增材制造为民用航空带来的机遇与挑战

来源：蓟门鸢

增材制造（additive manufacturing，AM）是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。这项由美国科学家CharlesHull于20世纪末提出的制造新技术，作为“决定未来经济的12大颠覆技术”之一，标志着从传统制造迈向智能制造的巨大产业变革，引发了新的技术革命浪潮。经过30多年的发展，增材制造已广泛应用于航空航天、生物医疗、汽车工业和消费电子等领域。与传统减材制造相比，增材制造集先进制造、智能制造、绿色制造等技术于一体，在缩短制造周期、降低制造成本、提高材料利用率等方面均有明显优势，高度契合《中国制造2025》（国发〔2015〕28号）提出的绿色制造理念。工业和信息化部、国家发展和改革委员会、财政部和国家标准化管理委员会等多部委陆续发布《国家增材制造产业发展推进计划》（2015—2016年）、《增材制造产业发展行动计划》（2017—2020年）、《增材制造标准领航行动计划》（2020—2022年）等文件，大力推动增材制造技术创新和产业化应用。

一、增材制造的应用现状

据Wohlers Report2022的统计数据，在增材制造领域北美、欧洲和亚太呈三足鼎立的竞争态势，增材制造设备的装机量分别为34.9%、30.7%和28.4%，3个地区累计占全球装机量的94%，其中美国、中国、日本和德国装机量位列前四。当前，在民用航空领域，增材制造的应用主要集中在全新设计产品的定制、高性能零部件制造、高价值零部件修理等方面。

在全新产品的设计验证阶段，零部件的需求量过低，使用传统制造方法制造原型或模具，成本过高，时间过长，不利于设计阶段的产品快速迭代。增材制造更适用于小批量、个性化、定制化的特点，非常适用于设计阶段的全新设计产品的原型定制。波音、空客、GE将增材制造作为战略性技术之一开展布局，中国商飞在研制C919过程中，也大量开发研制增材制造零部件。

增材制造可生产传统减材制造等无法实现的复杂几何结构件，满足民用航空器对结构高强度、低重量、高安全性的要求，能够在保证性能的前提下大幅减轻部件质量，实现提升航空器性能并节省航空燃油费用的目的。例如GE公司采用选择性激光熔化（selective laser melting, SLM）增材制造技术，将LEAP发动机燃油喷嘴从传统制造的20个零件减少为1个零件，重量减少25%，寿命延长5倍。

在航空高价值零部件修理领域，基于增材制造技术的再制造，可最大限度开发和利用待报废零部件的价值，并减少失效、报废零部件对环境的危害，实现绿色制造。例如美国从事增材制造的公司Optomec与机器人系统公司ACME共同开发出了工业界首个用于维修航空发动机钛合金压气机叶片的自动化工作单元。自2021年开始，Optomec公司连续获得美国空军的合同，基于激光近净成形（laser engineered netshaping，LENS）技术修理喷气发动机部件。

在中国，湖北超卓航空科技股份有限公司的《铝合金、镁合金材质零部件的冷喷涂修复工艺规程》于2023年获得民航中南地区管理局的批准，这是冷喷涂固态增材制造技术在中国民航维修行业的首次应用。

二、增材制造给民用航空带来的机遇与挑战

工信部装备工业发展中心总工程师左世全在“增材制造产业发展（广州）暨2023年增材制造产业年会”上的报告《增材制造十年发展及展望》指出，在2012—2022年间我国增材制造产业规模从10亿元增至320亿元，并有望于2023年超过400亿元，于2027年超过1 000亿元。《“十四五”民用航空发展规划》提出“民用航空加快向高质量发展转型”，要求把握住新一轮科技革命和产业变革的战略契机，强化科技自立自强和创新引领，积极应对资源环境约束。增材制造作为当前最具发展前景的新型制造技术，较好地契合了民用航空高质量发展转型需求。特别是在民用航空器维修领域，对增材再制造零件适航认证的难度相对全新设计制造低，推进增材制造技术在零部件修理或自制方面的应用，不仅可以突破欧美航空强国建立的资金、技术壁垒，有效降低航空运营人的成本，还可以培养起一批航空零部件制造和再制造企业，为未来可能面临的“卡脖子”储备资源。

作为一项全新的技术，增材制造像多年前的复合材料一样，给民用航空管理机构认证带来了新的挑战。如何控制增材制造工艺过程，实现增材制造零件的性能可靠和一致是当前各国民用航空管理机构关注的重点。美国联邦航空局（FAA）自2015年开始赞助增材制造相关研究并举办年度研讨会，欧洲航空安全局（EASA）也在同一时期举办相关会议，并于2018年开始与FAA轮流举办“FAA-EASA行业监管机构年度增材制造活动”，以推动增材制造零部件在民用航空业的使用，促进关键利益相关群体，包括政府机构、标准组织、学术界和民用航空行业机构之间的技术对话和知识共享。为推进增材制造在民用航空领域的应用，建议民航管理机构重点开展以下4个方面的工作。

（1）建立增材制造的标准和评估方法。

标准化是保证增材制造产品质量，推动增材制造技术进步和创新的有效手段。国际标准化组织（ISO）增材制造标准委员会与美国材料与试验协会（ASTM）合作，于2018年至2022年发布了一系列关于增材制造的标准。FAA也与美国汽车工程师学会（SAE）、航空航天工业协会（AIA）、美国材料与试验协会（ASTM）、美国焊接协会（AWS）、增材制造标准化合作组织（AMSC）等机构合作，推动增材制造的标准化，制定适用于民用航空产品的增材制造认证准则。在中国，全国增材制造标准化技术委员会于2016年成立，发布了10余份增材制造标准，涵盖术语和定义、成型工艺、测试方法、质量评价等。针对民用航空产品的认证，FAA为制造机构和维修机构的局方检查员发布了指导材料，并对风险较高的增材制造应用项目根据不同的产品类型进行监控。

（2）建设增材制造零件的审定体系。

增材制造零件和传统锻造或铸造零件在成形工艺、显微组织、力学性能、缺陷类型等方面均有差异，增材制造零部件是否能够安全可靠地在民用航空中使用，需要通过一个完整的审定流程。美国AIA在FAA的要求下，发布了《增材制造部件认证推荐指南》，对材料、工艺、零件、系统认证以及当前工业界的最佳经验进行了总结。FAA也于2016年发布了《关于在飞机、发动机、螺旋桨和电子设备维修和改装中使用增材制造的通知》，介绍了相关使用情况。EASA发布了关于增材制造的认证备忘录，对在EASA认证的民用航空产品（包含飞机、旋翼机和动力装置）和零部件上使用增材制造技术提供补充指导。与传统制造工艺相比，增材制造缺乏普遍的行业数据和制造经验支撑，各国民航管理机构当前仍然采用边认证边改进的方法。

（3）建立适用于风险识别和制造过程控制的先进无损检测方法。

增材制造的零件一般具有高度复杂的几何形状（包括隐藏的内部特征）、不同传统制造的材料微观结构、各向异性特性和粗糙的表面光洁度，还可能产生这种工艺特有的制造缺陷和材料异常，现有的无损检测方法和经验，包含超声检测、射线检测、荧光渗透检测等，可能无法有效地应用于增材制造零件。目前，采用什么标准方法、什么规定设备能有效识别不同类型缺陷，采用常规方法检测不准或无法检测的缺陷又怎样判定等一系列问题，还缺少统一的评价标准和规范。FAA正与工业界、学术界、政府机构和标准开发组织合作，推动建立与金属增材制造零件相关的关键缺陷和异常的无损检测方法。

（4）防止增材制造零件的乱用。

增材制造为航空零部件的制造提供了便利，但也为零部件的仿制和乱用提供了一条途径。当前，FAA和EASA对于维修中使用的增材制造零件，即使是材料完全相同，也不认为是等效替代的自制件，仍需进行完整的认证。为了防止增材制造零件的乱用，FAA通过可疑未经批准零件（Suspected Unapproved Parts，SUP）计划，来防止假冒的增材制造零件进入民用航空领域。

增材制造在民用航空领域的应用还很有限，还需要进一步的技术稳定性验证积累。由于增材制造零件各向异性的特点，决定了机械性能在不同方向的波动相对较大。主要民用航空管理机构正在实施越来越严格的测试和认证，这些测试是航空零部件在关键和非关键应用中所必需的。此外，生产过程的可重复性和制造质量的一致性，是当前增材制造在民用航空领域应用的一大挑战。尤其是在大量生产时，与传统工艺对材料的全面了解以及丰富的数据库形成鲜明对比，增材制造缺乏先验经验，缺乏对制造过程的完整理解，缺乏对产品性能的详尽了解，缺乏失效机理数据。但增材制造将为传统制造业带来颠覆性的变革，助推国内民用航空制造业在核心制造技术上的突破和跨越式发展。