圖1 西北工業(yè)大學(xué)激光立體成形C919飛機(jī)翼肋緣條。

　　1892年，一個(gè)立體地形模型制造的美國(guó)專(zhuān)利首創(chuàng)了疊層制造原理，在其后的一百年間，類(lèi)似的疊層制造專(zhuān)利有數(shù)百個(gè)之多，實(shí)踐中的技術(shù)探索也層出不窮。但以立體光刻技術(shù)的誕生為標(biāo)志，以快速滿(mǎn)足柔性化需求為主要應(yīng)用目標(biāo)的現(xiàn)代增材制造技術(shù)才真正形成?？梢哉f(shuō)，如果沒(méi)有CAD實(shí)體模型和對(duì)其進(jìn)行分層剖分的軟件技術(shù)，沒(méi)有能夠控制激光束按任意設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)的振鏡技術(shù)、數(shù)控機(jī)床或機(jī)器手，增材制造技術(shù)的柔性化特征就只能停留在一種理想的原理上。因此，增材制造技術(shù)應(yīng)該被稱(chēng)為信息化增材制造技術(shù)或數(shù)字化增材制造技術(shù)。作為信息化時(shí)代的代表性制造技術(shù)，增材制造技術(shù)是應(yīng)該得到大力支持的前沿技術(shù)，是使我國(guó)在信息化時(shí)代，特別是當(dāng)前回歸實(shí)體制造業(yè)的世界潮流中占領(lǐng)制造技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際制高點(diǎn)的優(yōu)先發(fā)展方向。

　　激光立體成形是能夠滿(mǎn)足成形

　　成性一體化極限需求的增材制造技術(shù)

　　自立體光刻技術(shù)誕生以來(lái)，產(chǎn)生了很多構(gòu)思奇妙的增材成形制造技術(shù)，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。但大多數(shù)增材成形技術(shù)主要是應(yīng)用于快速原型制造，所以一度被冠以“快速原型”技術(shù)的名稱(chēng)。但增材成形原理絕非只能用于成形，也可以解決高性能的需求。激光立體成形技術(shù)就是一種兼顧精確成形和高性能成性需求的一體化制造技術(shù)。激光立體成形技術(shù)是將增材成形原理與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，集激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和材料技術(shù)諸多現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)于一體的一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)高性能致密金屬零件快速自由成形的增材制造技術(shù)。

　　20世紀(jì)90年代以來(lái)，材料加工技術(shù)發(fā)展前沿呈現(xiàn)了一個(gè)明顯的趨勢(shì)，即追求短流程、低消耗、高柔性、環(huán)境友好、成形與組織性能控制一體化的先進(jìn)技術(shù)。這種趨勢(shì)反映的是需求的極限化要求，即同時(shí)滿(mǎn)足多方面高端需求。這種極限化的需求在很多領(lǐng)域反映出來(lái)，而尤以航空航天領(lǐng)域?yàn)榈湫?。航空航天領(lǐng)域的金屬材料加工技術(shù)的典型前沿需求是兼顧高精度、高性能、高柔性與快速反應(yīng)，成形結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的薄壁金屬零件。盡管鑄、鍛、焊、粉末冶金等各種傳統(tǒng)技術(shù)都被努力發(fā)揮到近于極限，但由于其各自的技術(shù)原理所帶來(lái)的根本性限制，依然難以滿(mǎn)足這種極限化需求，這常常成為制約航空航天整體技術(shù)發(fā)展的瓶頸。激光立體成形技術(shù)，作為一種快速自由成形高性能致密金屬零件的新技術(shù)，為解決同時(shí)滿(mǎn)足上述多方面高端需求的難題提供了一條全新的技術(shù)途徑。這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)植入體、船舶、機(jī)械、能源、動(dòng)力領(lǐng)域復(fù)雜整體構(gòu)件的高性能直接成形和快速修復(fù)等領(lǐng)域也都有廣闊的應(yīng)用前景。

　　同批量化制造相比，滿(mǎn)足多樣化需求的個(gè)性化制造本質(zhì)上是高成本的。信息化增材制造與采用常規(guī)制造技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足多樣化和個(gè)性化需求相比，成本已經(jīng)得到了極大的降低，但同批量化制造相比其成本仍然更高。因此，除了在新品研制和航空航天等可以承受較高制造成本的高端領(lǐng)域外，激光立體成形技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展還受到較大的限制。但任何新技術(shù)的發(fā)展都有一個(gè)從初期的高成本逐漸降至低成本的過(guò)程。激光立體成形有進(jìn)一步降低制造成本的廣闊空間。一方面，激光器及其運(yùn)行成本在不斷降低；另一方面，隨著人力成本越來(lái)越高，激光立體成形相對(duì)于需要大量人力的傳統(tǒng)加工技術(shù)的成本會(huì)變得越來(lái)越低。在現(xiàn)階段，激光立體成形還主要是在要求高性能、小批量、快速反應(yīng)的零件生產(chǎn)的場(chǎng)合具有競(jìng)爭(zhēng)力，而未來(lái)在批量生產(chǎn)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)逐漸增強(qiáng)。

　　增材制造/激光立體成形技術(shù)

　　的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　近年來(lái)，激光立體成形技術(shù)得到發(fā)達(dá)國(guó)家政府、大企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的高度重視。作為美國(guó)制造業(yè)振興計(jì)劃 “We Can， t Wait”項(xiàng)目的一部分,美國(guó)政府于2013年8月高調(diào)宣布成立國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所（NAMII ：National Additive Manufacturing Innovation Institute ），其第一階段的政府和民間投資為7000萬(wàn)美元。奧巴馬總統(tǒng)強(qiáng)調(diào)這個(gè)研究所的成立是強(qiáng)化美國(guó)制造業(yè)的步驟。在空客于2006年啟動(dòng)的集成機(jī)翼計(jì)劃（Integrated Wing ATVP，第一階段總經(jīng)費(fèi)3400萬(wàn)英鎊）中，英國(guó)焊接研究所（TWI）承擔(dān)起落架激光成形研發(fā)工作，經(jīng)費(fèi)400萬(wàn)英鎊，TWI為此建立了兩套激光成形裝備。南非科技與工業(yè)研究院（CSIR）下屬的國(guó)家激光中心與南非航空制造公司Aerosud將合作開(kāi)展Aeroswift項(xiàng)目研究。Aeroswift的目標(biāo)是，自主開(kāi)發(fā)高速度、大體積的高性能金屬零件激光添加材料制造（LAM）系統(tǒng)，為全球航空工業(yè)制造鈦金屬材料配件，并力爭(zhēng)在未來(lái)三年內(nèi)，使Aerosud成為全球航空結(jié)構(gòu)材料制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。Aeroswift的目標(biāo)是直接加工2m×0.5m×0.5m的零件。為此，南非科技部已經(jīng)投入了2800萬(wàn)蘭特（約合1712萬(wàn)元人民幣），并且預(yù)計(jì)他們的LAM制造體系將在2012年底至2013年初完成組建和試驗(yàn)工作，然后開(kāi)始優(yōu)化和工藝鑒定，希望從2015年開(kāi)始全面生產(chǎn)。

　　美國(guó)波音公司、洛克希德·馬丁公司、通用電氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Los Alomos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、歐洲EADS公司、英國(guó)羅羅公司、法國(guó)SAFRAN公司、意大利AVIO公司、加拿大國(guó)家研究院、澳大利亞國(guó)家科學(xué)研究中心等大型公司和國(guó)家研究機(jī)構(gòu)都對(duì)激光立體成形技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)展了大量研究工作。參與這項(xiàng)研究的世界著名大學(xué)更是數(shù)不勝數(shù)。

　　值得注意的是，美國(guó)軍方對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展給予了相當(dāng)大的關(guān)注，在其直接支持下，美國(guó)于2000年率先將這一先進(jìn)技術(shù)實(shí)用化。應(yīng)用目標(biāo)包括先進(jìn)飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)件如鈦合金支架、吊耳、框、梁等，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件如鎳基高溫合金單晶葉片，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、超音速飛行器的薄壁結(jié)構(gòu)件如導(dǎo)彈制導(dǎo)部外殼座、導(dǎo)彈姿態(tài)控制系統(tǒng)的錸燃燒室等。2002年10月該公司獲得美國(guó)國(guó)防部后勤局（U. S. Defense Logistics Agency）出資1940萬(wàn)美元，資助AeroMet公司由單純的技術(shù)研究開(kāi)發(fā)到成為軍用及民用飛機(jī)的通過(guò)認(rèn)證的、性能可靠的鈦合金結(jié)構(gòu)件激光立體成形制造供應(yīng)商的轉(zhuǎn)變。

　　我國(guó)在激光立體成形技術(shù)領(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平。西北工業(yè)大學(xué)于1995年開(kāi)始在國(guó)內(nèi)率先提出以獲得極高（相當(dāng)于鍛件）性能構(gòu)件為目標(biāo)的激光立體成形的技術(shù)構(gòu)思，并在迄今17年的時(shí)間里持續(xù)進(jìn)行了激光立體成形技術(shù)的系統(tǒng)化研究工作，形成了包括材料、工藝、裝備和應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的完整的技術(shù)體系。針對(duì)航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)件高性能、輕量化、整體化、精密成形技術(shù)的迫切需求，開(kāi)展了鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼和梯度材料激光立體成形工藝研究，突破結(jié)構(gòu)件的輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度、整體化成形，應(yīng)力變形與冶金質(zhì)量控制，成形件組織性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。激光成形和修復(fù)了大量飛機(jī)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，解決了飛機(jī)任務(wù)研制過(guò)程中迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，為飛機(jī)研制與生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)保障。針對(duì)大型鈦合金構(gòu)件的激光立體成形，解決了大型構(gòu)件變形控制、幾何尺寸控制、冶金質(zhì)量控制、系統(tǒng)裝備等方面的一系列難題，并試制成功C919大飛機(jī)翼肋TC4上、下緣條構(gòu)件，該類(lèi)零件尺寸達(dá)450mm×350mm×3000mm（圖1），成形后長(zhǎng)時(shí)間放置后的最大變形量小于1mm，靜載力學(xué)性能的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1%，疲勞性能也優(yōu)于同類(lèi)鍛件的性能。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#而專(zhuān)用于先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的激光成形修復(fù)裝備可以修復(fù)尺寸達(dá)5000mm×600mm×3000mm的零件。激光組合制造和成形修復(fù)在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的研究和應(yīng)用還包括大型機(jī)械裝備關(guān)鍵零件的高性能快速修復(fù)和口腔金屬植入體的成形和醫(yī)學(xué)臨床研究。在激光立體成形工藝裝備建設(shè)方面取得重大突破，實(shí)現(xiàn)我國(guó)商用激光立體成形工藝裝備制造的零突破。截至2012年，西工大向航空航天領(lǐng)域內(nèi)國(guó)家大型企業(yè)和研究院所，以及GE中國(guó)研究中心提供了5臺(tái)激光立體成形與修復(fù)裝備，在領(lǐng)域內(nèi)形成較大影響力。在激光立體成形裝備方面，國(guó)內(nèi)除西工大外，目前沒(méi)有其他單位提供過(guò)商用化激光立體成形裝備。目前，西北工業(yè)大學(xué)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了系列固定式和移動(dòng)式激光立體成形工藝裝備。針對(duì)不同應(yīng)用特點(diǎn)，分別采用CO2氣體激光器，YAG固體激光器，光纖激光器和半導(dǎo)體激光器，成形氣氛中氧含量可控制在10ppm以?xún)?nèi)，具有熔池溫度、尺寸和沉積層高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋控制系統(tǒng)，配備自主開(kāi)發(fā)的材料送進(jìn)裝置、成形CAPP/CAM及集成控制軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)各種金屬材料，包括高活性的鈦合金、鋁合金和鋯合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的無(wú)模具、快速、近凈成形以及修復(fù)再制造。圖2顯示了西北工業(yè)大學(xué)所研發(fā)的LSF-V型激光立體成形與修復(fù)再制造商用裝備。表1比較了目前國(guó)際上技術(shù)成熟度比較高的商業(yè)化激光立體成形裝備的主要特性?？梢钥吹?，西北工業(yè)大學(xué)所研制的LSF系列激光立體成形裝備多項(xiàng)指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　成形修復(fù)是激光立體成形技術(shù)受到高度重視的發(fā)展方向。有一個(gè)十分值得關(guān)注的趨勢(shì)是成形修復(fù)技術(shù)。雖然激光立體成形技術(shù)最初主要是作為一種致密金屬零件的高性能快速制造技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的，但工業(yè)界卻越來(lái)越關(guān)注它作為一種高性能成形修復(fù)技術(shù)的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。除了航空航天領(lǐng)域外，機(jī)械、能源、船舶等領(lǐng)域的大型裝備的高性能快速修復(fù)都對(duì)激光立體成形技術(shù)提出了迫切的需求。據(jù)報(bào)道，美國(guó)采用激光立體成形技術(shù)維護(hù)的軍事裝備資產(chǎn)達(dá)40億美元/年，其包括飛機(jī)、陸基和?；到y(tǒng)都配備了激光立體成形系統(tǒng)。以制造成本高昂的整體葉盤(pán)為例，近幾年來(lái)包括美國(guó)GE公司、美國(guó)H&R Technology 公司、Optomec公司以及德國(guó)Fraunhofer激光技術(shù)研究所在內(nèi)的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了整體葉盤(pán)的激光成形修復(fù)技術(shù)研究。2009年3月，作為美國(guó)激光修復(fù)技術(shù)商用化推進(jìn)領(lǐng)頭羊的Optomec公司宣稱(chēng)其采用激光成形修復(fù)技術(shù)修復(fù)的T700整體葉盤(pán)通過(guò)了軍方的振動(dòng)疲勞驗(yàn)證試驗(yàn)。美軍已經(jīng)在其“野戰(zhàn)零件醫(yī)院”中列裝了激光立體成形裝備，用于在靠近現(xiàn)場(chǎng)需要位置快速制造戰(zhàn)損裝備所需金屬零件。這些激光立體成形裝備已分別布置在科威特、伊拉克和阿富汗的軍事基地。

　　基于激光立體成形的激光組合制造技術(shù)是重要的技術(shù)發(fā)展方向。同鍛造、鑄造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合，形成激光組合制造技術(shù)，是激光立體成形技術(shù)一個(gè)十分重要的技術(shù)發(fā)展方向。沒(méi)有任何一項(xiàng)技術(shù)是十全十美，足以覆蓋任何工藝需求的，而相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短則是最適當(dāng)?shù)倪x擇。激光立體成形技術(shù)的工藝靈活性和柔性化的特點(diǎn)，使得以其為基礎(chǔ)發(fā)展激光組合制造技術(shù)具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。最為重要的是，激光立體成形技術(shù)可以把異質(zhì)材料結(jié)合成一個(gè)高性能的整體構(gòu)件，這是激光組合制造的技術(shù)思路具有實(shí)用性的必要基礎(chǔ)。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用激光立體成形技術(shù)開(kāi)展了“Feature Addition”（可理解為“特征結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)制造”）研究，在機(jī)械加工的盤(pán)上激光直接沉積薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電子裝置支架的激光復(fù)合制造。對(duì)于此類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件，傳統(tǒng)的鑄造成形工藝存在的以下幾個(gè)主要問(wèn)題：由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造本身工藝?yán)щy；制造周期長(zhǎng)，如電子裝置支架的鑄造周期長(zhǎng)達(dá)52周；制造成本高。采用激光組合制造后該結(jié)構(gòu)件的制造周期縮短為3周，成本降低65%，同時(shí)結(jié)構(gòu)件的重量得以減輕。

　　進(jìn)一步深化激光立體成形技術(shù)在材料、工藝和裝備等方面的基礎(chǔ)性研究，對(duì)于支撐激光立體成形技術(shù)的進(jìn)一步快速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用具有重要作用。這一特點(diǎn)同激光立體成形是一個(gè)涉及到激光、機(jī)械、數(shù)控、材料的多學(xué)科交叉的新技術(shù)有關(guān)。通過(guò)整合形成一支具備上述多學(xué)科能力的高水平研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)影響激光立體成形進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究，這對(duì)于激光立體成形技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

　　優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域或重點(diǎn)研究方向建議

　　激光立體成形的材料、工藝的基礎(chǔ)研究和工程化研究。激光立體成形是一個(gè)涉及激光、機(jī)械、數(shù)控、材料等的多學(xué)科交叉新技術(shù)，并且發(fā)展時(shí)間很短，相對(duì)于鑄、鍛、焊、粉末冶金、機(jī)械加工等傳統(tǒng)的制造技術(shù)而言，其技術(shù)成熟度還有顯著差距，需要開(kāi)展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和工程化研究工作，這是使激光立體成形技術(shù)得以在工業(yè)與科技實(shí)踐中廣泛應(yīng)用的必要基礎(chǔ)，也是使我國(guó)在這項(xiàng)占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)的新技術(shù)方面與西方發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展中保持同步以至于爭(zhēng)取領(lǐng)先所必須堅(jiān)持的。

　　先進(jìn)裝備技術(shù)。任何先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)必然以先進(jìn)的裝備技術(shù)作為其集中體現(xiàn)。激光立體成形裝備涉及到激光、機(jī)械、數(shù)控、工藝軟件設(shè)計(jì)、溫度與化學(xué)環(huán)境檢測(cè)與控制、成形材料特性等許多方面因素的交互作用與技術(shù)集成，需要高度專(zhuān)業(yè)化的團(tuán)隊(duì)與技術(shù)條件的密切協(xié)同，才能設(shè)計(jì)制造出高水平的裝備。具備高水平激光立體成形裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，也是我國(guó)必須在增材制造技術(shù)領(lǐng)域必須發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

　　高性能激光成形修復(fù)再制造技術(shù)。高性能激光成形修復(fù)再制造的市場(chǎng)需求可能比直接成形的市場(chǎng)需求要廣闊得多，未來(lái)的社會(huì)發(fā)展必然越來(lái)越強(qiáng)調(diào)材料、資源的高度節(jié)約與循環(huán)利用，這方面的發(fā)展需要及早規(guī)劃安排。

　　激光組合制造技術(shù)。激光組合制造能夠更充分發(fā)揮增材制造技術(shù)作為信息化時(shí)代的代表性技術(shù)的特征。如果我們以激光立體成形技術(shù)為核心，結(jié)合各種傳統(tǒng)制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，回避各種技術(shù)的短處，必將迎來(lái)信息化時(shí)代制造技術(shù)的跨越式發(fā)展。