中國工程院2015年院士增選工作經過兩輪評審會議，參與制造運-20、C-919等大飛機，殲-15、殲-31等新型戰斗機鈦合金部件，有"中國3D打印帶頭人"稱號的王華明教授當選中國工程院信息與電子工程學部院士。

    王華明院士研制的金屬構件激光熔化沉積增材制造技術自2005年以來已在殲-15、運-20、殲-11B、殲-31和東風XX等3種導彈、遙感24等2種衛星、FWS13等3種航空發動機等重點型號發揮出關鍵作用。

    那么到底什么是3D打印呢？據了解，3D打印基本原理是將零件數字化模型進行空間網格化，通過像素化分解成為一個個空間點陣，然后利用金屬微量熔融或燒結的沉積技術，將零件一層層堆積而成。

    目前激光增材制造在航空航天領域應用廣泛，那么代表性金屬3D打印技術有哪些？優勢如何？

金屬材料增材制造分類及基本原理

1、LMD技術基本原理

    LMD技術作為增材制造技術的一種，是通過快速成型（RapidPrototyping，RP）技術和激光熔覆技術有機結合，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將噴灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術。整個LMD系統包括激光器、激光制冷機組、激光光路系統、激光加工機床、激光熔化沉積腔、送粉系統及工藝監控系統等。

    LMD快速成型技術的基本原理為：首先，利用切片技術將連續的三維CAD數模離散成具有一定層厚及順序的分層切片；第二，提取每一層切片所產生的輪廓并根據切片輪廓設計合理的激光器掃描路徑、激光掃描速度、激光強度等，并轉換成相應的計算機數字控制程序；第三，將激光溶化沉積腔抽真空，并充入一定壓力的惰性保護氣體，防止粉末熔化時被氧化；第四，計算機控制送粉系統向工作臺上的基板噴粉，同時激光器在計算機指令控制下，按照預先設置的掃描程序進行掃描，溶化噴灑出來的粉末，熔覆生成與這一層形狀、尺寸一致的熔覆層；最后，激光陣鏡、同軸送粉噴嘴等整體上移（或工作臺下移）一個切片厚度并重復上述過程，逐層熔覆堆積直到形成CAD模型所設計的形狀，加工出所需的金屬零件。

2、SLM技術基本原理

    SLM技術作為增材制造技術的另外一種實施方式，由粉床選區激光燒結技術（SLS）發展而來，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將鋪灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術。整個SLM設備包括激光器、激光陣鏡、粉末碾輪、粉末儲存室、零件成型室等。

    SLM快速成型技術的基本原理為：首先，利用切片技術將連續的三維CAD數模離散成具有一定層厚及順序的分層切片；第二，提取每一層切片所產生的輪廓并根據切片輪廓設計合理的激光器掃描路徑、激光掃描速度、激光強度等，并轉換成相應的計算機數字控制程序；第三，將激光溶化沉積腔抽真空，并充入一定壓力的惰性保護氣體，防止粉末熔化時被氧化；第四，計算機控制可升降系統上升，粉末碾輪將粉末從粉末儲存室推送到零件成型室工作臺上的基板，同時激光器在計算機指令控制下，按照預先設置的掃描程序進行掃描，溶化鋪灑在基板上的粉末，熔覆生成與這一層形狀、尺寸一致的熔覆層；最后，粉末儲存室上移而零件成型室下移一個切片厚度并重復上述過程，逐層熔覆堆積直到形成CAD模型所設計的零件。

航空制造領域增材制造優勢：

    （1）采用增材制造，可以使飛機重量減輕，這樣或是降低飛機的燃油消耗，或是增加飛機載重量；

    （2）采用增材制造，在早期階段就可能生產出與批量化生產零件結構類似的功能樣件，意味著可以在設計階段早期就識別出設計錯誤，以及對工藝過程進行優化。之前預計開發這種零部件需要約6個月，實際只花費了1個月；

    （3）采用增材制造可實現綠色制造，用銑削等機加方法加工飛機零部件制造會導致95%的原材料浪費，而采用激光熔融工藝，浪費大約只有5%左右。

    （4）采用增材制造，對中小批量零件的制造成本具有積極影響。為實現規模經濟，相比大批量制造，飛機制造中的批量因素更加至關重要。相比傳統制造工藝，增材制造技術不僅消除了工具成本，還具有更高的設計自由度。

    （5）采用增材制造技術還能夠開發諸多涉及安全的零部件，比目前使用的零部件更經久耐用。因為采用增材制造技術的零部件配以合適的熱處理技術后，零部件具有更高剛度、更低韌性。

    （6）在未來，采用增材制造技術使得在不同的地點按需制造備件也成為可能。一旦遇到零部件失效，備件可以在當地直接生產。這種分散化生產網絡可以減少運輸距離和交付時間，另外，飛機中與維護相關的停機時間和檢測時間也可縮短。

    （7）增材制造技術可以生產出及其精細的骨骼、多孔類零部件，使得未來飛機制造中，將增材制造與仿生學結合，實現飛機零部件的仿真學設計制造，進一步提高飛機安全性。

未來發展

    金屬材料增材制造技術以金屬粉末等為原料，以激光束作為刀具，通過激光逐層熔化沉積，實現了零件的"近終成形"。增材制造技術實現了零件的無模具制造，具有材料利用率高、機械加工量小、數控加工時間短、生產成本低、制造周期短、柔性高效等點，給機械加工帶來巨大變革，將傳統的"制造引導設計、制造性優先設計、經驗性設計"的設計加工思路引領到全新的"設計引導制造、功能性優先設計、最優化設計"設計加工領域，給未來的零件設計加工帶來了更寬廣的明天。隨著增材制造技術的不斷發展及技術的不斷突破，研制零件的力學性能、疲勞性能等不斷提高，其在工業領域，特別是航空航天領域必將具有非常廣闊的應用前景。