引言

增材造作是以数字模型为基础，将资料逐层堆积造作出实体物品的新兴造作技术，体现了信息网络技术与先进资料技术、数字造作技术的深度结合，深刻影响着传统工艺流程、出产线、工厂模式和产业链组合，是高端造作业的沉要组成部门，已成为世界列国积极布局的未来产业发展新增长点
。近年来，我国高度器沉增材造作产业发展，将其作为“中国造作2025」亟略的发展沉点
。增材造作产业正从起步阶段向高速成长阶段迈进，钻研增材造作产业的发展示状、趋向及存在的问题，把握产业发展方向，对推动增材造作产业健康有序发展意思沉大[1]
。

随着民用飞机的大型化发展，结构越来越复杂，接受的载荷也越来越大，同时对经济性和环保性的要求也不休提高
。在保障安全性的前提下，若何减轻结构沉量一向是飞机设计人员关键的钻研指标
。增材造作技术可能实现复杂精密零件的近净成形，与优化设计技术相结合，为民用航空工业实现结构轻量化、急剧设计验证、幼批量零部件急剧造作，以及急剧客户响应等关键技术利用带来了一种全新思路，是一种拥有革命性意思的新兴技术
。面向未来，发展增材造作技术利用钻研，对推动增材造作件在民航现有型号批量装机利用，实现降本增效，支持未来民用飞机设计刷新，都拥有沉要的现实意思
。

1、 增材造作技术现代 发展过程

随着资料、工艺和设备的日趋成熟，高端造作业利用需要逐步加大，新型增材造作的工艺、资料被不休提出，主流技术有激光选区烧结、熔融沉积造作、叠层实体造作、激光选区溶解、电子束选区溶解等
。2003到2015年，激光选区溶解、电子束选区溶解、激光近净成形等技术与设备相继出现，其合用的原资料及结合机造件如表1所示
。增材造作的利用领域进入产品急剧造作阶段，在航空航天等高端造作领域得到了规；
。增材造作在民用航空领域的利用集中在钛合金、铝合金、超高强度钢、高温合金及非金属等资料的零部件造作
。选取的工艺重要为粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）、资料挤出（FDM）
。

国内关于增材造作技术的钻研始于1991年，在国度科技部等部委领导支持下，西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等，在成形设备、造作工艺等方面钻研和工程化利用获得了突破性成就
。随着技术不休发展和推广，国内越来越多的高校和科研机构发展有关钻研，西北工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、漯河航空航天大学、上海联泰科技公司等单元在增材造作设备及配套软件研发、资料钻研和产业化发展都做出好多索求性钻研和利用工作，获得沉猛进展
。

进入21世纪，国内根基实现了工业设备产业化，缩幼甚至某些水平上超过了国表产品水平，添补了增材造作领域多多方向的技术空缺，不仅彻底脱节了早期依赖国表进口的局面，现今国产增材造作设备已经畅销全球四十多个国度和地域
。然而，我国增材造作设备关键器件（如激光器振镜系统）、高机能成形资料（如超高温镍基合金粉材）、成形过程的智能化节造、增材造作全流程的仿真仿照及产品利用领域等方面仍旧落后于国表先进水平，在高机能终端零部件的直接造作和“形性节造”方面仍有极度大的提升空间[2]
。由于部门设备的主题元器件对国表进口的依赖，导致成形过程的质量在线监控和缺点智能诊断技术也不够成熟美满
。

增材造作工艺方面，相对国表“基于理论基础的工艺节造”，国内更多的是依附经验、沉复循环的试验验证，以至于国内增材造作工艺在关键技术上整体落后于国表先进水平
。资料的基础钻延注造备工艺和产业化等方面，较国表也存在相当大的差距
。技术利用方面，国表增材造作技术在高端造作业领域得到了宽泛利用，出格是在航空航天领域的利用率已达到12%之多，而国内相对偏低，与规；⒄够勾嬖诩际跎现疃嗥烤
。上述问题也成为我国增材造作技术在民用飞机利用和创新发展路路上，亟待突破的沉点和关键
。

2、 增材造作技术优势及利用近况

增材造作技术与传统减材、等材造作工艺相比拥有设计自由度高、造作周期短、资料利用率高、一体化成形蹬着势，同时增材造作零件也出现出优良的综合力学机能，目前增材造作技术在航空造作及维建领域已经得到了宽泛的利用
。

2.1 增材造作技术利用优势

2.1.1 设计自由度高，实现轻量化结组织作

增材造作技术可能成形传统造作步骤无法加工或难以加工的拥有极度规结构特点的零件，使得设计能够突破传统造作的限度和约束，获得更大的自由度[3]
。设计师能够从职能需要的角度启程设计零件，选取仿生结构设计、胞元结构设计以及拓扑优化结构设计等创新设计步骤对零件进行优化[4] ，使零件的应力出现出更合理化的散布，通过增材造作工艺实现复杂轻量化结组织作
。航空零件轻量化可能削减飞行器燃料亏损，提升续航能力和机动性，提高经济效益和环保效益
。

2.1.2 造作周期短，资料利用率高

增材造作技术能够直接实现从零件数字模型到复杂结构件的近净成形，无需铸锭冶金、锻坯造备和铸造模具造作，可缩短航空零件造作流程和周期，与传统减材造作相比加工量大大削减，提高了资料利用率
。

2.1.3 非平衡凝固组织，可实现优良综合力学机能

增材造作以金属粉末或丝材为原料，通过高能热源原位冶金溶解和急剧凝固逐层堆积，能够得到晶粒藐幼、成吩旖均、组织致密的急剧凝固非平衡组织，拥有优良的综合力学机能[5] ，与航空零件高机能要求相匹配
。

2.1.4 结构职能一体化成形，提高靠得住性

基于航空高机能、高靠得住性要求，越来越多的零件选取整体结构
。设计师能够沉新设计零件，充分阐扬增材造作优势实现结构职能一体化成形[6] ，同时削减紧固件装置、装配及焊接等工序，提高靠得住性、缩短出产周期
。

2.1.5 实现零件急剧研造，加快设计迭代

新研机型在初始设计阶段必要进行多轮优化迭代，选取传统铸造与机械加工的造作方式，造作周期长且必要破费高昂的模具用度
。增材造作技术无需投产工装模具，可能实现零件的急剧响应造作，能够满足航空零件急剧研造的需要，加快设计迭代过程[7]
。

2.1.6 维建守护及航材增援

航空高附加值零件在加工时可能因铣刀掉刀等原因造成加工缺点，在服役过程中也会受到磨损和侵蚀等危险
。随着航空零件不休向大型化整体化发展，如零件在加工和服役过程中受到危险导致零件报废，更换受损零件将投入大量成本
。

选取增材造作技术结合逆向建Ｄ芄欢允芩鹆慵进行建复，急剧复原其尺寸与机能；增材造作技术也能够急剧出产航材备件，不只能够削减运输周转功夫急剧复原运行，还可能有效降低备件的存量，从而节俭仓储成本[8-9]
。

2.2 航空增材造作技术利用实际

增材造作技术因拥有造作周期短、资料利用率高、可成形复杂轻量化一体化结构蹬着势，在国内表航空航天领域得到了迅速发展
。增材造作技术在军用飞机领域已获得多个型号的装机利用
。2000年，美国AeroMet公司选取激光定向能量沉积技术造作迪胙合金零件在F-22和F/A-l8E/F飞机上获得利用
。2001年以来，美国Sciaky公司结合Lockheed Martin和Boeing公司发展了大型航空钛合金零件的电子束熔丝沉积（ Electron Beam Freeform Fabrication ，EBF3 ）钻研
。2013年，美国Sciaky公司选取EBF 3技术以及与锻件结合的组合造作技术为LockheedMartin公司造作了垂尾、襟翼副梁等零件，如图1所示，成本降低30%以上，F-35飞机装配Sciaky出产的EBF3 钛合金零件并试飞成功
。北京航空航天大学王华明团队突破了飞机钛合金大型主承力构件激光溶解沉积增材造作的关键工艺技术，如图2所示，实现了大型复杂飞机钛合金加强框及超高强度冈祓落架等主承力关键构件的装机利用[10]
。中航工业北京航空造作工程钻研所对EBF 3 技术进行了深刻钻研，并于2012年将选取EBF3 技术造作迪胙合金结构件实现装机利用，如图3所示[11]
。

图1 Sciaky造作EBF 3 钛合金零件

图2 北京航空航天大学增材造作大型关键主承力构件

图3 北京航空造作工程钻研所造作典型结构钛合金零件

由于民用飞机适航鉴定的严格要求，增材造作在民机领域上利用相较于军机领域面对更大的挑战
。目前，增材造作技术在民机领域重要利用在发起机和机体结构中
。

2015年，GE公司选取激光选区溶解技术造作高压压气机T25温度传感器表壳并通过适航鉴定，成为首个通过FAA认证的增材造作发起机零件[12] ，利用于GE90-40B发起机
。2016年，GE公司出产了航空发起机燃油喷嘴并通过FAA认证，利用于Leap X航空发起机，将原来20余个零件一体化成形，使发起机喷油嘴的设计造作理想发展刷新，极大缩短零件出产周期，出产成本降低了50%，同时耐用性提高5倍
。GE公司造作了发起机电动开门系统（PDOS）支架，与传统减材造作步骤相比，资料利用率提高90%，零件减沉10%，该零件于2018年通过FAA认证，利用在GEnx-2B发起机[13]
。

图4 GE公司增材造作零件a)T25温度传感器；b)燃油喷嘴；c)PDOS支架

2013年，空客与Stratasys合作开发了聚合物增材造作零件，在每架A350 XWB中使用超过500件，蕴含机载系统的导管、线箍、封罩等多种结构
。2015年，Airbus公司通过激光选区溶解技术实现了用于A320客舱和厨房之距离板零件的仿生设计与造作，如图5所示，使用的资料是APWORKS开发的Scalmalloy新型高强铝合金资料，零件减沉45%[14-15]
。2017年，空客A350XWB装置了激光选区溶解技术造作的Ti6Al4V钛合金拓扑优化飞机衔接架，如图6所示，相迸宗传统加工方式减沉约30%，这是钛合金增材造作在民机型毫髋哨一次实现装机利用
。2022年，PremiumAerotec公司通过激光选区溶解技术为空客A320飞机造作了钛合金造动管，与传统工艺相比零件减沉50%以上
。2022年，汉莎航空技术公司与Premium Aerotec公司合作实现用于IAE-V2500发起机防结冰系统的“A-Link”钛合金激光选区溶解增材造作零件，并获得欧洲航空安全局(EASA)认证，这是增材造作承沉备件初次获得EASA认证，如图7所示
。“A-Link”零件在发起机的进气口罩内衔接形成环形热空气管路，预防在飞行过程中结冰，运行过程中产生的振动会导致组件在其装置孔处磨损，凭据必要进行更换
。

图5 空客A320飞机仿朝气舱隔板

图6 空客A350 XWB钛合金衔接架

图7 “A-Link”钛合金零件

2017年，波音通过Norsk Titanium的急剧等离子定向能量沉积(Rapid Plasma Deposition，RPD)技术造作了钛合金结构件厨房支架获得FAA的适航认证，利用于波音787飞机，如图8所示
。

图8 波音787飞机厨房支架零件

国内，中国商飞公司不休推动增材造作打印技术在民用飞机型毫髋赡利用[16] ，目前已初步索求出民机增材造作适航认证思路，并结合上海适航鉴定中心、飞而康等单元实现了钛合金激光选区溶解零件在民机上的装机利用[17]
。

3 3 增材造作在民机利用的挑战

3.1 资料和工艺的挑战

在资料和工艺方面，金属增材造作依然存在一些挑战必要解决
。

3.1.1 资料的选择有限

在金属增材造作发展初期，重要是选取现有的铸造合金、变形合金和粉末冶金中的传统合金资料，钻研这些合金对增材造作工艺的适应性[18-19]
。然而，这些合金和增材造作工艺的合用性并非最佳，因而近年来发展增材造作专用合金的钻研成为增材造作金属资料发展的热点[20-21]
。

3.1.2 造作效能低

相对于传统的造作工艺，金属增材造作的速度相对较慢，尤其是在造作大型零件时更为凸显
。这不仅会影响出产效能，也会限度金属增材造作在批量出产中的利用[22]
。

3.1.3 零件的机能不不变

影响金属增材造作零件机能的成分重要蕴含以下四个方面：残存应力；表表质量；内部缺点；微观组织
。例如资料不均匀性和各向异性显著，导致试片级资料机能无法代表零件机能;沿特定平面的亚表表和体积缺点;零件拥有显著的表表粗糙度;残存应力大，空间散布复杂，会导致零件变形；资料机能和缺点数量的分散性较大等
。上述几点受到工艺参数的影响较大，并会在分歧尺度上影响着零件机能，如图9所示
。

图9 金属增材造作资料和工艺的挑战

3.2 质量节造的挑战

增材造作在民机上利用首吓爪获得致密无缺点的零部件，保障产品质量的一致性
。但是，原资料、打印设备和工艺参数等成分不不变，肯定水平上会导致增材造作零件产品质量和力学机能的分散性[5]
。相比铸件、锻件，增材造作零件往往拥有状态复杂、缺点特殊、成状态表表粗糙、材质不均匀和各向异性显著等特点，这使得增材造作零件的质量节造面对挑战[23，24]
。

3.2.1 增材造作缺点大局特殊多样

由于增材造作成形过程中涉及能量源与原资料之间复杂的交互作用和熔池金属冶金行为，成形后造件中存在的冶金缺点、翘曲变形等产品质量问题会降低零部件的使用机能[5，23]
。分歧于传统铸件、锻件的缺点大局，金属增材造件中存在的冶金缺点拥有全域散布、状态多样、尺寸跨度大和形成机造复杂等特点[25]
。例如，卷入性或析出性孔隙、熔覆层间的未熔合、同化物、微裂纹以及残留的金属粉末颗粒等
。如图10所示，有些与工艺有关的固出缺点，如激光选区溶解造件往往存在广布的微幼孔隙[26] ；有些缺点拥有显著的取向性和层状散布特点，如沿着熔覆层或熔覆路散布的链状孔隙或层状未熔合[27]
。

图10. 金属增材造作典型缺点 [26-27]

3.2.2 增材造作零件无损检测面对挑战

选取无损检测步骤对增材造作零件质量个性观察、丈量和试验，评估其是否切合划定的验收尺度，是进行质量节造的关键环节
。然而，经创新设计的增材造作零件往往结构状态较复杂且一体化造作实现，通例的渗入、射线和超声等检测步骤在可达性、可检性及缺点评定正确性上面对挑战
。美国GE公司[28] 为解决复杂结构增材造件的内部几何特点和缺点可视化难题，利用工业CT对燃油喷嘴、叶片和支架等增材造作零件及粉末原资料进行检测
。Dutton等[29] 为解决复杂结构增材造件缺点检测可达性较差问题，验证了过程赔偿

共振检测等步骤进行增材造作零件整体质量检测的可行性
。杨平华等[30] 钻研了钛合金增材造件分歧成形方向的超声波声速、衰减及检测活络度对缺点评定正确性的不利影响
。周炳如等[31] 钻研了15mm厚度钛合金增材造作缺点的射线检测，验证批注射线能检出直径0.4mm孔洞缺点但是较难获取缺点高度方向尺寸，对藐幼缺点的检出和相邻缺点的分辨较难题
。李文涛等[32] 分析了线阵或矩阵超声换能器对大厚度钛合金增材造件在检测精度和最大检测深度常难以满足要求，环阵超声全聚焦成像能更正确地表征分歧深度缺点，但是该步骤在检测薄壁构件和近表表缺点时仍需优化
。

通常，渗入法合用于非多孔性增材造件的表表缺点检测，但要思考成状态造件表表粗糙杜装响；射线法和超声法合用于增材造件内部缺点检测，但要思考受检工件几何复杂性及材质影响；工业CT步骤合用于复杂结构增材造件的内部几何丈量和缺点检测，但成本较高且效能较低
。此表，增材造作零件质量检测尺度缺失，出格是质量验收准则、质量分级检验指标不美满[33] ，也是掣肘增材造作在民机利用的沉要挑战之一
。

3.2.3 增材造作打印过程监测不成熟

选取光学成像、热成像及声学等步骤对熔池状态、缺点产生和资料组织变动实时监测[34] ，有助于实时发现异常以及调控工艺参数，提高增材造作零件成形质量
。近年来，列国粹者均在不休发展打印过程在线监测技术
。Zenzinger等[35] 选取光学层析成像在线监测增材造作成形过程，可鉴别尺寸0.2mm孔隙缺点，能清澈显示未熔合缺点的地位和尺寸
。Everton等[36] 选取高速光学相机和红表热像仪在线检测成形过程，以实现对熔池状态的资料不陆续性监测
。白雪等[37] 钻研了激光超声多冶金特点同步在线检测步骤，可实现0.5mm孔洞及裂纹缺点可视化成像
。曹龙超等[34]会商了光、声、热和振动信号多种传感伎俩监测激光选区溶解成形过程，成立监测信号-缺点特点-工艺参数的定量关系
。通常，光学成像用于鉴别熔覆层成形表表异；蚍勰┢陶谷钡，但较难鉴别熔覆层下方的冶金缺点；热成像用于监测熔池温度、状态和尺寸等，预测和鉴别潜在缺点特点；声学步骤依附声波的传布并监测可能产生的变动来预测缺点存在
；诘ヒ淮性谙呒嗖饨夏鸦竦么蛴」痰娜嫘畔，通过多源传感对分歧指标参量的监测及信息融合能添补单一传感信息量不及的问题，但现有增材造作打印过程监测技术在可检缺点类型、检测精度和效能、实时性等方面离现实利用仍有较大差距
。

针对增材造作零件质量节造，渗入、超声、射线及工业CT等无损检测步骤可用于对成形后造件的缺点检测与评价，以甄别并剔除不合格品；光学成像、热成像及声学等在线监测步骤可用于打印过程中实时发现缺点或异常，以反馈调控来提升零部件成形质量
。结合民机结构件几何构型、资料与成形工艺特点，先期发展增材造作成形工艺仿真，打印过程中进行在线监测，并与成形后零部件无损检测相互验证，是进行增材造作零件产品质量节造的有效蹊径
。

3.3 民机增材利用适航要求

适航性（Airworthiness）是用来描述民用航空器“适于（在空中）飞杏妆品质属性的专用词
。民用航空器的适航性指航空器（蕴含其部件和子系统的整体机能和把持个性）在预期的服役使用环境中和使用限度下，飞行的安全性和物理齐全性的一衷旆质
。适航性是确保公家利利益的必要，也是航空工业发展的必要
。适航尺度是保障民用航空器适航性的最低安全尺度
。民用飞机的设计造作必须切合有关型号所选取的适航尺度（适航鉴定基
。┲械拿恳惶蹩畋暌
。通过适航审查并获得适航当局宣告的型号合格证，是许可民用飞机设计用于出产的前提之一
。

在国内，大型民机的研造需符相宜航尺度CCAR 25部[38] 的要求，对于增材造作这类新资料新工艺的利用，中国民航局鉴定机构（以下简称“局方”）沉点关注如下三个条款：

（1）“资料”—CCAR 25.603条款：已经造订了针对增材造作技术的专用资料规范
。这些规范是成立在经验和测试的基础上
。资料的合用性和耐久性应已充分思考服役中预期的环境前提；

（2）“造作步骤”—CCAR 25.605条款：所用的造作工艺凭据核准的工艺规范进行鉴定
。通过鉴定测试测试法式和这些规范中界说的查抄法式，确保所有出产零部件过程节造的一致性；

（3）“资料设计值”—CCAR 25.613条款：资料的强度机能必须以足够的资料试验为凭据（资料应切合经核准的资料规范的要求），在试验统计的基础上造订设计值
Ｋ伎嫉绞菔谴臃制缟璞浮⒎勰┖妥柿戏较蚧竦，设计值必要凭据试验数据的统计处置得出
。经核准的资料设计值可用于增材造作零部件静力、委顿和危险容限的评估
。同时还必要与选取传统工艺的一样资料的数据进行比力
。

除上述三个基础条款，凭据零件的利用地位和特点，还需对零件进行相应的检测、结构/职能验证
。飞机零件适航认证的要求与零件的关键（沉要）程杜仔关，零件的关键水平可基于零件失效后果的级别确定
。零件失效后果级别分为：

（1）轻度：其失效不会显著降低飞机安全，或影响机组人员的工作
。轻微的故障情况可能蕴含飞机安全裕度或职能的轻微降低、机组工作量的轻微增长、通例飞行打算的扭转或对乘客的一些不变等
。重要涉及内饰件；

（2）严沉：其失效可能对安全产生不利影响
。例如飞机安全裕度或职能显著降低，机组人员工作量显著增长同时效能降低，或乘客感应不适
。在更严沉的情况下，会导致机组人员无法正确执行飞行工作，或对乘客造成不利影响
。重要涉及职能件和次承力结构件；

（3）苦难性：一旦失效就无法持续安全飞行和着陆
。重要为飞机主承力结构件，蕴含所有易受委顿裂纹影响的结构
。

将全新的资料和工艺利用于民机，对于适航鉴定而言，必将是一个漫长而审慎的过程
。增材造作技术在民机领域利用的早期，飞机和发起机主造作商都采取了极度审慎的态度，优先选择关键水平低和设计余量较大的零部件，例如装璜件和职能件
。这样能够显著降低增材造作技术最初利用是产生故障、影响飞机安全性的可能性
。随着增材造作技术不休发展和成熟，削减零件数量、削减零部件沉量、节约造作周期蹬着势逐步显露，主造作商会逐步提高增材造作零件的额复杂水平和关键性
。

3.4 经济性要求的挑战

民用飞机的经济性要求是驱动增材造作技术利用的沉要原因之一
。航空造作领域选取增材造作技术，重要是为了降低飞机零部件的研造出产成本和提升运营效益
。飞机的轻量化要求也是推动增材造作利用的驱动力之一，这是由于机体结构的减沉蹬宗商载的增长和运营效益的增长
。此表，增材造作还可用于零部件急剧建复及急剧航材增援，以耽搁航空设备的使用寿命、降低备件库存成本，进而带来肯定的经济效益
。

发展增材造作零件的成本梳理及身分分析，能够从设备、资料、工时、能耗、劳动力与治理成本等方面思考
。例如，激光选区溶解金属构件总体积相迸宗成形室的尺寸肯定水平决定了单个零件的成形功夫和造作成本
。在研造阶段，利用增材造作合用于幼批量、多种类、复杂零件急剧造作的优势，相迸宗铸造和铸造步骤增材造作可降低模具的成本，同时为缩短造作周期和精益出产提供有效蹊径
。在出产阶段，基于批产前提下的典型零件，分析资料成本、设备和人为成本、后处置成本等身分，对比分析选取增材造作与传统工艺的成本差距，可得出相应的造作成本核算凭据
。同时，设备不变性也是成本分析应试虑的沉要成分，这是由于打印操作、工艺参数、零件摆放等原因导致成形失败会造成大量的成本和功夫浪费
。现阶段，从单个零件的增材造作成正本看，相迸宗传统铸造、铸造仍有差距，若何从降低资料成本、缩短出产周期、减轻结构沉量及全性命周期提升运营效益等方面思考增材造作在民机利用的经济性也是沉要挑战之一
。

3.5 民机维建利用的挑战

航空零部件往往拥有高附加值，误加工零件和服役失效零件若是直接报废将带来巨大的经济损失，增材造作技术可对受损零件进行表观及机能的复原，在民机维建领域拥有辽阔的利用远景
。目前，在航空领域利用最宽泛的增材造作建复技术是激光溶解沉积建复，已通过该技术实此刻框梁结构、接头、起落架，以及发起机叶片、叶盘等建复利用
。北京航空资料钻研院选取激光溶解沉积建复技术对飞机的超高强度冈祓落架、不锈钢轴颈、钛合金襟翼滑轨等承力构件发展建复钻研工作，其中伊尔76飞机建复超高强度冈祓落架已经获得批量利用
。

增材维建过程与增材造作过程相比更为复杂，维建过程蕴含：对受损零件进行逆向建模、造订个性化建复规划，利用增材技术对受损区域进行建复，以及加工去除余料复原表观尺寸
。增材建复还必要思考对建复零件基体的热危险、建复区与基体界面结合、扰装响区等问题
。因而，增材建复技术利用于民机领域拥有辽阔远景的同时还面对一些挑战
。

3.5.1 残存应力节造

激光增材维建过程是循环加热冷却的过程，会造成零件基体内部残存应力散布产生变动，从而可能影响零件的静力、委顿、侵蚀等机能
。同时，零件也可能因残存应力而导致变形，难以保障维建的精度，从而影响零件的表观尺寸
。

3.5.2 建复资料集约化

由于受损零件的资料情况复杂，因而必要筹备的建复资料种类重大，由此带来肯定的仓储问题或订货运输周期问题
。因而，开发可同时满足分歧待建复零件的集约化新资料，将大幅降低维建成本，缩短维建周期
。

3.5.3 机能评价尺度成立

目前，合用于增材建复的民机利用场景越来越多，但尺度系统不美满将故障增材建复技术的工程化利用
。并且，对于民机增材维建零件的机能评价通常必要选取“积木式”步骤，验证周期长、成本高，这与增材维建周期短的优势相矛盾，因而必要针对增材维建技术成立相应的航空维建设备评价尺度
。

4、 民机增材造作技术利用机缘

4.1 发展规划及政策

为了抢占增材造作技术的战术先机，推动其产业化利用过程，增材造作在多个国度被列为国度级沉大战术，并造订了相应的发展规划和支持政策
。

2009年以来，美国先后造订了《沉振美国造作业框架》《先进造作国度战术打算》《增材造作在国防部的使用》等一系列国度战术，将增材造作技术列为美国造作业支柱技术之一，并在2012年缔造了美国国度增材造作创新钻研所
。欧盟也将增材造作技术作为未来造作业革命的沉要部门[39]
。欧盟于2015年投入2.25亿欧元发展增材造作专项钻研，并颁布了增材造作尺度化路线图
。德国于2008年成立了增材造作钻研中心，在缔造“工业4.0平台”时明确暗示“将大力研发、创新激光增材造作等新兴先进技术”，并在《国度工业战术2030》中将增材造作技术列为多个领域的主题技术
。英国自2011年以来持续增长增材造作技术的研发经费投入，并在《未来高附加值造作技术瞻望》中将增材造作列为提高国度竞争力和造作业定位的重要技术之一[40]
。此表，英国、日本、韩国、新加坡等国也造订了相应的政策积极发展增材造作技术钻研，并投入大量资金推动其产业化利用过程
。

为实现造作业“表路超车”，推动增材造作产业利用，我国自2012年以来，相继推出了针对增材造作的支持政策
。《国度中持久科学和技术发展规划纲领(2006-2020)》《中国造作2025》《国度增材造作产业发展推动打算（2015-2016年）》《增材造作产业发展行动打算(2017-2020)》《增材造作尺度领航行动打算（2020-2022年）》等一系列政策的颁布和执行[39] ，有力推动了增材造作在国内的急剧发展
。

4.2 产业规模发展

增材造作产业链不休美满，市场规模持续扩大，《Wohlers Report 2023》颁布的数据如图11所示[41] ，2008-2022年全球增材造作产品和服务总营收逐年增长，其中2022年全球增材造作总营收增长18.3%
。中国增材造作产业在国度政策支持下飞速发展，最近年营收增长率均高于全球水平，其中2019-2022年中国增材造作总营收别离29%、31%、27%、21%[42]
。

图11 2008-2022年全球增材造作产品和服务年营收 [41]

我国增材造作宽泛利用于航空航天领域，对于原资料的机能指标要求较高，出产工艺区别于传统原资料
。目前，我国增材造作专用资料机能及出产规模已根基满足国内需要，中航迈特、飞而康、江苏威拉里等供给商已具备出产高品质钛合金粉末、高温合金粉末、高强铝合金粉末等原资料的能力
。

我国工业级增材造作设备出现出大型化和高效能的发展趋向，华曙高科、铂力特、易加三维等设备造作商均已推出了超大幅面米级设备，在高功率、多激光的作用下，可实现大尺寸零件的高效造作
。

我国产业系统不休发展美满，2022年工信部发展增材造作产业化利用示范场景征集，旨在研发利用越发适配行业需要、越发先进合用的增材造作专用资料、设备和利用技术解决规划，遴选并颁布了36项增材造作典型利用场景
。截至2022年，我国增材造作产业链有关企业已达1000余家，其中不乏龙头企业在产能规模和市场利用方面展示出急剧发展
。2019年，西安铂力特成功在科创板上市，成为首家登陆科创板的增材造作设备研造公司；作为将冷喷涂增材造作技术产业化使用在航空器维建领域的湖北超卓航空科技股份有限公司，于2022年在科创板上市，并于2023年成为我国首家获批使用冷喷涂技术的航空部附件维建单元；2022年，工业级增材造作设备头部企业湖南华曙高科技股份有限公司正式在上海证券买卖所科创板挂牌上市；2023年3月，国内工业级光固化3D打印厂商上海联泰科技已实现IPO上市领导登记
。

4.3 民机利用需要

增材造作技术能够有效地提高设计和造作自由度，为民用飞机结构轻量化提供了有效的蹊径
。飞机减沉对提高经济性、提升飞机整体机能、削减碳排放传染等意思沉大，节造好飞机沉量、进行有效的减沉工作是维持民机竞争性的必要前提之一
。经济性是民用飞机满足市场竞争要求和实现产品成功贸易化的沉要指标，飞机沉量直接影响运营成本，轻量化所带来的燃油成本降低不容幼觑
。飞机沉量也是衡量飞机设计先进性的沉要指标之一，减沉有助于提升飞机的整体机能，如飞行速度、载沉量、推沉比和升力等
。飞机减沉与绿色航空理想相符合，全球气象变暖以及环境传染的加剧，使得削减航空碳排纵火烧眉毛
。国际民航组织打算到2050年商用飞机的碳排放削减一半
。为了实现这一指标，一方面要使用清洁能源，另一方面也要通过轻量化设计等步骤来提高燃油效能
。

5、 民机增材造作技术发展趋向

5.1 适航认证

随着增材造作在航空领域利用优势与潜力的展示，若何对增材造作这一新兴造作技术发展适航审查与认证工作早就受到了美国、欧洲等国度/地域的民用飞机适航鉴定机构的关注，并已发展大量针对适航切合性验证步骤的索求性钻研工作
。

FAA以为，增材造作并不是第一种对FAA认证流程提出挑战的新资料新工艺
。半个世纪前，复合伙料的引入就曾带来过类似的挑战
。2015年6月，FAA颁布了AIR 100-15-130-GM39《增材造作认知》备忘录[43] ，提出由设计、造作和适航部门（ AIR-100 ） 组 建 了 增 材 造 造 国 家 团 队（AMNT），网络增材造作民机利用的信息，为即将发展的增材造作认证网络技术资源
。2016年7月，FAA颁布了AIR100-16-130-GM18《粉末床熔融增材造作零件的工程思考》备忘录[44]
。这份备忘录没有为增材造作零件提供具体领导，而是从产品设计、原资料、成形过程、后处置、检测步骤、工艺验证、资料设计值获取以及其他方面，对零件造作者提出了必须思考的一些技术问题
。

2016年9月，FAA颁布了AIR 100-16-110-GM26《增材造作设施和过程的评估》备忘录[45] ，旨在援手航空安全审查员（ASI）对增材造作设施及过程进行评估，蕴含人员培训、场地设施、技法术据、原资料处置、设备、软件节造、造作过程有效性、造作过程监控、检测、冶金过程等方面，实现对增材造作过程不变性的评价
。

2018年，FAA颁布了征询公告AC 33.15-4《粉末床熔融增材造作成形涡轮发起机零件及建复指南》[46] 的征求定见稿
。在这份征询公告中，FAA初次针对增材造作零件（固然仅限于涡轮发起机零件）的适航取证，建议选取类似于复合伙料的积木式验证步骤，如图12所示，通过试样级、细节件级、构件级等多层级积木式验证来保障产品安全性
。

图12 AC 33.15-4推荐的增材造作零件“积木式”试验验证系统

2017年4月欧洲航空安全局（EASA）颁布了CM-S-008《增材造作认证备忘录》[47] ，论述了增材造作技术的引入对民用飞机的适航鉴定过程的参加者和取证战术带来的影响
。2022年EASA核准了第一个在飞机上使用增材造作的承力金属部件A-Link（A形衔接件），这也意味着未来EASA等机构可能将允许增材造作技术利用于更多的民机沉要承力结构
。

中国民航局（CAAC）民用航空适航鉴定中心于2021年颁布了鉴定技术领导资料《增材造作结构鉴定的技术注明（征求定见稿）》，建议选取类似于复合伙料的积木式验证步骤，通过试样级、细节件级、构件级等多层级积木式验证来保障设计值的正确性
。

2022年中CAAC下属上海适航鉴定中心实现对中国商飞公司国产大飞机C919舱门增材造作钛合金件的审查，核准钛合金增材造作零件装置在C919飞机的舱门机构中
。这是我国初次核准增材造作金属件在民用飞机的装机利用，选取了拥有创新特色的“单件适航”战术，削减了试验量、缩短了取证周期，初步构建了民机静强度驱动增材造作结构适航取证系统，解决了持久困扰增材造作结构装机利用的适航取证关键主题问题
。

5.2 一体化设计造作

增材造作大大解放了造作工艺对飞机结构大局的约束，为结构创新设计提供了机缘和技术基础
。对飞机结构可基于先进造作“量身定做”，通过设计与造作高度融合机关出的全新结构大局，其中蕴含大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和结构职能一体化等
；谠霾脑熳鞯拇葱陆峁褂涤懈呒醭痢⒊っ⒍嘀澳堋⒌统杀尽⒓本缦煊ρ性斓认灾攀，有望突破传统结构的设计“天花板”[48]
。选取与GE公司Leap发起机燃油喷嘴一体成形类似的道理，近期针对飞机结构大部件的一体化设计逐步成为备受关注的钻研方向
。飞机机体零部件的大型整体化设计，是指针对机体结构中的沉要衔接，发展一体化设计优化，弱化应力集中，使非承载的参加区最幼化、解除接头衔接，从而构建整体大部件，实现削减零件数量、减轻结构沉量、均耘爪力散布等成效
。

在某新型战机中，2020年王向明团队成立了带造作属性和寿命属性的多约束协同设计步骤，并基于该步骤设计了无接头衔接的铝合金加强框—翼梁整体件，如图13所示，实现了零件削减50%、减沉38%、翼根高度降低1/4、造作效能提高10倍以上[48-49]
。同时 [48] 针对整体结构裂纹扩大抑造难点，提出了钛合金层合结构设计步骤，发现裂纹扩大“平台特点”，发现钛合金层合梁肋长命命结构，通过自动调控，可耽搁裂纹扩大寿命三倍以上
。

图13 某型战机机翼/机身整体大部件[48]

针对直升机中等旋翼飞行器，温学团队指出增材造作技术能够实现结构的一体化成形，从而大幅削减直升机零部件数量，进而有效降低结构在接头部位失效的风险，同时也削减了设计人员和零件加工造作人员的工作量，缩短直升机交付周期[50]
。在航天领域，王婧超团队 [51] 针对去衔接件的航天运载器上面级舱体结构整体成形需要，基于现有SLM设备实现缩比产品的一体化设计造作，验证了基于增材造作技术实现运载火箭典型主体结构无衔接件设计的可行性
。

对于飞机结构整体优化设计，人们等待进一步推广至整个机身结构、机翼结构甚至整机
。俄罗斯的苏霍伊设计局给出了对战机整机机身结构都选取拓扑优化构型，如图14所示，空客公司也提出了未来客机的概想规划，并等待到2050年左右通过增材造作技术打印整架飞机
。

结构一体化设计是阐扬增材造作工艺优势的最佳设计大局，但仍需在结构整体建模问题、多职能与多学科机能的综合优化设计问题、跨尺度结构构型的机能表征和优化设计问题、增材造作工艺约束问题等方面进一步发展深刻钻研[52]
。

图14 战机整机拓扑优化设计概想图

图15 空客未来客舱概想图

5.3 数字化智能化

经过约二十多年钻研和开发，在多多商用合金中只有极少数能打印出无缺点且结构合理的部件，所有增材造作产品的市场价值在造作业经济中所占比例微乎其微
。造成这一难题的原因是增材造作零部件的结构和机能存在显著差距，并且容易出现缺点[53-54]
。目前，结构和机能的优化以及缺点的削减是通过对分歧打印技术的工艺变量矩阵进行试验和试错测试来实现的
。然而，由于原资料和打印设备的价值昂贵，因而在对增材造作零件进行合格鉴按时，试错法的成本很高[55]
。

为相识决这些难题，我们必要用一种先进的工具来取代试错法
。随着智能技术逐步取代传统流程，智能系统通过传感器衔接、通讯技术、云推算、仿真和数据驱动建模在出产集成造作中变得越来越凸起[56]
。数字孪生是是以数字化方式为物理对象创建的虚构模型，来仿照其在现实环境中的行为，很多行业和当局机构已成功构建并用于分歧的造作流程
。例如，通用电气公司目前占有超过55万个在运行的真实物理系统的数字孪生系统，从喷气发起机到动力涡轮机[57]
。此表，美国国度航空航天局（NASA）和美国空军也在钻研若何使用数字孪生来提高车辆设计的靠得住性和安全性[58]
；谠霾脑熳鞯氖致仙苫的Ｐ汀⒋泻徒谠炷Ｐ汀⑼臣颇Ｐ汀⒋笫莺突到ㄗ槌，如图16所示[59]
。钻研批注，通过创建数字孪生系统，在打印的物理世界和虚构世界之间架起一座桥梁，能够削减试验和谬误测试的次数，削减缺点，缩短设计和出产之间的功夫，并使更多金属产品的打印拥有成本效益[60-63]
。只管数字孪生驱动的增材造作仍处于起步阶段，但它已经显示出巨大的潜力，其自主能力源于数字孪生中嵌入的人为智能，能够扭转增材行业[64]
。

图16 3D打印的数字孪生系统示意图 [59]

5.4 新资料新工艺

5.4.1 更合用于增材造作的高强合金开发

随着航空工业的不休发展，对于航空器资料的要求也越来越高
。增材造作作为一种新兴的造作技术，为航空领域提供了很多创新的解决规划
。在增材造作资料方面，高强度金属资料的发展成为了一个沉要的趋向
。

基于民机的利用特点，航空零部件必须由高机能资料造成，并且在运营过程中必要靠得住和耐久性以确？山邮艿陌踩
。钛合金因其优良的耐侵蚀性，低密度和高强度等机械机能宽泛用于航空航天[65]
。随着未来飞机型号发展，需开发出强度和韧性更高迪胙合金以满足轻量化需要[66]
。铝合金一向是飞机结构部件的重要资料 [67] ，但可用的铝合金资料有限，且大无数传统铝合金不适于增材造作工艺
。为此学术界和工业界都发展了大量的钻研，例如使用传统高强度铝合金的金属粉末确定增材造作的相宜加工窗口，对粉末进行预合金化，以及开发先进的铝基复合伙料，并通过原位或非原位步骤引入加强相称[68]
。现有的金属增材造作重要用于造作单一资料的零件，随着金属增材造作技术的进一步发展，需加强资料钻研和开发，提高资料机能的不变性和靠得住性，拓展金属增材造作的资料选择领域，并针对增材造作特点设计新型资料
。在新资料设计时，不仅要思考合金的可加工与拉伸机能，更应凭据具体服役要求，针对性地发展特定机能的合金成分设计[69]
。

5.4.2 职能分级金属资料

随着贸易利用的不休增长，对在单个零件中多种分歧资料进行增材造作的需要也在增长
。多资料增材造作（MMAM）是一个新兴领域
。与通常的增材造作步骤相比，MMAM 带来了更高的设计自由度，如将结构与职能相结合，实现可定造的资料物理机能（如部门耐磨性、高导热性、隔热性、耐化学侵蚀性等），甚至为增材造作零件引入 了 新 的 自 由 度[70]
。 功 能 分 级 金 属 材 料（FGMMs）是一种新型异质资料，由结构或成分拥有梯度的多金属成分组成
。与传统的均质资料相比，职能分级金属资料可能以空间可控的方式

集成多种分歧的成分，从而创造出理论上单一资料不成能同时具备的各类先进机能的组合
。因而，在复杂恶劣的工作环境中对 FGMM 的需要量很大，如航空发起机（极端温度和压力）、核电站水反映堆（高压和侵蚀性）和空间站（低压/低温）[71]
。随着多资料粉末供给技术瓶颈的突破，使用增材造作出产多资料零件已成为现实
。

目前，多资料的增材造作仍处于低级阶段，距离实现加工无缺点零件并将其用于现实工业利用的最终指标仍有较大差距，需从资料、工艺和软件等多个方面发展钻研
。若何集成复杂的混合造作系统，成立设计和造作规定，优化造作流程，现场监测和节造造作质量，评估零件的靠得住性、耐久性等都必要进一步钻研
。

5.4.3 复合伙料3D打印

复合伙料的个性使得其拥有轻质高强度的特点，相较于传统金属资料越发轻便
。复合伙料3D打印技术在航空领域的优势重要表此刻轻量化方面
。航空行业对于飞机的沉量节造极度严格，而复合伙料拥有轻质高强度的特点，与传统的金属资料相比更轻薄
。传统造作步骤难以实现复杂的空腔结构和多层结构，而3D打印技术能够通过逐层堆叠的方式，直接将复合伙料打印成复杂的结构，从而最大水平地削减无用资料的使用量，实现飞机的轻量化
。

目前已有多种复合伙料可供3D打印使用，如碳纤维、玻璃纤维等
。未来，预计将出现更多种类的复合伙料，蕴含拥有特殊机能的资料
。这将使得航空器造作商可能凭据分歧需要选择适合的资料，并实现越发智能化的设计和造作
。随着技术的进取，复合伙料3D打印技术将可能实现更幼尺度、更精密结构的部件造作
。这将有助于提高飞机的机能和效能，并推进航空器的创新设计
。

未来的复合伙料3D打印技术发展将必要多学科的融合
。航空工程、资料科学、推算机科学等领域之间的合作将推动该技术更好地利用于民用飞机造作，并推进其更宽泛的发展和利用[72]
。

5.4.4 4D打印技术

4D打印技术是一种相对较新的造作技术，它在3D打印的基础上，通过使器拥有响应性资料或结构的打印件，实此刻表部刺激下产生状态、结构或职能变动的能力
。这种技术能够使打印件在特定前提下自动变形、组装或执行特定职能
。

4D打印的概想自提出以来，引起人们极大的兴致和关注
。随着打印资料、打印步骤的不休拓展与进取，其在航空航天领域拥有优良的利用远景
。未来，4D打印的发展高度依赖3D打印技术、智能科学、新型结构设计及建模等，能力构建精准、不变预测4D零件状态变动，利用于大型、长命命的民用航空利用场景中[73]
。相信4D打印未来会在民用飞机上阐扬不成幼觑的作用
。

5.5 守护维建

通过增材技术对受损零件进行建复实现再造作，切合国度发展循环经济的战术，可为高附加值的航空产业带来巨大的价值
。金属增材维建技术已在军机领域得到宽泛利用，从发起机叶片危险建复逐步发展到飞机框、梁、摇臂、支架等各类零件的危险建复[74]
。借鉴军机领域机体结构侵蚀、磨损、委顿裂纹等建复经验，结合民机维建守护设计要求，思考到飞机安全性和靠得住性，未来民机增材造作维建可从风险性较幼的非关键件着手建复，逐步查核验证，以此为基础有序推动至关键件
。为了进一步推动增材维建技术利用的广度和深度，以满足民机持续适航要求，增材维建技术展示出以下发展趋向
。

5.5.1 航空备件出产

在持续适航过程中，航空零部件的败坏很可能导致整个飞机无法正常服役或运营，目前对于故障零部件的维建通常选取向飞机造作商采购原产零部件的方式，随着飞机型号不休迭代，某些零部件备件的出产产线取缔，一些零件将面对无法出产备件的问题
。通过激光选区溶解技术导入所需零件的三维模型，设置打印参数，即可实现零件造作，不再必要提前储蓄备件，不只能够削减运输周转功夫急剧复原运行，并且可能有效降低备件的库存量
。

另一方面，我国航空工业亟需进一步加快民用航空零部件“国产化”措施
。增材造作技术在支持航空零部件和航材国产化方面，拥有天然优势
。针对供给商唯一或者选择很少且需要量很低的航空零部件，可能面对零件更换价值昂贵、供货周期长的问题
。引入增材造作技术，可实现对铸造、铸造等工艺代替，实现满足原厂件要求的自造件研造，可有效预防航材“受造于人”的情况
。

5.5.2 低温建复技术推广

冷喷涂是一种固相增材造作技术，与基于溶解的增材技术(如热喷涂、激光熔覆、电弧增材等)分歧，是通过颗粒在高速冲击下的严沉塑性形变形成涂层的沉积技术，冷喷涂过程资料温度低于熔点，可减轻粉末颗粒氧化和基体相变、晶粒粗化、热变形等问题，为复杂零件和薄壁零件的建复提供了新的解决规划，同时，冷喷涂还拥有较高的沉积效能[75]
；谝陨霞际跆氐，冷喷涂的利用场景将越发丰硕
。美国陆军钻研尝试室（ARL）2000年起头发展冷喷涂建复技术在航空领域中的利用钻研，2001年创建了冷喷涂研发中心，2008年以来，ARL利用冷喷涂技术成功建复了好多高价值的铝合金及镁合金零部件，例如UH-60 主旋翼变速箱壳体、B-1轰炸机的前系统舱面板脊合金液压管路、AH-64阿帕奇桅杆支架、飞机起落架等
。随着民航领域的急剧发展，民用飞机机关机能高、结构复杂，对配套的机载设备、机体结构维建再造作技术也提出更高要求
。冷喷涂固态增材造作技术在民用飞机造作建复领域的利用潜力很大，可在保障维建质量的前提下，极大提高维建效能，降低维建成本
。

5.5.3 移动式增减材一体化建复设备

增材建复后还必要进行部门加工复原零件表观尺寸及表表质量，为了随时随地实现越发便捷的现场建复，建复设备必要向移动式便携化、增减材一体化方向发展
。

结论

增材造作作为一种具罕见字化、智能化特点的新兴技术，在复杂结构一体化成形、缩短出产周期、提高资料利用率等方面优势显著，有助于民用飞机结构的急剧设计迭代、减沉降本增效、火速航材增援及维建守护利用
。现阶段，增材造作在高机能零部件的成形质量一致性和机能不变性节造、尺度规范系统成立、资料和工艺的鉴定与认证、最终零件适航切合性验证等方面亟待解决的关键问题是造约其在民用飞机工程化利用的沉要挑战
。

国内表在先进造作领域持续的政策和资金支持加快了增材造作产业化利用过程，专用资料供给能力、工艺设备及软件系统机能的逐步提升，产业链条的逐步美满，给民用飞机的增材造作技术利用带来沉要发展机缘
。随着民用航空领域对增材造作资料、工艺和零部件的适航审查与认证索求钻研，增材造作与优化设计的深度融合发展，该技术在飞机结构的大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和结构职能一体化利用等方刻下景辽阔
。

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