據(jù)美國國家航空航天局（NASA）官網(wǎng)近日報道，NASA工程人員正通過利用增材制造技術制造首個全尺寸銅合金火箭發(fā)動機零件以節(jié)約成本，NASA空間技術任務部負責人表示，這是航空航天領域3D打印技術應用的新里程碑。

　　增材制造技術以獨特優(yōu)勢贏得發(fā)達國家的青睞

　　增材制造（AM）技術又稱為快速原型、快速成形、快速制造、3D打印技術等，是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學技術體系?；诓煌姆诸愒瓌t和理解方式，增材制造技術的內(nèi)涵仍在不斷深化，外延也不斷擴展。增材制造技術不需要傳統(tǒng)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，從而實現(xiàn)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。

　　歐美發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展和推動增材制造技術的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，增材制造技術已受到政府、研究機構、企業(yè)和媒體的廣泛關注。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，白宮提出實現(xiàn)該項計劃的三大背景技術包括了增材制造，強調(diào)了通過改善增材制造材料、裝備及標準，實現(xiàn)創(chuàng)新設計的小批量、低成本數(shù)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、40余家企業(yè)、11家非營利機構和專業(yè)協(xié)會。

　　其他歐洲國家也在積極跟進增材制造技術的研發(fā)。英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術的研發(fā)經(jīng)費。以前僅有拉夫堡大學一個增材制造研究中，諾丁漢大學， 謝菲爾德大學、?？巳卮髮W和曼徹斯特大學等相繼建立了增材制造研究中心。英國工程與物理科學研究委員會中設有增材制造研究中心，參與機構包括拉夫堡大學、伯明翰大學、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學、研究機構及企業(yè)。法國增材制造協(xié)會致力于增材制造技術標準的研究。在政府資助下，西班牙啟動了一項發(fā)展增材制造的專項，研究內(nèi)容包括增材制造共性技術、材料、技術交流及商業(yè)模式等四方面內(nèi)容。

　　金屬3D打印在航空航天領域?qū)l(fā)揮巨大效益

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

　　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擺脫了模具制造這一顯著延長研發(fā)時間的關鍵技術環(huán)節(jié)，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，為先進航空航天器的快速研發(fā)提供了有力的技術手段。

　　第二，顯著減輕結構重量。減輕結構重量是航空航天器最重要的技術需求，傳統(tǒng)制造技術已經(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則可以在獲得同樣性能或更高性能的前提下，通過最優(yōu)化的結構設計來顯著減輕金屬結構件的重量。

　　第三，顯著節(jié)約昂貴的戰(zhàn)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，同時伴隨著極大的機械加工量。作為一種高性能近凈成型技術，金屬3D打印高性能增材制造技術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，同時也就顯著減少了機械加工量。

　　第四，制造一些過去無法實現(xiàn)的功能結構，包括：最合理的應力分布結構；通過最合理的復雜內(nèi)流道結構實現(xiàn)最理想的溫度控制手段；通過合理的結構設計和材料分布實現(xiàn)振動頻率特征的調(diào)控，避免危險的共振效應；通過多材料任意復合實現(xiàn)一個零件的不同部位分別滿足不同的技術需求等。

　　第五，通過激光組合制造技術改造提升傳統(tǒng)制造技術，使鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)制造技術手段更好地發(fā)揮作用。激光立體成型技術可以實現(xiàn)異質(zhì)材料的高性能結合，從而可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)技術制造出來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?shù)牧W性能。這就可以把增材制造技術成型復雜精細結構的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術高效率、低成本的優(yōu)勢結合起來，形成最佳的制造策略。

　　美國開辟航天發(fā)動機零件3D打印的“新天地”

　　增材制造技術是有助于NASA繼續(xù)探月行動，甚至維持火星探測人員生存的眾多技術之一。發(fā)動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力。增材制造具有降低火箭零件制造時間和成本的潛能，如火箭燃燒室銅合金內(nèi)襯，在火箭燃燒室內(nèi)超冷推進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(nèi)襯壁里面，溫度激增到2760 ，通過氣體循環(huán)，將內(nèi)襯壁外面的溫度冷卻到絕對零度以上100 以下，來防止熔化，銅合金內(nèi)襯是專為實現(xiàn)這一目的而制造。為了使氣體循環(huán)，在燃燒室內(nèi)襯內(nèi)、外壁之間建造了200多條復雜通道。

　　這種具有復雜內(nèi)部幾何特征的小通道對NASA增材制造團隊帶來挑戰(zhàn)。馬歇爾太空飛行中心材料與加工實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小時的時間內(nèi)制造了燃燒室內(nèi)襯。在制造燃燒室內(nèi)襯之前，材料工程師建造了幾個其他試驗件，對材料進行了表征，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)動機燃燒室及其他零件內(nèi)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挑戰(zhàn)，因為激光很難連續(xù)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來制造。因此，NASA正在通過3D打印一個火箭零件來開辟技術新天地，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(nèi)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(shù)，確保建造質(zhì)量。格倫研究中心將開發(fā)材料機械性能的廣泛數(shù)據(jù)庫，用于指導未來的3D打印火箭發(fā)動機設計。

　　制造銅合金發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯僅僅是低成本火箭上面級推進項目的第一步，該項目由NASA空間技術任務部的顛覆性開發(fā)計劃資助。NASA的顛覆性計劃資助那些將變革未來太空活動的技術開發(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(nèi)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(nèi)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行發(fā)動機部件的熱點火測試，以確定在模擬的極端溫度和壓力條件下，發(fā)動機的運行情況。

　　美國矢志研發(fā)先進發(fā)動機或與俄美交惡有關

　　長期以來，美國在航空航天大推力發(fā)動機技術方面需要向俄羅斯“彎腰”。最近，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司宣稱，美國進口俄制RD-180發(fā)動機已有15年的歷史，期間從來沒有發(fā)生過供應鏈中斷問題，在世界航天領域被視為國際合作典范。雖然該發(fā)動機性能可靠、價格便宜、供貨穩(wěn)定，但事關美國國家安全的發(fā)射任務卻依賴俄羅斯的發(fā)動機，一直都是美國政府的隱憂。隨著烏克蘭局勢持續(xù)緊張，美國不斷升級制裁措施。俄羅斯也不示弱，一度借威脅禁止俄制RD-180發(fā)動機用于美國航天發(fā)射任務來回擊美國制裁。

　　由美國航天專家組成的一個委員會對于在不使用俄制RD-180發(fā)動機條件下的美國發(fā)射情況進行了展望。委員會發(fā)現(xiàn)，失去俄制RD-180發(fā)動機將會導致31項任務的延遲，損失多達50億美元，另外還會對空軍長期的國家安全發(fā)射合同競爭造成重要影響。鑒于“宇宙神”-5火箭在美國有效載荷發(fā)射任務中的重要地位，以及新型液體火箭發(fā)動機研制一般需要數(shù)年時間，尋找RD-180替代方案成為美國當前的一個緊迫事項。

　　為了提高美國工業(yè)競爭力，美國制造商將可使用由馬歇爾飛行中心管理的NASA材料和加工信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。該項目負責人稱，其目標是將火箭發(fā)動機零件的建造速度提高10倍，成本降低50%以上。項目團隊不僅僅是試著制造和測試一個零件，而是正在開發(fā)一種可重復的工藝，使工業(yè)界可采用該工藝制造具有先進設計的發(fā)動機零件。最終目標是提高火箭發(fā)動機建造的經(jīng)濟可承受性。

　　我國首個國家3D打印工程實驗室成立

　　近日，國家發(fā)改委高分子復雜結構增材制造國家工程實驗室建設啟動儀式在湖南隆重舉行，首家國家3D打印工程實驗室落戶湖南。會議正式確立了實驗室組織架構，湖南華曙高科技有限責任公司董事長許小曙發(fā)布了實驗室的研究方向、建設任務、建設目標等重要內(nèi)容，并擔任本屆實驗室主任。

　　針對目前3D打印在打印精度、速度和可選材料等方面存在的問題，未來3年，實驗室將突破材料鋪設和定點精確置放、多色彩材料精確配比成型、多焦點制造、一體化高精度3D數(shù)據(jù)獲取、高頻響高精度實時能量控制等方面不少于20項關鍵技術；將制件精度、制造效率至少提升1倍以上，研制增材制造裝備1-2個系列，開發(fā)適合高分子復雜結構增材制造的材料不少于15種，申請專利不少于28項，為推動我國高分子復雜結構增材制造的技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供支撐。

　　據(jù)悉，高分子復雜結構增材制造國家工程實驗室是增材制造領域全國首家國家級工程實驗室，由國家發(fā)改委主管，代表了我國增材制造領域最先進水平，屬國家科技創(chuàng)新體系的重要組成部分，已被納入我國中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要。湖南省、長沙市、高新區(qū)將在全國范圍內(nèi)率先建立起國際領先的增材制造技術創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化與支撐服務平臺。

　　該平臺將擁有國際最先進的基礎設施、打造最頂尖的人才團隊、創(chuàng)造最優(yōu)秀的科技成果、整合最全面的產(chǎn)業(yè)資源、構建最完善的服務機制，對提升增材制造自主創(chuàng)新能力、促進增材制造技術成果轉(zhuǎn)化、強化增材制造跨領域融合應用、帶動形成經(jīng)濟發(fā)展新增長點具有重要意義。