运动基准与驱动系统存在的耦合干扰问题，攻克光束零位漂移补偿与激光器参数优化控制等关键技术，开发成套装备。
考核指标：瞄准航空航天高速飞行器、电子制造等领域，研制1类激光微结构跨尺度制造装备;最小线宽≤20nm，实现三维光子集成器件制造;实现减反功能阵列微群孔制造，透过率增加量≥10%;实现减阻面积≥1000cm2微纳结构功能表面制造，阻力系数减小≥10%。实现不少于3类具有重大应用前景的跨尺度微纳功能器件制造。
2.4基于衍射光学元件的激光并行制造工艺及装备(重大共性关键技术类)
研究内容：探索激光与纤维类复合材料的相互作用机理，研究基于衍射光学元件的激光并行制造新方法，研究并行激光加工智能监测及反馈系统，研究激光并行制造成套装备技术。
考核指标：瞄准交通运输、能源以及电子制造等领域，优先采用国产激光器，开发不少于2类高端激光并行制造装备，分光光束大于20束，加工精度优于10μm，各并行光束能量稳定性优于1%，进行工程应用。
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量要求的激光焊接工艺、激光焊接机理与焊缝的主要失效行为、激光焊缝跟踪定位技术及焊接变形控制技术，研究高可靠性成套装备技术。考核指标：研制不少于3类激光焊接成套设备和焊接工艺。大型薄壁构件连续焊缝长度≥3500mm，厚度≤0.8mm，焊接变形量≤±0.1mm，焊缝性能满足相关行业具体要求，建立焊接工艺数据库，形成工艺规范和标准，在核电、航空、高铁、船舶等领域，进行不少于20台套激光焊接的示范应用。
2.8厚板、中厚板激光焊接技术应用示范(应用示范类) 研究内容：针对厚板(厚度≥70mm)、圆周中厚板(厚度≥8mm)金属管材，探索激光焊接和激光电弧复合焊接新方法，设计集激光焊与电弧焊于一体的复合焊炬;研究焊缝缺陷形成机理及其检测与控制技术、热应力调控技术、焊接精度控制技术，以及激光/电弧复合焊接系统的运动控制技术。完成系统激光器起停及输出功率的变化、弧焊参数的变化等控制任务，研究高可靠性成套装备技术。
考核指标：研制不少于2类激光焊接、激光复合焊接成套设备与焊接工艺。厚板连续焊缝长度≥5000mm，圆周中厚板焊缝长度≥2000mm;对完成圆周中厚板的激光电弧复合焊焊缝进行力学性能试验，满足API 1104要求。建立工艺规范和标准。并在核电、航空航天、交通运输、能源、海洋、石油化工等领域内，进行不少于20台套的示范应用。
2.9 激光金属制孔技术应用示范(应用示范类)
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“增材制造与激光制造”重点专项
2016项目申报指南
项目申报全流程指导单位：北京智博睿投资咨询有限公司
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依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《中国制造2025》，科技部会同有关部门组织开展了《国家重点研发计划增材制造与激光制造重点专项实施方案》编制工作，在此基础上启动增材制造与激光制造重点专项2016项目，并发布本指南。
本专项总体目标是：突破增材制造与激光制造的基础理论，取得原创性技术成果，超前部署研发下一代技术;攻克增材制造的核心元器件和关键工艺技术，研制相关重点工艺装备;突破激光制造中的关键技术，研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器，研制高端激光制造工艺装备;到2020年，基本形成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面，促进传统制造业转型升级，支撑我国高端制造业发展。
本专项按照“围绕产业链，部署创新链”的要求，围绕增材制造与激光制造的基础理论与前沿技术、关键工艺与装备、创新应用与示范设置任务。
按照突出重点、分步实施的原则，2016年首批在增材制造与激光制造2个方向上启动29个项目。
1.增材制造
1.1高性能金属结构件激光增材制造控形控性研究(基础前沿类) 研究内容：针对激光熔覆沉积大型金属结构件和激光选区熔 — 2 —
化成形复杂金属结构件，研究激光/金属热交互作用及熔池冶金动力学行为和超高温移动熔池非平衡凝固行为，揭示增材制造构件成形的几何特征和沉积态组织形成规律;研究成形过程的应力应变和变形开裂规律，提出预防变形开裂的工艺准则;研究增材制造过程及后续热处理过程材料组织形成规律，形成优化的热处理制度;研究增材制造工艺条件下合金成分与材料组织和性能的关系，形成增材制造专用合金的设计原则;研究金属结构件增材制造的质量控制与评价方法，形成质量评价规范与标准。
考核指标：熔覆沉积成形结构件最大方向成形尺寸≥3m，变形量≤0.5mm/100mm;选区熔化成形构件最大方向成形尺寸≥400mm，变形量≤0.2mm/100mm;成形结构件的综合力学性能接近或相当于同种金属合金的锻件水平;成形构件实现工程试用。
实施年限：5年 拟支持项目数：2项
有关说明：优先支持紧密围绕国家重大工程应用需求的产学研合作研究。
1.2高效高精度激光增材制造熔覆喷头的研发(重大共性关键技术类)
研究内容：研究送粉式激光增材制造喷头的粉末输送特性、影响因素以及粉末输送质量的评价方法，提出高效、高精度制造的粉末输送与增材制造工艺的匹配原则;研究送粉激光增材制造
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熔覆喷头结构的优化设计方法，包括模块化设计、送粉通道结构优化设计、水冷结构优化设计;研究喷头工作距离自动调控装置及喷头工作距离变化条件下的工艺技术。
考核指标：匹配激光器功率范围100~20000W，连续开光熔覆时间≥8h，温升≤200℃，可自动调节工作距离处的光斑直径。
实施年限：5年 拟支持项目数：1-2项
1.3高性能大型金属结构件激光同步送粉增材制造工艺与装备(重大共性关键技术类)
研究内容：分层处理、路径规划及工艺过程等全流程控制软件;高效高精度增材制造工艺特性及精度和效率匹配控制策略;防污染、防反射光路设计，长程高精度多路粉体同步送进技术及增材制造过程气氛控制技术;成形过程实时可视监控技术与成形质量参数的特征辨识与智能处理技术;大跨度高精度激光束/数控工作台或机器手的联合运动控制技术。研制高性能大型金属构件激光同步送粉高效高精度增材制造工艺装备，在开展工艺试验基础上，形成工艺数据库以及工艺、装备、制件的相关标准规范。
考核指标：装备最大成形尺寸≥3500mm，成形效率≥450cm3/h(以Ti-6Al-4V合金沉积为参考)，连续工作时间≥240h。
实施年限：5年 拟支持项目数：2项
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有关说明：企业牵头，优先支持紧密围绕国家重大工程应用需求的产学研合作研究。
1.4粉末床激光选区熔化增材制造工艺与装备(重大共性关键技术类)
研究内容：高精度成形的装备设计原理与实现方法(包括成形平台定位精度、光斑定位精度、粉末预热温度的设计与控制方法等);高效率成形的装备设计原理与实现方法(包括多激光束、多振镜的应用，更高效的铺粉方式等);先进成形软件设计(包括分层厚度、填充策略等);装备运行的高稳定性和可靠性设计与制造;高可靠性气氛控制;制造过程的温度、几何、气氛等参数的实时监测、诊断与智能处理;研制相应的成形装备，在工程中开展试用，建立相关装备的工艺数据库和标准规范。
考核指标：(1)高稳定性粉末床激光选区熔化增材制造工艺与装备的指标：支持钛合金、高强合金钢、高强铝合金、高温合金等4类金属材料复杂构件的高精度成形;单激光器成形效率≥45cm3/h(以钛合金为参考);成形尺寸范围≥250mm×250mm ×350mm;成形几何精度≤±50μm，表面粗糙度≤Ra6(以成形标准试块为参考);装备的无故障运行时间≥2000h。(2)大尺寸粉末床激光选区熔化增材制造工艺与装备：支持钛合金、高强合金钢、高强铝合金、高温合金等4类金属复杂构件的高效率成形;制造效率达到≥120cm3/h(以钛合金为参考);成形尺寸范围
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≥500mm×500mm ×500mm;成形几何精度≤±100μm，表面粗糙度≤Ra12(以成形标准试块为参考);装备的无故障运行时间≥500h。
实施年限：5年 拟支持项目数：2项
有关说明：企业牵头，优先支持紧密围绕国家重大工程应用需求的产学研合作研究;高稳定性粉末床激光选区熔化增材制造工艺与装备、大尺寸粉末床激光选区熔化增材制造工艺与装备可以单独申报。
1.5高效高精非金属增材制造工艺与装备(重大共性关键技术类)
研究内容：面成形光固化增材制造技术;高性能树脂及其复合材料的高精度和大型构件增材制造技术;大尺寸铸造砂型高效3D打印技术;研制相应的工艺装备，建立相应工艺装备的适应材料、设备可靠性、环保安全等标准规范。
考核指标：(1)面成形光固化增材制造装备的成形效率≥2×106 mm3/h, 成形精度≤±0.02mm;(2)高性能树脂及其复合材料大型构件增材制造装备，最大成形方向尺寸≥2m，成形精度≤±0.1mm，制件强度性能≥100MPa;(3)大尺寸铸造砂型高效增材制造装备最大方向打印尺寸≥2m，层厚0.2mm~0.8mm可调，成形效率≥250L/h，砂芯抗压强度≥6MPa，抗拉强度≥1.4MPa。
实施年限：5年
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拟支持项目数：3项
有关说明：企业牵头。面成形光固化增材制造工艺与装备、高性能树脂及其复合材料大型构件增材制造工艺与装备、大尺寸铸造砂型高效增材制造工艺与装备可以单独申报。
1.6个性化植入假体增材制造关键技术(重大共性关键技术类) 研究内容：针对植入假体和精准诊疗辅助装置个性化制造的需求，研发符合临床诊疗需要的个性化假体的快速建模、分析软件和增材制造工艺软件;研制支持良好生物相容性材料的增材制造装备;开展医学临床应用研究，建立增材制造个性化假体的质量标准规范。
考核指标：工艺装备支持3种以上个性化假体的成形;个性化假体的设计制造时间不超过72h;不少于50例的临床试用或应用。
实施年限：5年 拟支持项目数：5项
有关说明：临床应用单位牵头、产学研联合申报，强化各主体的优势作用。
1.7基于互联网的3D打印制造创新应用(应用示范) 研究内容：针对创新创意设计和产品快速原型设计的需求，研究基于Web的三维轻量化建模技术，开发大众参与的3D打印创新创意设计软件，开发支持产品个性定制化设计、设计师协同创意设计以及3D打印的云服务应用平台;针对教育、文化创意、
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消费品等领域的需求，开发低成本、网络化、智能化多材质彩色3D打印设备，并实现产业化应用。
考核指标：(1)面向3D打印的云服务平台指标：支持在线个性化定制、创新创意设计、订单交易等功能，提供20种以上相关云服务，支持1万人以上同时在线，实现初期注册用户10万人以上用户规模，形成不少于500个应用案例。(2)普及型智能彩色3D打印机研制及其产业化指标：自主研制低成本、多用途、网络化、智能彩色3D打印设备，实现市场销售2000台以上。
实施年限：5年
拟支持项目数：面向3D打印的云服务平台3项、普及型智能彩色3D打印机研制及其产业化5项。
经费配套：其他经费与中央财政经费比例不低于2：1 有关说明：面向3D打印的云服务平台和普及型智能彩色3D打印机研制及其产业化可以单独申报;企业牵头申报。
2.激光制造
2.1 大功率激光焊接机理研究(基础前沿类)
研究内容：面向国家重大需求，研究激光焊接能量耦合机理，探索羽辉形成机制及其对光束传输与吸收的影响规律，揭示厚壁构件超窄间隙大功率激光焊接的焊缝熔池熔体非平衡凝固过程及接头组织特征与形成规律;研究激光焊接冶金特性，发展超厚超窄间隙激光焊接优质焊缝凝固组织控制新方法及焊缝组织性能同 — 8 —
步调控新技术。
考核指标：突破厚度≥100mm厚板超窄间隙焊接;高强钢、铝合金等典型材料焊态接头强度系数≥90%;完成2项以上工业应用。
实施年限：5年 拟支持项目数：1-2项
有关说明：优先支持结合国家重大工程需求，开展产学研合作研究。
2.2 高性能激光晶体制造工艺与装备(重大共性关键技术类) 研究内容：面向制造用先进激光器的重大需求，研究激光晶体/光学晶体与激光器性能参数的关联性，掌握以过氧化物为代表的高熔点激光晶体生长工艺、制备技术及制造装备集成技术;研究晶体加工表面损伤机理、表面完整性加工新工艺、控制技术以及加工技术;发展激光晶体/光学晶体高效低损伤超精密磨削、抛光等装备集成技术。
考核指标：研发高熔点过氧化物激光晶体制备工艺与装备，支持最高可生长晶体熔点不低于2400°，可生长激光晶体尺寸大于30mm×30mm;研发激光晶体/光学晶体加工工艺与装备，加工粗糙度Ra≤1nm、面型精度pv≤λ/6。
实施年限：5年 拟支持项目数：1-2项
2.3制造用工业化皮秒/飞秒激光器技术(重大共性关键技术类)
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研究内容：针对精细增材制造与激光制造需求，研究高重复频率皮秒/飞秒激光的产生、放大、传输、操控等技术，探索激光时间、空间分布变换等关键物理机制和过程;研发关键功能器件，开展激光振荡输出、功率提升、光束质量控制、频率变换等关键技术研究，提出功率和稳定性提升的方案;发展工业化皮秒/飞秒激光器系统集成和模块化组装技术。
考核指标：开发出高可靠性120W皮秒激光器与40W飞秒激光器，单脉冲能量大于50μJ;解决80W皮秒激光器与30W飞秒激光器产品化问题;项目验收时实现制造用的皮秒激光器200套/飞秒激光器100套以上的销售量。
实施年限：5年 拟支持项目数：1-2项 有关说明：企业牵头申报。
2.4复杂构件表面的激光精细制造工艺与装备(重大共性关键技术类)
研究内容：面向国家重大需求，突破激光光束路径规划及高速扫描、激光制造装备在线监测与补偿、光学检测辅助柔性夹持定位等关键技术;研制激光光束空间高速传输定位、光束空间指向/功率实时校正等机构;研究面向航天典型零件表面图案激光精密加工、航空复杂构件的激光修理及环型薄壁化铣件激光刻型等技术与工艺;研究成套多轴光、机制造装备系统集成。
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考核指标：研制复杂图案精密加工、构件修理、环型薄壁化铣件刻型等不少于3类高端激光制造工艺与装备。图案制造尺寸误差小于0.02mm(以1m2全复杂图案考核);零件特征结构修理尺寸误差小于0.005mm;第2次重复刻型精度误差小于0.06mm(以直径1m以上环型薄壁件考核);在工程中得到实际应用。
实施年限：5年 拟支持项目数：1-2项
有关说明：优先支持紧密围绕航空航天等国家重大工程需求的产学研用合作研发。
2.5激光强化技术重大工业示范应用(应用示范类) 研究内容：面向航空航天、交通等关键部件长寿命及其它高性能需求，研究激光光路控制、加工过程的多自由度运动规划、关键零件激光扫描基准面的三维坐标定位、激光扫描跟踪、质量在线检测等关键技术;研究零件强化过程工艺参数优化的控制方法，进行高可靠性激光强化装备集成研发，建立激光强化工艺数据库，形成工艺规范和标准。
考核指标：针对至少2个应用领域，研发不少于2类激光强化处理的成套工艺与装备，典型构件硬度提升20%以上、疲劳强度提高15-30%及以上、强化结构件压应力层深度最大1.5mm、叶片表面最大残余压应力800MPa,提高寿命80%以上;轨道激光强化处理最大速度不低于50m/h，激光强化后提高铁轨道耐磨寿命
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10 倍以上。在典型企业示范应用。
实施年限：5年 拟支持项目数：2项
经费配套：其他经费与中央财政经费比例不低于2：1 有关说明：企业牵头申报;优先支持与航空航天、交通等领域国家重大需求紧密结合的产学研团队;企业牵头申报。
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随着美国等发达国家将3D打印技术列入未来重点培养扶植制造技术行列的序幕拉开，我国前国家主席胡锦涛也在国家重要会议上提出将3D打印技术确立为我国面临第三次技术革命时期与其它发达国家抗衡的重要突破点。3D打印技术的发展开始走上高速轨道，特别在东北重工业基地，该技术的影响力将辐射到各大国有企业、集团公司和一些高科技需求单位。
黑龙江科技学院粉末先进成形技术研究所近年来一直在瞄准激光熔化增量制造(3D打印技术中重要的一种)金属零部件装备和技术方面的研究，前期积累了丰富的经验，整体研究水平紧跟国外先进国家，并对该技术的未来充满希望。今年六月份，我校科大科技公司的成立为粉末所提供了一个好机会，我所准备集中人力和技术资源，将经过长期研究和不断完善的金属零部件制造装备推向实际装配和商品化。这半年来，我们在以往研发的基础上，主要学习了德国EOS公司设备的先进点，并确立了自主研发设备的制造优势，在设备振动稳定性、激光光路能量保持、保护气氛的进出、粉末熔化焊合球化抑制措施等方面进行了切实可行的规划。上述规划将各自克服国内外产品对应的缺陷，使制造过程更加顺利通畅。
目前，我们正在进行装备零部件的设计，同时进行整机的外观设计，电器零部件的选型和调试，设备工艺软件功能增加和完善。这一过程预计持续到2013年下半年，在此期间，研究所将计划与中航工业哈尔滨东安发动机集团公司签订零部件激光制造前期工艺研发技术协议，针对发动机部分复杂零部件的制造，为其提供相应的技术支持。此间所形成的制造工艺方法将有力地为实现研发功能较为完善的制造装备提供借鉴，并希望在明年年底可以进行试验装备的安装和调试。
增材制造(又称“3D打印”)是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展，“快速原型制造”、“三维打印”、“实体自由制造”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。
国内增材制造产业现状
经过多年的发展，我国增材制造技术与世界先进水平基本同步,在高性能复杂大型金属承力构件增材制造等部分技术领域已达到国际先进水平。但是，我国增材制造产业化仍处于起步阶段，与先进国家相比存在较大差距，尚未形成完整的产业体系，离实现大规模产业化、工程化应用还有一定距离。
当前，增材制造技术已经从研发转向产业化应用，其与信息网络技术的深度融合，或将给传统制造业带来变革性影响。加快增材制造技术发展，尽快形成产业规模，对于推进我国制造业转型升级具有重要意义。为此，我国应把握机遇，整合行业资源，营造良好发展环境，努力实现增材制造产业跨越式发展。
为落实国务院关于发展战略性新兴产业的决策部署,抢抓新一轮科技革命和产业变革的重大机遇，加快推进我国增材制造(又称“3D打印”)产业健康有序发展，国家工业和信息化部制定国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)。
我市增材制造产业现状与未来
以假乱真地3D打印已逐渐走进了百姓的生活中，精美的工艺品、文物，精细的汽车、飞机、医疗、建筑的零部件都能用3D打印神奇的“克隆”出来。目前，3D打印技术已应用于多个领域，医学上已实现用3D打印技术打印骨头、血管、胆管等简单的人体组织器官。在航空制造领域，3D打印技术已广泛应用于新机设计试制过程，我国2012年首飞成功的歼-15机型的整个前起落架及钛合金主承力部分就是以3D打印技术完成。2014年第六届连云港文博会期间，我市唯一一家3D打印定制机构连云港兆轩三维科技有限公司携高质量的3D打印机入驻文博会现场，为港城人民展示FDM 3D打印，彩色石膏打印，水晶内雕，Q版彩色人像等高精尖技术。
我市增材制造产业技术还处于产业化初期阶段，发展面临诸多挑战。首先连云港具有3d打印技术的企业数较少、规模较小，不具备打印复杂结构物件的技术;二是技术创新体系不健全，标准、试验检测、研发等公共服务平台缺失;三是市级产业政策体系尚未建立;四是我市没有专门从事3d打印技术方面科研攻关的研究机构或者院校。
为尽快推动我市增材制造技术研发和产业化，未来需要从以下几个方面提前部署，统筹推进。
一是加强上层设计和统筹规划。制定市级层面的增材制造行动计划;由相关单位或者科研机构专家制定增材制造技术路线图、技术引进方案图、增材制造中长期发展战略，促进产业健康可持续发展。
二是加大财政支持力度。加大财税政策引导力度，加大对增材制造技术研发和产业化的支持力度，研究制定支持增材制造产业发展的专项财税政策。
三是组建增材制造行业组织。要加大宣传力度，积极组织行业力量开展产业政策研究，创新体制机制，推动增材制造技术研发和产业化。
四是建立增材制造应用示范基地。根据我市增材制造技术的发展水平与现有的水平，立足装备制造业，重点选择在生物医疗、农用机械、电子制造等领域推广应用，分步骤、分层次开展应用示范，形成通用性、标准化、自主知识产权的应用平台，加快推进产业、技术和应用协同发展。
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美国增材制造实验室汇总
美国大学研究室主要是以基础研究为主，这些高校研究的资金主要来自NASA、能源部等大财主。金属材料3D打印大热，“2020年之前通用航空公司将制造出10万个增材零件”
在金属材料研究方面，美国的优势并不像高分子材料、纳米材料等其他新材料的那样明显，其最发达的是金属材料在军事和航空航天领域的应用。
众所周知，美国的军事、航空航天实力全球第一，这也得益于美国在这两个领域全球领先的金属材料研发能力。近年来，增材制造(即3D打印)迅速升温，美国也于2012年10月在俄亥俄州扬斯顿成立了首个世界前沿的国家增材制造创新研究所(NAMII)，以巩固其在增材制造领域的优势。
在国家研究室方面，除了橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、阿贡国家实验室、埃姆斯国家实验室、国家航空航天局(NASA)等享誉全球的国家实验室，还有美国金属加工技术国家中心等专门从事金属材料研究室以及新近成立的国家增材制造创新研究所。
美国的大学研究室主要是以基础研究为主。除了知名的MIT、西北大学等老牌材料工程名校，还有侧重金属材料研究的康涅狄格大学等，这些高校研究的资金主要来自NASA、能源部等大财主。金属材料研究大名鼎鼎的公司，则主要是波音、通用等。
大学研究室：
MIT发现金属材料自我修复
大学方面，麻省理工学院、西北大学、加州大学圣芭芭拉分校、伊利诺伊大学香槟分校、斯坦福大学、康奈尔大学、哈佛大学、宾夕法尼亚大学等都是传统的材料科学工程研究顶尖院校，这些大学在细分的金属材料方面也有着较深的研究底蕴。
在全美高校之中，麻省理工学院材料工程专业全美排名第一。除了前期介绍过的纳米技术实验室、先进材料实验室，麻省理工学院材料科学与工程系还拥有一个快速成型实验室(RFL)，主要进行金属材料等的快速成型试验。该实验室始建于2007年，初始启动资金来自于Lord Foundation。目前，该实验室RFL拥有数控铣床和车床，两个3D打印机，激光切割机，和一个CAD/CAM工作站。
自然界中的生物体在遭受损伤时具有自我康复的功能，但你一定没听过金属材料也能自我修复。
日前，来自麻省理工学院的材料工程系的迈克尔·戴姆克维兹教授和研究生徐国强在一项金属特性实验中意外发现受损的金属也具有自我修复的功能，并通OFweek3D打印网
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过计算机模型重现了这一修复机制。发现这个机制后，MIT的研究人员计划进一步研究如何设计出相应的金属合金，以便在特殊应用条件下产生自我修复的功能。“我们为之打开了通途，如何设计出可以自我复原的金属材料不会太久。”上述研究人员称。
西北大学，材料科学与工程排名全美第二，其材料系与阿贡国家实验室广泛合作，尤其是光电子材料和纳米材料方面。西北大学的金属材料包括：形状记忆合金(生物医学植入物)、轻型车辆和高温引擎的多元合金、金属间化合物合金的储氢、电子显微技术的高级特征、合金中纳米析出相的原子探针研究等。
加州大学圣芭芭拉分校材料科学方面的研究位列美国前三。该学校除了拥有数个全球顶尖的纳米材料实验室，还拥有众多与金属材料研究相关的实验室，包括材料研究实验室(MRL)、多功能材料和结构中心(Cemmas)、节能材料中心(CEEM)、复合材料研究所(Los Alamos)、先进材料中心(MC-CAM)、国际材料研究中心(ICMR)等。
其中，材料研究实验室是世界公认的五大材料研究中心之一，研究范围宽广，在全球范围内影响力巨大。复合材料研究所(Los Alamos)则是加州大学圣芭芭拉分校与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作成立研究项目，主要从事金属复合材料和工程材料方面的研究。此外，先进材料中心(MC-CAM)则是与日本三菱化学公司(Mitsubishi Chemical)合作成立的研究机构。
宾夕法尼亚大学，主要研究如何研发新型高强度、高韧性合金材料，致力于金属间化合物的基础系统研究，比如钛铝合金和银钼合金等。
此外，康涅狄格大学、密歇根理工大学、田纳西大学、奥本大学、新墨西哥矿业技术学院、密苏里大学-罗拉分校、普渡大学、凯斯西储大学、密歇根州立大学伍斯特理工学院等院校的材料科学与工程专业名气虽不如MIT等名校，但这些学校的材料工程偏重金属材料的研究，各有千秋。
康涅狄格大学材料科学研究所(IMS)成立于1965年，是一个先进材料研究中心，研究所占地面积达80000平方英尺。该研究所材料科学方面的研究横跨金属聚合物、金属纳米材料、生物医学金属材料等领域。此外，该研究室拥有一系列生物金属材料、金属材料加工、金属机械材料测试、核磁共振及磁检测、金属粉末特征等相关的先进研究仪器设备。
“美国学校做的也都是基础方面的研究为主，很多学校研究资金的来源都是NASA。”一位新加坡南洋理工大学机械与宇航工程系研究员表示，“就增材制造(3D打印)涉及的金属材料方面，美国做得比较好的学校有德雷克赛尔大学、密苏里大学和卡耐基梅隆大学等。”
“在以上大学中，德雷克赛尔大学的钛合金、镁合金研究比较出色，钛合金可用于人造植入物，镁合金可以溶解，用于飞机制造。密苏里大学准备要做这方面的研究，最近刚争取到资金支持;卡耐基梅隆大学研发了10年的钛合金，但没什么特别的成果。”上述研究员进一步表示。
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国家实验室：美国国家
增材制造创新研究所阵容庞大
在美国，除了世界鼎鼎有名的橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、阿贡国家实验室、埃姆斯国家实验室、国家航空航天局(NASA)设有专门的研究金属材料团队之外，还有一些并不耳熟能详但是在高端金属研究领域极具地位的研究所，其中包括美国金属加工技术国家中心(NCEMT)、美国国家增材制造创新研究所。
橡树岭国家实验室下设一个专门的材料科学和技术部，该部门是由之前的凝聚态物质科学部和金属与陶瓷部整合而成的，金属方面的研究涉及合金、材料在极端环境，如高温、强腐蚀性介质、强辐射下的交互以及材料的物理应用，其中包括材料的超导、热电、储氢、光电催化、能源存储性能等。
埃姆斯国家实验室材料制备中心(MPC)对金属的研究开发业界知名的，在2013年1月份，美国能源部宣布在该实验室设立重要材料研究所(CMI)，主要目的是解决维护美国能源安全所需的稀土金属和其他材料短缺的问题。
美国金属加工技术国家中心专业研究范围包括金属的浇铸、半固态、成型、焊接和粉末冶金，其中粉末冶金等静压技术的研究处于前沿。
“钛合金在航空航天领域用得比较多，现在可以用激光以及电子束加工成型，这些金属加工技术是这几年才兴起来的。”前述南洋理工大学研究员向记者表示。
而这位研究员提到的用激光和电子束加工成型的技术正是近年来炒得火热的3D打印，也叫做增材制造。作为科技强国，美国在这方面自然不甘人后，2012年10月，美国在俄亥俄州扬斯顿成立了首个世界前沿的国家增材制造创新研究所(NAMII)。
美国国家增材制造创新研究所由来自行业、学术界、政府和劳动力发展资源领域的成员组成，是奥巴马政府提议在全国建立的15个制造业创新学院的一个。
目前该研究所至少拥有85家公司，主要包括全球知名的特种金属生产商阿勒格尼技术公司、马丁航空公司，以及3D打印公司ExOne公司、波音公司、通用动力、通用电气、IBM等企业，此外，还包括至少13所研究型大学，主要有卡内基-梅隆大学，凯斯西储大学，肯特州立大学，宾夕法尼亚州立大学，罗伯特莫里斯大学，美国里海大学、阿克伦大学，匹兹堡大学、扬斯顿州立大学以及9个社区学院和18个非营利机构。
研究所所有成员的目标是将3D打印技术转变成美国制造技术的主流，而研究所的主管爱德华·莫里斯也表示，美国国家增材制造研究所正探索方法，把美国制造业再次转变成主导全球经济的力量。
公司研究室：3D打印
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改变公司金属加工方法
学术、研究和商业形成一体，相辅相成，不仅是美国众多高校研究所和国家实验室运营模式，美国很多大型公司的研究和生产相结合的模式也日臻成熟，波音公司和通用电气公司是当之无愧的典型。
美国波音公司是世界上航空航天领域规模最大的公司，世界上最大的民用和军用飞机制造商，也是美国国家航空航天局的主要服务提供商。除了设计和生产我们所熟知的民用飞机外，同时也是军用飞机、卫星、导弹防御、人类太空飞行和运载火箭发射领域的全球市场领先者，而且还处于无人驾驶系统军事技术领域的前沿。
波音公司研发机构命名为鬼怪工程部(Phantom Works)，与该研究部产生的各种天马行空的想法相互映衬。
在美国，有4000多名波音员工投身其中成为波音特种工程师，从事着近500个高科技项目的研究。鬼怪工程部的制造加工团队曾率先使用高速加工、搅拌摩擦连接、自动化纤维放置和树脂膜注入缝合的方法生产出结构更强、质量更轻、体积巨大的整块复合金属结构并运用于F/A-18E/F“超黄蜂”舰载战斗机上。
另外一个非常重视前沿金属材料研发和生产的公司是通用电气。打开通用电气公司的增材制造主页，“增材制造正在重塑我们的工作方式”的标语赫然出现。目前，通用电气公司使用了超过300件的3D打印器材。
通用电气研究增材制造有20多年之久，其公司著名的全球研发中心下面专门设有一个增材制造实验室，团队里面包含600名工程师，分布在世界21个点，主要专注于新合金的开发、扩充、加工和运用。
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摘 要：3D打印技术(又名增材制造技术)是一项日趋成熟的数字化成型技术，许多行业积极发展3D打印技术的结合利用。本文概述了3D打印技术及其在教育教学中的应用现状，分析了铸造专业特点和3D打印技术应用于铸造教学的作用，以教学实例的方式探索了3D打印技术融入铸造实践教学的方式方法。
关键词：3D打印;铸造实训;识图;教学
《教育部党组关于教育系统学习贯彻总书记教师节重要讲话精神的通知》中指出，引导支持广大教师“善于运用新技术提高教学设计、教学实施、教学评价的专业能力”、“始终为学生提供最有效的指导和最好的教育”。笔者在高职铸造教学中进行了增材制造技术的应用探索与实践，有效解决了高职铸造学生在校学习积极性不高、教师教学效果不好的问题。
一、研究意义和背景
铸造是一门工程性很强的专业。在学习机械制图、材料成型原理等理论先修课程时，需要很多实体的教具(如机械零部件或模型)来进行演示，而实际上很多学校由于经费的原因，教具数量极为有限且更新慢，使教师在讲解知识时有无米之炊的尴尬。在进行砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训等实践课程时，铸造实训车间工作环境较差，使铸造专业的学生产生一种失落感，学生的学习积极性受挫。通过丰富教具和教学形式，可以有效解决上述环节的困境。
3D打印技术起源于上世纪八十年代，经过三十年的发展，这项快速成形技术取得了长足的发展，能够利用多种材料打印出精度较高的产品，开始在各个行业发挥作用。近年来，3D打印已成为一项热门的技术，在全世界范围内掀起了一场3D打印的学习和应用热潮[1]。为了激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，增强学生的动手能力和创新思维，许多发达国家已经进行了3D打印技术应用于教育事业的探索，欧美一些学校设立了3D打印相关教育基金，购买3D打印设备开展教学试点。在我国，3D打印技术也于近几年走进了校园，部分学校开始有了3D打印相关课程[2]。随着3D打印技术的学习和应用热潮日渐升温，该技术必将得到不断提升，其设备与打印材料的价格必然呈逐渐降低的趋势，为3D打印机走进越来越多的校园，走向课堂创造了现实条件。
二、探索与实践
3D打印区别于传统的“模具―毛坯―机加工”等模式的“减材制造”技术，通过材料的逐层堆积方式来构造物体，又被称作“增材制造”技术，它以数字模型文件为基础、粉末状金属或塑料等可粘合材料为打印原料，具有节约材料、高效率和自由化设计等优点，被称作是一项革命性技术，是“第三次工业革命”到来的重要标志[3]。
目前，主流的3D打印技术有：熔融沉积造型技术(FDM)、光固化立体造型技术(SLA)、薄材叠层成型技术(LOM)、选择性激光烧结技术(SLS)、三维喷涂粘成型技术(3DP)等，其中FDM技术，操作简便，生产成本低，应用最为广泛。[4]
1.3D打印在机械制图中的应用
机械制图作为铸造专业的先修课程，目的是使学生增强识图制图能力。识图制图能力的增强依赖于多看、多想以建立空间思维，这就要求学校拥有足够数量的教具，如各类金属零部件、塑料模型等，而许多学校由于教学经费的限制，拥有的教学用模型数量有限，特别是复杂零部件模型(价格较贵)很缺乏，且很少更新。教师只能利用少量的简单模型进行讲解，大大限制了学生识图能力的提升。在工作后遇到的零部件图纸各式各样，有很多会比较复杂，铸造专业的学生往往难以很快适应。
3D打印的一大优势就是可以快速地打印出形状与结构复杂的模型，若选择合适的材料，打印成本也较低。如果将3D打印机引入课堂，可以在低成本的条件下，大大丰富教具的种类和数量，并且可以随时增补新式零部件模型，可极大提升学生的见识和空间想象力，使学生将来进入工作岗位后能够快速适应，同时也使教师讲课时有更多的、更复杂的教具辅助，事半功倍。
2.3D打印在特种铸造生产实训中的应用
无论是砂型铸造生产实训、特种铸造生产实训，为了验证学生工艺设计质量，都应该先制造出学生工艺设计的模样，然后才能进行造型、浇注。但这无论是从时间还是经济上讲都是难以实现的。以下是结合了3D打印进行的新型特种铸造生产实训流程图。
如图1所示，当学生进入铸造生产实训阶段后，首先由教师布置生产任务，向学生讲解任务大致流程，学生自由组合成立研究小组，分析任务产品特点，完成铸造工艺方案的制定。学生在教师的辅助下完成3D打印机软、硬件学习，开始产品试制，通过三维建模导出STL格式文件输入3D打印机，打印出3D模型，以三维模型的尺寸为基准对3D打印模型进行尺寸检测，若合格则进入熔模铸造后续流程，若不合格，分析尺寸超差的原因，返回上一步，对三维模型进行检查、对3D打印参数进行调整，再次打印模型。利用合格的3D打印模型进行熔模铸造生产，得到铸件，对铸件进行尺寸和缺陷检测，合格则得到铸件成品，不合格则利用检测数据对铸件结构和铸造工艺进行优化，用优化后的方案返回到三维建模步骤进行产品再试制。
以上流程中通过3D打印技术的引入免去了模样的加工周期，进行该试生产的时间可缩短为2至4周，与高职院校铸造生产实训周期较为吻合;又省去了制作模样的费用，节约了成本。
3.3D打印技术融入铸造教学的其他积极作用
3D打印技术给铸造领域注入了创新动力，各地、各院校可以利用铸造与3D打印技术相结合开展创新创业活动，如基于3D打印技术的新型铸造工艺方法设计比赛和铸造工艺品创意制作比赛等，为学生积极创造实战机会，提高学生理论联系实际及开拓创新的能力，同时通过竞赛与奖励的方式提升铸造专业学生的行业荣誉感。
三、结束语
在理论教学中引入3D打印，实现了教师教具的极大丰富，教学效果得到改善，学生识图水平显著提高;在铸造生产实训中引入3D打印，加强了学生在实训教学中的主动参与度，挖掘了学生自主分析、专研的能力和兴趣。学生成立了研究小组，进行了产品试生产，不仅使其切身体会了铸造生产的真实流程，得到了“岗前培训”，而且培养了团队协作精神。迎着3D打印技术的发展热潮，各教育机构应该积极研究并扩展3D打印在多学科教学上的应用范围，利用此类人工智能化技术为教育教学带来更多革新性的变化。
参考文献：
[1]傅骏，王泽忠，方辉.3D打印技术及其在铸造中应用现状与发展展望[J].中小企业管理与科技，2014(9)：299-300.
[2]朱阁，莫蔚靖.3D打印技术在教学中的应用与探索[J].价值工程，2015(32)：178-181.
[3]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013，23(12)：16-19.
[4]王嘉.3D打印技术及其发展现状[J].包头职业技术学院学报，2015，16(2)：18-20.
(作者单位：曾舟：四川工程职业技术学院，四川大学;傅骏：四川工程职业技术学院，四川大学;吴代健：四川工程职业技术学院;蔺虹宾：四川工程职业技术学院)
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