民用飞机增材制造技术应用发展趋势

引言

增材制造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、数字制造技术的深度结合，深刻影响着传统工艺流程、生产线、工厂模式和产业链组合，是高端制造业的重要组成部分，已成为世界各国积极布局的未来产业发展新增长点。近年来，我国高度重视增材制造产业发展，将其作为“中国制造2025”战略的发展重点。增材制造产业正从起步阶段向高速成长阶段迈进，研究增材制造产业的发展现状、趋势及存在的问题，把握产业发展方向，对推动增材制造产业健康有序发展意义重大[1] 。

随着民用飞机的大型化发展，结构越来越复杂，承受的载荷也越来越大，同时对经济性和环保性的要求也不断提高。在保证安全性的前提下，如何减轻结构重量一直是飞机设计人员关键的研究目标。增材制造技术能够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、快速设计验证、小批量零部件快速制造，以及快速客户响应等关键技术应用带来了一种全新思路，是一种具有革命性意义的新兴技术。面向未来，开展增材制造技术应用研究，对推进增材制造件在民航现有型号批量装机应用，实现降本增效，支持未来民用飞机设计变革，都具有重要的现实意义。

1、 增材制造技术现代 发展历程

随着材料、工艺和装备的日趋成熟，高端制造业应用需求逐渐加大，新型增材制造的工艺、材料被不断提出，主流技术有激光选区烧结、熔融沉积制造、叠层实体制造、激光选区熔化、电子束选区熔化等。2003到2015年，激光选区熔化、电子束选区熔化、激光近净成形等技术与装备相继出现，其适用的原材料及结合机制件如表1所示。增材制造的应用范围进入产品快速制造阶段，在航空航天等高端制造领域得到了规模化应用。增材制造在民用航空领域的应用集中在钛合金、铝合金、超高强度钢、高温合金及非金属等材料的零部件制造。采用的工艺主要为粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）、材料挤出（FDM）。

国内关于增材制造技术的研究始于1991年，在国家科技部等部委指导支持下，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、制造工艺等方面研究和工程化应用取得了突破性成果。随着技术不断发展和推广，国内越来越多的高校和科研机构开展相关研究，西北工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、南京航空航天大学、上海联泰科技公司等单位在增材制造设备及配套软件研发、材料研究和产业化发展都做出很多探索性研究和应用工作，取得重大进展。

进入21世纪，国内基本实现了工业设备产业化，缩小甚至某些程度上超越了国外产品水平，填补了增材制造领域众多方向的技术空白，不仅彻底摆脱了早期依赖国外进口的局面，现今国产增材制造装备已经畅销全球四十多个国家和地区。然而，我国增材制造装备关键器件（如激光器振镜系统）、高性能成形材料（如超高温镍基合金粉材）、成形过程的智能化控制、增材制造全流程的仿真模拟及产品应用范围等方面依旧落后于国外先进水平，在高性能终端零部件的直接制造和“形性控制”方面仍有非常大的提升空间[2] 。由于部分装备的核心元器件对国外进口的依赖，导致成形过程的质量在线监控和缺陷智能诊断技术也不够成熟完善。

增材制造工艺方面，相对国外“基于理论基础的工艺控制”，国内更多的是依靠经验、重复循环的试验验证，以至于国内增材制造工艺在关键技术上整体落后于国外先进水平。材料的基础研究、制备工艺和产业化等方面，较国外也存在相当大的差距。技术应用方面，国外增材制造技术在高端制造业领域得到了广泛应用，特别是在航空航天领域的应用率已达到12%之多，而国内相对偏低，与规模化发展还存在技术上诸多瓶颈。上述问题也成为我国增材制造技术在民用飞机应用和创新发展道路上，亟待突破的重点和关键。

2、 增材制造技术优势及应用现状

增材制造技术与传统减材、等材制造工艺相比具有设计自由度高、制造周期短、材料利用率高、一体化成形等优势，同时增材制造零件也呈现出良好的综合力学性能，目前增材制造技术在航空制造及维修领域已经得到了广泛的应用。

2.1 增材制造技术应用优势

2.1.1 设计自由度高，实现轻量化结构制造

增材制造技术能够成形传统制造方法无法加工或难以加工的具有非常规结构特征的零件，使得设计可以突破传统制造的限制和约束，获得更大的自由度[3] 。设计师可以从功能需求的角度出发设计零件，采用仿生结构设计、胞元结构设计以及拓扑优化结构设计等创新设计方法对零件进行优化[4] ，使零件的应力呈现出更合理化的分布，通过增材制造工艺实现复杂轻量化结构制造。航空零件轻量化能够减少飞行器燃料消耗，提升续航能力和机动性，提高经济效益和环保效益。

2.1.2 制造周期短，材料利用率高

增材制造技术可以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、锻坯制备和锻造模具制造，可缩短航空零件制造流程和周期，与传统减材制造相比加工量大大减少，提高了材料利用率。

2.1.3 非平衡凝固组织，可实现良好综合力学性能

增材制造以金属粉末或丝材为原料，通过高能热源原位冶金熔化和快速凝固逐层堆积，可以得到晶粒细小、成分均匀、组织致密的快速凝固非平衡组织，具有良好的综合力学性能[5] ，与航空零件高性能要求相匹配。

2.1.4 结构功能一体化成形，提高可靠性

基于航空高性能、高可靠性要求，越来越多的零件采用整体结构。设计师可以重新设计零件，充分发挥增材制造优势实现结构功能一体化成形[6] ，同时减少紧固件安装、装配及焊接等工序，提高可靠性、缩短生产周期。

2.1.5 实现零件快速研制，加快设计迭代

新研机型在初始设计阶段需要进行多轮优化迭代，采用传统锻造与机械加工的制造方式，制造周期长且需要花费高昂的模具费用。增材制造技术无需投产工装模具，能够实现零件的快速响应制造，可以满足航空零件快速研制的需求，加快设计迭代进程[7] 。

2.1.6 维修维护及航材支援

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陷，在服役过程中也会受到磨损和腐蚀等损伤。随着航空零件不断向大型化整体化发展，如零件在加工和服役过程中受到损伤导致零件报废，更换受损零件将投入大量成本。

采用增材制造技术结合逆向建模可以对受损零件进行修复，快速恢复其尺寸与性能；增材制造技术也可以快速生产航材备件，不但可以减少运输周转时间快速恢复运行，还能够有效降低备件的存量，从而节省仓储成本[8-9] 。

2.2 航空增材制造技术应用实践

增材制造技术因具有制造周期短、材料利用率高、可成形复杂轻量化一体化结构等优势，在国内外航空航天领域得到了迅速发展。增材制造技术在军用飞机领域已获得多个型号的装机应用。2000年，美国AeroMet公司采用激光定向能量沉积技术制造的钛合金零件在F-22和F/A-l8E/F飞机上获得应用。2001年以来，美国Sciaky公司联合Lockheed Martin和Boeing公司开展了大型航空钛合金零件的电子束熔丝沉积（ Electron Beam Freeform Fabrication ，EBF3 ）研究。2013年，美国Sciaky公司采用EBF 3技术以及与锻件结合的组合制造技术为LockheedMartin公司制造了垂尾、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生产的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熔化沉积增材制造的关键工艺技术，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钢起落架等主承力关键构件的装机应用[10] 。中航工业北京航空制造工程研究所对EBF 3 技术进行了深入研究，并于2012年将采用EBF3 技术制造的钛合金结构件实现装机应用，如图3所示[11] 。

图1 Sciaky制造EBF 3 钛合金零件

图2 北京航空航天大学增材制造大型关键主承力构件

图3 北京航空制造工程研究所制造典型结构钛合金零件

由于民用飞机适航审定的严格要求，增材制造在民机领域上应用相较于军机领域面临更大的挑战。目前，增材制造技术在民机领域主要应用在发动机和机体结构中。

2015年，GE公司采用激光选区熔化技术制造高压压气机T25温度传感器外壳并通过适航审定，成为首个通过FAA认证的增材制造发动机零件[12] ，应用于GE90-40B发动机。2016年，GE公司生产了航空发动机燃油喷嘴并通过FAA认证，应用于Leap X航空发动机，将原来20余个零件一体化成形，使发动机喷油嘴的设计制造理念发展变革，极大缩短零件生产周期，生产成本降低了50%，同时耐用性提高5倍。GE公司制造了发动机电动开门系统（PDOS）支架，与传统减材制造方法相比，材料利用率提高90%，零件减重10%，该零件于2018年通过FAA认证，应用在GEnx-2B发动机[13] 。

图4 GE公司增材制造零件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制造零件，在每架A350 XWB中使用超过500件，包括机载系统的导管、线箍、封罩等多种结构。2015年，Airbus公司通过激光选区熔化技术实现了用于A320客舱和厨房之间隔板零件的仿生设计与制造，如图5所示，使用的材料是APWORKS开发的Scalmalloy新型高强铝合金材料，零件减重45%[14-15] 。2017年，空客A350XWB安装了激光选区熔化技术制造的Ti6Al4V钛合金拓扑优化飞机连接架，如图6所示，相比于传统加工方式减重约30%，这是钛合金增材制造在民机型号上第一次实现装机应用。2022年，PremiumAerotec公司通过激光选区熔化技术为空客A320飞机制造了钛合金制动管，与传统工艺相比零件减重50%以上。2022年，汉莎航空技术公司与Premium Aerotec公司合作完成用于IAE-V2500发动机防结冰系统的“A-Link”钛合金激光选区熔化增材制造零件，并获得欧洲航空安全局(EASA)认证，这是增材制造承重备件首次获得EASA认证，如图7所示。“A-Link”零件在发动机的进气口罩内连接形成环形热空气管道，防止在飞行过程中结冰，运行过程中发生的振动会导致组件在其安装孔处磨损，根据需要进行更换。

图5 空客A320飞机仿生机舱隔板

图6 空客A350 XWB钛合金连接架

图7 “A-Link”钛合金零件

2017年，波音通过Norsk Titanium的快速等离子定向能量沉积(Rapid Plasma Deposition，RPD)技术制造了钛合金结构件厨房支架获得FAA的适航认证，应用于波音787飞机，如图8所示。

图8 波音787飞机厨房支架零件

国内，中国商飞公司不断推进增材制造打印技术在民用飞机型号上的应用[16] ，目前已初步探索出民机增材制造适航认证思路，并联合上海适航审定中心、飞而康等单位实现了钛合金激光选区熔化零件在民机上的装机应用[17] 。

3 3 增材制造在民机应用的挑战

3.1 材料和工艺的挑战

在材料和工艺方面，金属增材制造仍然存在一些挑战需要解决。

3.1.1 材料的选择有限

在金属增材制造发展初期，主要是采用现有的铸造合金、变形合金和粉末冶金中的传统合金材料，研究这些合金对增材制造工艺的适应性[18-19] 。然而，这些合金和增材制造工艺的适用性并非最佳，因此近年来发展增材制造专用合金的研究成为增材制造金属材料发展的热点[20-21] 。

3.1.2 制造效率低

相对于传统的制造工艺，金属增材制造的速度相对较慢，尤其是在制造大型零件时更为凸显。这不仅会影响生产效率，也会限制金属增材制造在批量生产中的应用[22] 。

3.1.3 零件的性能不稳定

影响金属增材制造零件性能的因素主要包括以下四个方面：残余应力；表面质量；内部缺陷；微观组织。例如材料不均匀性和各向异性明显，导致试片级材料性能无法代表零件性能;沿特定平面的亚表面和体积缺陷;零件具有明显的表面粗糙度;残余应力大，空间分布复杂，会导致零件变形；材料性能和缺陷数量的分散性较大等。上述几点受到工艺参数的影响较大，并会在不同尺度上影响着零件性能，如图9所示。

图9 金属增材制造材料和工艺的挑战

3.2 质量控制的挑战

增材制造在民机上应用首先应获得致密无缺陷的零部件，保证产品质量的一致性。但是，原材料、打印设备和工艺参数等因素不稳定，一定程度上会导致增材制造零件产品质量和力学性能的分散性[5] 。相比铸件、锻件，增材制造零件往往具有形状复杂、缺陷特殊、成形态表面粗糙、材质不均匀和各向异性明显等特点，这使得增材制造零件的质量控制面临挑战[23，24] 。

3.2.1 增材制造缺陷形式特殊多样

由于增材制造成形过程中涉及能量源与原材料之间复杂的交互作用和熔池金属冶金行为，成形后制件中存在的冶金缺陷、翘曲变形等产品质量问题会降低零部件的使用性能[5，23] 。不同于传统铸件、锻件的缺陷形式，金属增材制件中存在的冶金缺陷具有全域分布、形态多样、尺寸跨度大和形成机制复杂等特点[25] 。例如，卷入性或析出性孔隙、熔覆层间的未熔合、夹杂物、微裂纹以及残留的金属粉末颗粒等。如图10所示，有些与工艺相关的固有缺陷，如激光选区熔化制件往往存在广布的微小孔隙[26] ；有些缺陷具有明显的取向性和层状分布特征，如沿着熔覆层或熔覆道分布的链状孔隙或层状未熔合[27] 。

图10. 金属增材制造典型缺陷 [26-27]

3.2.2 增材制造零件无损检测面临挑战

采用无损检测方法对增材制造零件质量特性观察、测量和试验，评估其是否符合规定的验收标准，是进行质量控制的关键环节。然而，经创新设计的增材制造零件往往结构形状较复杂且一体化制造完成，常规的渗透、射线和超声等检测方法在可达性、可检性及缺陷评定准确性上面临挑战。美国GE公司[28] 为解决复杂结构增材制件的内部几何特征和缺陷可视化难题，应用工业CT对燃油喷嘴、叶片和支架等增材制造零件及粉末原材料进行检测。Dutton等[29] 为解决复杂结构增材制件缺陷检测可达性较差问题，验证了过程补偿

共振检测等方法进行增材制造零件整体质量检测的可行性。杨平华等[30] 研究了钛合金增材制件不同成形方向的超声波声速、衰减及检测灵敏度对缺陷评定准确性的不利影响。周炳如等[31] 研究了15mm厚度钛合金增材制造缺陷的射线检测，验证表明射线能检出直径0.4mm孔洞缺陷但是较难获取缺陷高度方向尺寸，对细小缺陷的检出和相邻缺陷的辨别较困难。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制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准确地表征不同深度缺陷，但是该方法在检测薄壁构件和近表面缺陷时仍需优化。

通常，渗透法适用于非多孔性增材制件的表面缺陷检测，但要考虑成形态制件表面粗糙度影响；射线法和超声法适用于增材制件内部缺陷检测，但要考虑受检工件几何复杂性及材质影响；工业CT方法适用于复杂结构增材制件的内部几何测量和缺陷检测，但成本较高且效率较低。此外，增材制造零件质量检测标准缺失，特别是质量验收准则、质量分级检验指标不完善[33] ，也是掣肘增材制造在民机应用的重要挑战之一。

3.2.3 增材制造打印过程监测不成熟

采用光学成像、热成像及声学等方法对熔池状态、缺陷产生和材料组织变化实时监测[34] ，有助于及时发现异常以及调控工艺参数，提高增材制造零件成形质量。近年来，各国学者均在不断发展打印过程在线监测技术。Zenzinger等[35] 采用光学层析成像在线监测增材制造成形过程，可识别尺寸0.2mm孔隙缺陷，能清晰显示未熔合缺陷的位置和尺寸。Everton等[36] 采用高速光学相机和红外热像仪在线检测成形过程，以实现对熔池状态的材料不连续性监测。白雪等[37] 研究了激光超声多冶金特征同步在线检测方法，可实现0.5mm孔洞及裂纹缺陷可视化成像。曹龙超等[34]讨论了光、声、热和振动信号多种传感手段监测激光选区熔化成形过程，建立监测信号-缺陷特征-工艺参数的定量关系。通常，光学成像用于识别熔覆层成形表面异常或粉末铺展缺陷，但较难识别熔覆层下方的冶金缺陷；热成像用于监测熔池温度、形态和尺寸等，预测和识别潜在缺陷特征；声学方法依靠声波的传播并监测可能发生的变化来预测缺陷存在。基于单一传感在线监测较难获得打印过程的全面信息，通过多源传感对不同目标参量的监测及信息融合能弥补单一传感信息量不足的问题，但现有增材制造打印过程监测技术在可检缺陷类型、检测精度和效率、实时性等方面离实际应用仍有较大差距。

针对增材制造零件质量控制，渗透、超声、射线及工业CT等无损检测方法可用于对成形后制件的缺陷检测与评价，以鉴别并剔除不合格品；光学成像、热成像及声学等在线监测方法可用于打印过程中及时发现缺陷或异常，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、材料与成形工艺特点，先期开展增材制造成形工艺仿真，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，是进行增材制造零件产品质量控制的有效途径。

3.3 民机增材应用适航要求

适航性（Airworthiness）是用来描述民用航空器“适于（在空中）飞行”品质属性的专用词。民用航空器的适航性指航空器（包括其部件和子系统的整体性能和操纵特性）在预期的服役使用环境中和使用限制下，飞行的安全性和物理完整性的一种品质。适航性是确保公众利利益的需要，也是航空工业发展的需要。适航标准是保证民用航空器适航性的最低安全标准。民用飞机的设计制造必须符合相关型号所采用的适航标准（适航审定基础）中的每一条款的要求。通过适航审查并获得适航当局颁发的型号合格证，是许可民用飞机设计用于生产的前提之一。

在国内，大型民机的研制需符合适航标准CCAR 25部[38] 的要求，对于增材制造这类新材料新工艺的应用，中国民航局审定机构（以下简称“局方”）重点关注如下三个条款：

（1）“材料”—CCAR 25.603条款：已经制定了针对增材制造技术的专用材料规范。这些规范是建立在经验和测试的基础上。材料的适用性和耐久性应已充分考虑服役中预期的环境条件；

（2）“制造方法”—CCAR 25.605条款：所用的制造工艺根据批准的工艺规范进行鉴定。通过鉴定测试测试程序和这些规范中定义的检查程序，确保所有生产零部件过程控制的一致性；

（3）“材料设计值”—CCAR 25.613条款：材料的强度性能必须以足够的材料试验为依据（材料应符合经批准的材料规范的要求），在试验统计的基础上制定设计值。考虑到数据是从不同设备、粉末和材料方向获得，设计值需要根据试验数据的统计处理得出。经批准的材料设计值可用于增材制造零部件静力、疲劳和损伤容限的评估。同时还需要与采用传统工艺的相同材料的数据进行比较。

除上述三个基础条款，根据零件的应用位置和特点，还需对零件进行相应的检测、结构/功能验证。飞机零件适航认证的要求与零件的关键（重要）程度有关，零件的关键程度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包括飞机安全裕度或功能的轻微降低、机组工作量的轻微增加、常规飞行计划的改变或对乘客的一些不变等。主要涉及内饰件；

（2）严重：其失效可能对安全产生不利影响。例如飞机安全裕度或功能显著降低，机组人员工作量显著增加同时效率降低，或乘客感到不适。在更严重的情况下，会导致机组人员无法准确执行飞行任务，或对乘客造成不利影响。主要涉及功能件和次承力结构件；

（3）灾难性：一旦失效就无法继续安全飞行和着陆。主要为飞机主承力结构件，包括所有易受疲劳裂纹影响的结构。

将全新的材料和工艺应用于民机，对于适航审定而言，必将是一个漫长而谨慎的过程。增材制造技术在民机领域应用的早期，飞机和发动机主制造商都采取了非常谨慎的态度，优先选择关键程度低和设计余量较大的零部件，例如装饰件和功能件。这样可以显著降低增材制造技术最初应用是发生故障、影响飞机安全性的可能性。随着增材制造技术不断发展和成熟，减少零件数量、减少零部件重量、节约制造周期等优势逐渐显现，主制造商会逐步提高增材制造零件的额复杂程度和关键性。

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制造技术应用的重要原因之一。航空制造领域采用增材制造技术，主要是为了降低飞机零部件的研制生产成本和提升运营效益。飞机的轻量化要求也是推动增材制造应用的驱动力之一，这是因为机体结构的减重等于商载的增加和运营效益的增加。此外，增材制造还可用于零部件快速修复及快速航材支援，以延长航空装备的使用寿命、降低备件库存成本，进而带来一定的经济效益。

开展增材制造零件的成本梳理及要素分析，可以从设备、材料、工时、能耗、劳动力与管理成本等方面考虑。例如，激光选区熔化金属构件总体积相比于成形室的尺寸一定程度决定了单个零件的成形时间和制造成本。在研制阶段，利用增材制造适用于小批量、多品种、复杂零件快速制造的优势，相比于铸造和锻造方法增材制造可降低模具的成本，同时为缩短制造周期和精益生产提供有效途径。在生产阶段，基于批产条件下的典型零件，分析材料成本、设备和人工成本、后处理成本等要素，对比分析采用增材制造与传统工艺的成本差异，可得出相应的制造成本核算依据。同时，设备稳定性也是成本分析应考虑的重要因素，这是因为打印操作、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时间浪费。现阶段，从单个零件的增材制造成本来看，相比于传统铸造、锻造仍有差距，如何从降低材料成本、缩短生产周期、减轻结构重量及全生命周期提升运营效益等方面考虑增材制造在民机应用的经济性也是重要挑战之一。

3.5 民机维修应用的挑战

航空零部件往往具有高附加值，误加工零件和服役失效零件如果直接报废将带来巨大的经济损失，增材制造技术可对受损零件进行外观及性能的恢复，在民机维修领域具有广阔的应用前景。目前，在航空领域应用最广泛的增材制造修复技术是激光熔化沉积修复，已通过该技术实现在框梁结构、接头、起落架，以及发动机叶片、叶盘等修复应用。北京航空材料研究院采用激光熔化沉积修复技术对飞机的超高强度钢起落架、不锈钢轴颈、钛合金襟翼滑轨等承力构件开展修复研究工作，其中伊尔76飞机修复超高强度钢起落架已经获得批量应用。

增材维修过程与增材制造过程相比更为复杂，维修过程包括：对受损零件进行逆向建模、制定个性化修复方案，利用增材技术对受损区域进行修复，以及加工去除余料恢复外观尺寸。增材修复还需要考虑对修复零件基体的热损伤、修复区与基体界面结合、热影响区等问题。因此，增材修复技术应用于民机领域具有广阔前景的同时还面临一些挑战。

3.5.1 残余应力控制

激光增材维修过程是循环加热冷却的过程，会造成零件基体内部残余应力分布发生变化，从而可能影响零件的静力、疲劳、腐蚀等性能。同时，零件也可能因残余应力而导致变形，难以保证维修的精度，从而影响零件的外观尺寸。

3.5.2 修复材料集约化

由于受损零件的材料情况复杂，因此需要准备的修复材料种类庞大，由此带来一定的仓储问题或订货运输周期问题。因此，开发可同时满足不同待修复零件的集约化新材料，将大幅降低维修成本，缩短维修周期。

3.5.3 性能评价标准建立

目前，适用于增材修复的民机应用场景越来越多，但标准体系不完善将阻碍增材修复技术的工程化应用。并且，对于民机增材维修零件的性能评价一般需要采用“积木式”方法，验证周期长、成本高，这与增材维修周期短的优势相矛盾，因此需要针对增材维修技术建立相应的航空维修装备评价标准。

4、 民机增材制造技术应用机遇

4.1 发展规划及政策

为了抢占增材制造技术的战略先机，推动其产业化应用进程，增材制造在多个国家被列为国家级重大战略，并制定了相应的发展规划和支持政策。

2009年以来，美国先后制定了《重振美国制造业框架》《先进制造国家战略计划》《增材制造在国防部的使用》等一系列国家战略，将增材制造技术列为美国制造业支柱技术之一，并在2012年创立了美国国家增材制造创新研究所。欧盟也将增材制造技术作为未来制造业革命的重要部分[39] 。欧盟于2015年投入2.25亿欧元开展增材制造专项研究，并发布了增材制造标准化路线图。德国于2008年成立了增材制造研究中心，在创立“工业4.0平台”时明确表示“将大力研发、创新激光增材制造等新兴先进技术”，并在《国家工业战略2030》中将增材制造技术列为多个领域的核心技术。英国自2011年以来持续增加增材制造技术的研发经费投入，并在《未来高附加值制造技术展望》中将增材制造列为提高国家竞争力和制造业定位的主要技术之一[40] 。此外，英国、日本、韩国、新加坡等国也制定了相应的政策积极开展增材制造技术研究，并投入大量资金推动其产业化应用进程。

为实现制造业“外道超车”，推动增材制造产业应用，我国自2012年以来，相继推出了针对增材制造的支持政策。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》《中国制造2025》《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)》《增材制造标准领航行动计划（2020-2022年）》等一系列政策的发布和实施[39] ，有力推动了增材制造在国内的快速发展。

4.2 产业规模发展

增材制造产业链不断完善，市场规模持续扩大，《Wohlers Report 2023》发布的数据如图11所示[41] ，2008-2022年全球增材制造产品和服务总营收逐年增长，其中2022年全球增材制造总营收增长18.3%。中国增材制造产业在国家政策支持下飞速发展，近来年营收增长率均高于全球水平，其中2019-2022年中国增材制造总营收分别29%、31%、27%、21%[42] 。

图11 2008-2022年全球增材制造产品和服务年营收 [41]

我国增材制造广泛应用于航空航天领域，对于原材料的性能指标要求较高，生产工艺区别于传统原材料。目前，我国增材制造专用材料性能及生产规模已基本满足国内需求，中航迈特、飞而康、江苏威拉里等供应商已具备生产高品质钛合金粉末、高温合金粉末、高强铝合金粉末等原材料的能力。

我国工业级增材制造设备呈现出大型化和高效率的发展趋势，华曙高科、铂力特、易加三维等设备制造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制造。

我国产业体系不断发展完善，2022年工信部开展增材制造产业化应用示范场景征集，旨在研发应用更加适配行业需求、更加先进适用的增材制造专用材料、装备和应用技术解决方案，遴选并发布了36项增材制造典型应用场景。截至2022年，我国增材制造产业链相关企业已达1000余家，其中不乏龙头企业在产能规模和市场应用方面展现出快速发展。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制造装备研制公司；作为将冷喷涂增材制造技术产业化运用在航空器维修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修单位；2022年，工业级增材制造装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交易所科创板挂牌上市；2023年3月，国内工业级光固化3D打印厂商上海联泰科技已完成IPO上市辅导备案。

4.3 民机应用需求

增材制造技术可以有效地提高设计和制造自由度，为民用飞机结构轻量化提供了有效的途径。飞机减重对提高经济性、提升飞机整体性能、减少碳排放污染等意义重大，控制好飞机重量、进行有效的减重工作是保持民机竞争性的必要条件之一。经济性是民用飞机满足市场竞争要求和实现产品成功商业化的重要指标，飞机重量直接影响运营成本，轻量化所带来的燃油成本降低不容小觑。飞机重量也是衡量飞机设计先进性的重要指标之一，减重有助于提升飞机的整体性能，如飞行速度、载重量、推重比和升力等。飞机减重与绿色航空理念相契合，全球气候变暖以及环境污染的加剧，使得减少航空碳排放迫在眉睫。国际民航组织计划到2050年商用飞机的碳排放减少一半。为了实现这一目标，一方面要使用清洁能源，另一方面也要通过轻量化设计等方法来提高燃油效率。

5、 民机增材制造技术发展趋势

5.1 适航认证

随着增材制造在航空领域应用优势与潜力的展现，如何对增材制造这一新兴制造技术开展适航审查与认证工作早就受到了美国、欧洲等国家/地区的民用飞机适航审定机构的关注，并已开展大量针对适航符合性验证方法的探索性研究工作。

FAA认为，增材制造并不是第一种对FAA认证流程提出挑战的新材料新工艺。半个世纪前，复合材料的引入就曾带来过类似的挑战。2015年6月，FAA发布了AIR 100-15-130-GM39《增材制造认知》备忘录[43] ，提出由设计、制造和适航部门（ AIR-100 ） 组 建 了 增 材 制 造 国 家 团 队（AMNT），收集增材制造民机应用的信息，为即将开展的增材制造认证收集技术资源。2016年7月，FAA发布了AIR100-16-130-GM18《粉末床熔融增材制造零件的工程考虑》备忘录[44] 。这份备忘录没有为增材制造零件提供具体指导，而是从产品设计、原材料、成形过程、后处理、检测方法、工艺验证、材料设计值获取以及其他方面，对零件制造者提出了必须考虑的一些技术问题。

2016年9月，FAA发布了AIR 100-16-110-GM26《增材制造设施和过程的评估》备忘录[45] ，旨在帮助航空安全审查员（ASI）对增材制造设施及过程进行评估，包括人员培训、场地设施、技术数据、原材料处理、设备、软件控制、制造过程有效性、制造过程监控、检测、冶金过程等方面，完成对增材制造过程稳定性的评价。

2018年，FAA发布了咨询通告AC 33.15-4《粉末床熔融增材制造成形涡轮发动机零件及修复指南》[46] 的征求意见稿。在这份咨询通告中，FAA首次针对增材制造零件（虽然仅限于涡轮发动机零件）的适航取证，建议采用类似于复合材料的积木式验证方法，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证产品安全性。

图12 AC 33.15-4推荐的增材制造零件“积木式”试验验证体系

2017年4月欧洲航空安全局（EASA）发布了CM-S-008《增材制造认证备忘录》[47] ，阐述了增材制造技术的引入对民用飞机的适航审定过程的参与者和取证策略带来的影响。2022年EASA批准了第一个在飞机上使用增材制造的承力金属部件A-Link（A形连接件），这也意味着未来EASA等机构可能将允许增材制造技术应用于更多的民机重要承力结构。

中国民航局（CAAC）民用航空适航审定中心于2021年发布了审定技术指导材料《增材制造结构审定的技术说明（征求意见稿）》，建议采用类似于复合材料的积木式验证方法，通过试样级、细节件级、构件级等多层级积木式验证来保证设计值的准确性。

2022年中CAAC下属上海适航审定中心完成对中国商飞公司国产大飞机C919舱门增材制造钛合金件的审查，批准钛合金增材制造零件安装在C919飞机的舱门机构中。这是我国首次批准增材制造金属件在民用飞机的装机应用，采用了具有创新特色的“单件适航”策略，减少了试验量、缩短了取证周期，初步构建了民机静强度驱动增材制造结构适航取证体系，解决了长期困扰增材制造结构装机应用的适航取证关键核心问题。

5.2 一体化设计制造

增材制造大大解放了制造工艺对飞机结构形式的约束，为结构创新设计提供了机遇和技术基础。对飞机结构可基于先进制造“量身定做”，通过设计与制造高度融合构造出的全新结构形式，其中包括大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和结构功能一体化等。基于增材制造的创新结构具有高减重、长寿命、多功能、低成本、快速响应研制等显著优势，有望突破传统结构的设计“天花板”[48] 。采用与GE公司Leap发动机燃油喷嘴一体成形类似的原理，近期针对飞机结构大部件的一体化设计逐渐成为备受关注的研究方向。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重要连接，开展一体化设计优化，弱化应力集中，使非承载的参与区最小化、消除接头连接，从而构建整体大部件，实现减少零件数量、减轻结构重量、均匀应力分布等效果。

在某新型战机中，2020年王向明团队建立了带制造属性和寿命属性的多约束协同设计方法，并基于该方法设计了无接头连接的铝合金加强框—翼梁整体件，如图13所示，实现了零件减少50%、减重38%、翼根高度降低1/4、制造效率提高10倍以上[48-49] 。同时 [48] 针对整体结构裂纹扩展抑制难点，提出了钛合金层合结构设计方法，发现裂纹扩展“平台特征”，发明钛合金层合梁肋长寿命结构，通过主动调控，可延长裂纹扩展寿命三倍以上。

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，温学团队指出增材制造技术可以实现结构的一体化成形，从而大幅减少直升机零部件数量，进而有效降低结构在接头部位失效的风险，同时也减少了设计人员和零件加工制造人员的工作量，缩短直升机交付周期[50] 。在航天领域，王婧超团队 [51] 针对去连接件的航天运载器上面级舱体结构整体成形需求，基于现有SLM设备完成缩比产品的一体化设计制造，验证了基于增材制造技术实现运载火箭典型主体结构无连接件设计的可行性。

对于飞机结构整体优化设计，人们期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采用拓扑优化构型，如图14所示，空客公司也提出了未来客机的概念方案，并期待到2050年左右通过增材制造技术打印整架飞机。

结构一体化设计是发挥增材制造工艺优势的最佳设计形式，但仍需在结构整体建模问题、多功能与多学科性能的综合优化设计问题、跨尺度结构构型的性能表征和优化设计问题、增材制造工艺约束问题等方面进一步开展深入研究[52] 。

图14 战机整机拓扑优化设计概念图

图15 空客未来客舱概念图

5.3 数字化智能化

经过约二十多年研究和开发，在众多商用合金中只有极少数能打印出无缺陷且结构合理的部件，所有增材制造产品的市场价值在制造业经济中所占比例微乎其微。造成这一困难的原因是增材制造零部件的结构和性能存在显著差异，而且容易出现缺陷[53-54] 。目前，结构和性能的优化以及缺陷的减少是通过对不同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，由于原材料和打印设备的价格昂贵，因此在对增材制造零件进行合格鉴定时，试错法的成本很高[55] 。

为了解决这些难题，我们需要用一种先进的工具来取代试错法。随着智能技术逐渐取代传统流程，智能系统通过传感器连接、通信技术、云计算、仿真和数据驱动建模在生产集成制造中变得越来越突出[56] 。数字孪生是是以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型，来模拟其在现实环境中的行为，许多行业和政府机构已成功构建并用于不同的制造流程。例如，通用电气公司目前拥有超过55万个正在运行的真实物理系统的数字孪生系统，从喷气发动机到动力涡轮机[57] 。此外，美国国家航空航天局（NASA）和美国空军也在研究如何使用数字孪生来提高车辆设计的可靠性和安全性[58] 。基于增材制造的数字孪生由机械模型、传感和控制模型、统计模型、大数据和机器学习组成，如图16所示[59] 。研究表明，通过创建数字孪生系统，在打印的物理世界和虚拟世界之间架起一座桥梁，可以减少试验和错误测试的次数，减少缺陷，缩短设计和生产之间的时间，并使更多金属产品的打印具有成本效益[60-63] 。尽管数字孪生驱动的增材制造仍处于起步阶段，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工智能，可以改变增材行业[64] 。

图16 3D打印的数字孪生系统示意图 [59]

5.4 新材料新工艺

5.4.1 更适用于增材制造的高强合金开发

随着航空工业的不断发展，对于航空器材料的要求也越来越高。增材制造作为一种新兴的制造技术，为航空领域提供了许多创新的解决方案。在增材制造材料方面，高强度金属材料的发展成为了一个重要的趋势。

基于民机的应用特点，航空零部件必须由高性能材料制成，并且在运营过程中需要可靠和耐久性以确保可接受的安全水平。钛合金因其良好的耐腐蚀性，低密度和高强度等机械性能广泛用于航空航天[65] 。随着未来飞机型号发展，需开发出强度和韧性更高的钛合金以满足轻量化需求[66] 。铝合金一直是飞机结构部件的主要材料 [67] ，但可用的铝合金材料有限，且大多数传统铝合金不适于增材制造工艺。为此学术界和工业界都开展了大量的研究，例如使用传统高强度铝合金的金属粉末确定增材制造的合适加工窗口，对粉末进行预合金化，以及开发先进的铝基复合材料，并通过原位或非原位方法引入增强相等[68] 。现有的金属增材制造主要用于制造单一材料的零件，随着金属增材制造技术的进一步发展，需加强材料研究和开发，提高材料性能的稳定性和可靠性，拓展金属增材制造的材料选择范围，并针对增材制造特点设计新型材料。在新材料设计时，不仅要考虑合金的可加工与拉伸性能，更应依据具体服役要求，针对性地开展特定性能的合金成分设计[69] 。

5.4.2 功能分级金属材料

随着商业应用的不断增加，对在单个零件中多种不同材料进行增材制造的需求也在增加。多材料增材制造（MMAM）是一个新兴领域。与一般的增材制造方法相比，MMAM 带来了更高的设计自由度，如将结构与功能相结合，实现可定制的材料物理性能（如局部耐磨性、高导热性、隔热性、耐化学腐蚀性等），甚至为增材制造零件引入 了 新 的 自 由 度[70]。 功 能 分 级 金 属 材 料（FGMMs）是一种新型异质材料，由结构或成分具有梯度的多金属成分组成。与传统的均质材料相比，功能分级金属材料能够以空间可控的方式

集成多种不同的成分，从而创造出理论上单一材料不可能同时具备的各种先进性能的组合。因此，在复杂恶劣的工作环境中对 FGMM 的需求量很大，如航空发动机（极端温度和压力）、核电站水反应堆（高压和腐蚀性）和空间站（低压/低温）[71] 。随着多材料粉末供应技术瓶颈的突破，使用增材制造生产多材料零件已成为现实。

目前，多材料的增材制造仍处于初级阶段，距离实现加工无缺陷零件并将其用于实际工业应用的最终目标仍有较大差距，需从材料、工艺和软件等多个方面开展研究。如何集成复杂的混合制造系统，建立设计和制造规则，优化制造流程，现场监测和控制制造质量，评估零件的可靠性、耐久性等都需要进一步研究。

5.4.3 复合材料3D打印

复合材料的特性使得其具有轻质高强度的特点，相较于传统金属材料更加轻便。复合材料3D打印技术在航空领域的优势主要表现在轻量化方面。航空行业对于飞机的重量控制非常严格，而复合材料具有轻质高强度的特点，与传统的金属材料相比更轻薄。传统制造方法难以实现复杂的空腔结构和多层结构，而3D打印技术可以通过逐层堆叠的方式，直接将复合材料打印成复杂的结构，从而最大程度地减少无用材料的使用量，实现飞机的轻量化。

目前已有多种复合材料可供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材料，包括具有特殊性能的材料。这将使得航空器制造商能够根据不同需求选择适合的材料，并实现更加智能化的设计和制造。随着技术的进步，复合材料3D打印技术将能够实现更小尺度、更精细结构的部件制造。这将有助于提高飞机的性能和效率，并促进航空器的创新设计。

未来的复合材料3D打印技术发展将需要多学科的融合。航空工程、材料科学、计算机科学等领域之间的合作将推动该技术更好地应用于民用飞机制造，并促进其更广泛的发展和应用[72] 。

5.4.4 4D打印技术

4D打印技术是一种相对较新的制造技术，它在3D打印的基础上，通过使用具有响应性材料或结构的打印件，实现在外部刺激下产生形状、结构或功能变化的能力。这种技术可以使打印件在特定条件下自动变形、组装或执行特定功能。

4D打印的概念自提出以来，引起人们极大的兴趣和关注。随着打印材料、打印方法的不断拓展与进步，其在航空航天领域具有良好的应用前景。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，才能构建精准、稳定预测4D零件形状变化，应用于大型、长寿命的民用航空应用场景中[73] 。相信4D打印未来会在民用飞机上发挥不可小觑的作用。

5.5 维护维修

通过增材技术对受损零件进行修复实现再制造，符合国家发展循环经济的战略，可为高附加值的航空产业带来巨大的价值。金属增材维修技术已在军机领域得到广泛应用，从发动机叶片损伤修复逐步发展到飞机框、梁、摇臂、支架等各类零件的损伤修复[74] 。借鉴军机领域机体结构腐蚀、磨损、疲劳裂纹等修复经验，结合民机维修维护设计要求，考虑到飞机安全性和可靠性，未来民机增材制造维修可从风险性较小的非关键件着手修复，逐步考核验证，以此为基础有序推进至关键件。为了进一步推动增材维修技术应用的广度和深度，以满足民机持续适航要求，增材维修技术展现出以下发展趋势。

5.5.1 航空备件生产

在持续适航过程中，航空零部件的损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修一般采用向飞机制造商采购原产零部件的方式，随着飞机型号不断迭代，某些零部件备件的生产产线取消，一些零件将面临无法生产备件的问题。通过激光选区熔化技术导入所需零件的三维模型，设置打印参数，即可完成零件制造，不再需要提前储备备件，不但可以减少运输周转时间快速恢复运行，并且能够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”步伐。增材制造技术在支持航空零部件和航材国产化方面，具有天然优势。针对供应商唯一或者选择很少且需求量很低的航空零部件，可能面临零件更换价格昂贵、供货周期长的问题。引入增材制造技术，可实现对铸造、锻造等工艺替代，完成满足原厂件要求的自制件研制，可有效避免航材“受制于人”的情况。

5.5.2 低温修复技术推广

冷喷涂是一种固相增材制造技术，与基于熔化的增材技术(如热喷涂、激光熔覆、电弧增材等)不同，是通过颗粒在高速冲击下的严重塑性形变形成涂层的沉积技术，冷喷涂过程材料温度低于熔点，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修复提供了新的解决方案，同时，冷喷涂还具有较高的沉积效率[75] 。基于以上技术特点，冷喷涂的应用场景将更加丰富。美国陆军研究实验室（ARL）2000年开始开展冷喷涂修复技术在航空领域中的应用研究，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修复了很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及钛合金液压管路、AH-64阿帕奇桅杆支架、飞机起落架等。随着民航领域的快速发展，民用飞机构造性能高、结构复杂，对配套的机载设备、机体结构维修再制造技术也提出更高要求。冷喷涂固态增材制造技术在民用飞机制造修复领域的应用潜力很大，可在保证维修质量的前提下，极大提高维修效率，降低维修成本。

5.5.3 移动式增减材一体化修复装备

增材修复后还需要进行局部加工恢复零件外观尺寸及表面质量，为了随时随地实现更加便捷的现场修复，修复装备需要向移动式便携化、增减材一体化方向发展。

结论

增材制造作为一种具有数字化、智能化特点的新兴技术，在复杂结构一体化成形、缩短生产周期、提高材料利用率等方面优势显著，有助于民用飞机结构的快速设计迭代、减重降本增效、敏捷航材支援及维修维护应用。现阶段，增材制造在高性能零部件的成形质量一致性和性能稳定性控制、标准规范体系建立、材料和工艺的鉴定与认证、最终零件适航符合性验证等方面亟待解决的关键问题是制约其在民用飞机工程化应用的重要挑战。

国内外在先进制造领域持续的政策和资金支持加快了增材制造产业化应用进程，专用材料供给能力、工艺装备及软件系统性能的逐步提升，产业链条的逐渐完善，给民用飞机的增材制造技术应用带来重要发展机遇。随着民用航空领域对增材制造材料、工艺和零部件的适航审查与认证探索研究，增材制造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、梯度复合化和结构功能一体化应用等方面前景广阔。

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