国外国防领域武器装备研制中增材制造技术应用现状分析

增材制造技术是能够从零件三维CAD模型快速直接成形各种复杂结构零部件的一种新兴前沿技术，自20世纪80年代后期发展起来，被认为是制造技术领域的一次重大突破。近年来随着相关工艺技术的发展日益成熟，增材制造显现出良好的军事应用前景，在武器装备复杂整体构件创新设计与制造、零部件快速生产、全武器系统制造等方面展现出重要的应用价值和潜力。

1 复杂整体构件创新设计与制造

增材制造技术的一个重要优势是能够制造一些传统工艺无法生产或很难生产的构件，如加工具有盲区结构特征的零件以及结构非常复杂的零件，或是可实现将由多个零部件组装的复杂部件重新设计为单一部件，从而实现显著减少零部件数量，降低产品重量、减少原材料消耗、缩短生产时间、提高零部件功能和质量等目的。当前国外航空航天领域已经在积极研究利用增材制造实现飞机、火箭等结构件减重，利用增材制造技术优势，促进武器装备的创新设计。

（1）用于火箭发动机喷嘴、燃烧室等零部件制造，促进火箭复杂构件的创新设计。

  

图1 技术人员对3D打印的POGO储能器组件进行检测

  

图2 事隆航空公司的Cessna Denali飞机

美国航空航天局（NASA）、美国太空探索技术公司等机构近年来一直致力于将3D打印技术用于火箭发动机喷嘴、燃烧室等零部件/部件制造，这种新型制造技术扩大了设计空间，不仅可以将由多个零部件组装的复杂部件重新设计为单一部件，显著减少零部件数量，还可设计制造出传统机械加工或铸造方法无法实现的几何形状，有效促进火箭复杂构件的创新设计。2015年，NASA成功对一台采用多个3D打印复杂部件的火箭发动机进行了测试，该火箭发动机的涡轮泵、喷油器和阀门等复杂零部件均采用选择性激光熔融工艺制造，与采用传统的焊接和装配工艺制造的涡轮泵相比，3D打印的涡轮泵零部件数量减少了45%，而喷油器则比传统方法减少了200多个零部件，并且其性能也是采用其他方法无法实现的。对于阀门的制造，采用了更有效的设计结构，使其性能得到大幅优化，且生产周期时间从传统制造方法需一年以上缩短为采用3D打印技术的仅需几个月。2017年，NASA成功测试了首台由铬镍铁合金和铜合金3D打印制成的火箭发动机点火器，实现了多金属3D打印部件的技术突破。NASA研制的点火器选用两种不同合金，采用一种被称为“自动化喷粉激光沉积”的独特的混合3D打印技术制成的单一整体部件，较传统方法将四个不同组件利用钎焊工艺焊接而成的点火器，使制造成本可降低1/3，制造周期缩减50%。NASA与AeroJet Rocketdyne合作，成功完成带有最大3D打印组件的火箭发动机的点火测试，该发动机采用了3D打印POGO储能器组件——一种复杂的减振装置（见图1），用于低压和高压液氧涡轮泵之间的发动机氧化器系统中，其作用是抑制推进剂流动引起的振动，因为振动可能会火箭外壳造成损坏，对飞行安全产生重大影响。3D打印技术的应用，极大减少了零部件数量，提高了设计灵活性，缩短了研发周期时间，降低了发动机总制造成本。美国太空探索技术公司火箭实验室在新型火箭发动机Rutherford的制造中采用电子束熔融技术制造了发动机的燃烧室、喷油器、涡轮泵、主推进剂输送阀等，通过采用3D打印技术，为设计人员提供了更大的设计自由度，可对上述复杂零件的设计迅速做出更改，制造新零件的时间由数周或数月缩短到数天，由此大幅提升了创新设计速率。美国联合发射联盟（ULA）公司也采用了3D打印技术制造火箭零件。首枚Atlas V的环境冷却系统通道配件就是采用熔融沉积成型技术和Ultem9085热塑性材料制造的。ULA的环控系统通道目前采用铝合金制造，由140个零件装配而成，使用熔融沉积成型技术代替后仅用16个零件即可装配完成，减轻了重量和成本。

（2）用于飞机结构件制造，减少零部件/部件数量，助力飞机向轻量化方向发展。

NASA马歇尔航天飞行中心近年来一直积极探索将激光选区熔化成形（SLM）技术用于多个型号航天发动机复杂金属零件样件的制造，这种制造工艺可以直接实现计算机辅助设计三维复杂结构件的高性能高精度的整体制造，同时大大降低零件制造时间与加工成本。J-2X是太空发射系统的上面级发动机，其燃气发生器导管为GH625高温合金材料。为了防止燃烧不稳定，导管呈大曲率、小弯曲半径结构特点，传统方法只能通过分部制造+焊接工艺实现制造，这影响了产品整体可靠性的进一步提高。为解决上述问题，NASA马歇尔航天飞行中心采用SLM技术实现了导管的整体制造（见图4），该导管进行了发动机热试车测试，性能良好。RS-25是太空发射系统的一级发动机，其发动机缓冲器传统加工方式需要9个月，通过SLM技术只需9天即完成了改产品的成形（见图5），极大缩短了研制周期。2013年，马歇尔航天飞行中心采用SLM技术实现了J-2X喷嘴的成形及热试车（见图6），试车结果良好。通过该技术，单个喷嘴的研制费用从10000美元降低为5000美元，研制周期从6个月缩短为数星期。NASA还率先采用增材制造技术制造出全尺寸铜合金火箭发动机燃烧室内衬，该零部件选用GRCo-84铜合金粉末材料，利用选择性激光熔融（SLM）设备熔合了8255层铜合金粉末，在10天零18个小时的时间内就制造出了火箭发动机燃烧室内衬，且经过相关测试，该发动机燃烧室内衬可以承受燃烧室内超冷推进剂被混合并加热到将火箭送到太空所需的极端温度。

  

图3 采用3D打印的卫星天线支架

2016年，美国海军完成了三叉戟 II（Trident II D5/UGM-133A）潜射弹道导弹的第160次试射，并在飞行试验中测试了首个使用3D打印技术生产的导弹部件2.5cm长的铝制连接器后盖（见图8）。洛克希德·马丁公司的工程师采用全数字化流程，只用了传统工艺一半的时间就打印制造出了这种保护线缆连接器用的铝合金后盖。

随着3D打印技术在太空制造领域中的应用越来越广泛，卫星零部件的3D打印已经成为当前研究与应用的热点。空客防务及航天公司与欧洲宇航防务集团合作，采用EOS公司的EOSINT M280打印机制造了卫星用钛合金支架。目前每颗卫星需三个支架，作为卫星主体与碳纤维反射器和馈电天线阵之间的连接件。通常常规金属切削的办法制造卫星支架无法满足空客防务及航天公司的要求，因为设计上的限制阻碍了部件重量和应力的优化。此外，选用传统方法制造非常耗时，且也需要降低成本。选取钛金属为原料，通过采用3D打印技术制造卫星支架，不仅整个结构耐极端温度变化性能得到提升，能更好满足天空环境要求，且每个支架的制造成本节约近20%，重量减轻约0.3kg，每颗卫星所需三个支架总制造时间从一个月缩减到不足五天，总重量减轻近1kg。2016年，法国Thales Alenia宇航公司与3D打印服务公司Poly-Shape合作，选用Poly-Shape公司的Concept Laser Xline 1000R 3D打印机（尺寸为630mm×400mm×500mm） 制造了韩国新型通信卫星Koreasat-5A和Koreasat-7用大型支撑结构件——天线支架（见图3），作为基本的地面通信天线支撑构件，同时安装在这两款通信卫星上。该天线支架由AISi7Mg合金制造，采用粉末床熔融金属3D打印技术，用高功率激光熔化金属粉末制成3D形状，重量仅有1.13kg，与通常用于通信天线上的铝合金支撑结构相比，该支撑结构重量更轻，其尺寸达447mm×204.5mm×391mm，被认为是欧洲迄今为止3D打印制造的最大的卫星部件。该天线支架采用了创新的生物设计，并通过了所有振动验收试验，表明其能满足太空极端环境中的应用需求。3D打印技术的应用，不仅可降低天线支架的重量和成本，所需零部件数量从9个缩减到1个，消除装配过程的成本和时间，6天就可完成该卫星支架的制造。

2 零部件快速生产

采用增材制造技术直接成形武器装备金属构件是当前国外国防工业非常关注的研究与应用方向，国外大型军工企业集团在金属增材制造技术产业化发展过程中起到重要的引领作用，特别是对航空航天工业应用更是已经深耕多年，在航天发动机构件、飞机大型复杂金属构件等方面的研究与应用方面已取得大量成果，并在向批量生产迈进。

（1）增材制造技术在航天发动机复杂结构金属零部件制造中应用成效显著。

  

图4 J-2X 燃气发生器导管

  

图5 RS-25 发动机缓冲器

  

图6 J-2X喷嘴

GE航空、空客等国外知名航空企业、科研机构积极研发及推广应用飞机构件的3D打印技术，近年来已取得显著成效。2016年，GE公司在为德事隆航空公司的Cessna Denali新型商务飞机（见图2）制造的发动机中，采用了多个3D打印的零部件，该飞机的发动机采用全新的设计，如：通过采用几个具有复杂几何形状的3D打印钛或钢金属部件，来代替数以百计的单个零件等，实现飞机减重的同时，极大降低了燃油消耗。2016年，空客与Autodesk、APWorks、Living公司合作，采用增材制造技术制造了名为“仿生隔断壁”的飞机座舱零件——隔断（用于将座位区与飞机上的配餐间分开的壁板，并用来固定驾驶舱人员使用的弹跳座椅）。隔断采用由空客专门从事增材制造和先进材料研究的子公司APWorks开发的被称为Scalmalloy的增材制造专用材料——第二代铝-镁-钪合金，Scalmalloy具有杰出的机械性能，首次用于大尺寸飞机内部零件的制造。隔断采用酷似蜂窝结构和骨骼生长的设计，较传统制造方法，这种仿生隔断重量轻45%（30kg），且结构强度更高，如果用于整个驾驶舱和目前的A320飞机的制造，每年可减少46.5万吨二氧化碳的排放，等同于每年减少9.6万辆客车。

2016年，美国Orbital ATK公司在NASA兰利研究中心成功测试了SLM成形的高超音速发动机燃烧室（见图9）。在20天的测试过程中，燃烧室经受住了各种高温高超声速飞行条件的测试，包括此类装置有记录以来时间最长的连续推进风洞测试。此项测试的成功使Orbital ATK公司在设计新的燃烧室方面打开了更广阔的空间。通过增材制造，不仅可以优化几何形状、集成功能组件，完成传统方式不能实现的加工，同时也可降低成本，缩短研制周期。

  

图7 导弹火箭推进器

  

图8 三叉戟II导弹连接器后盖

  

图9 高超声速飞行器及3D打印典型零件

公司一切进入正轨，许多事情都不用周桥亲力亲为，他只需最后拍板，按理说他应该开心才对，但事实恰好相反，他什么事情都要操心，员工们给的意见他也不爱听，总觉得属下不听他的话。

雷神、洛马等国外知名导弹制造商近年来也都纷纷开始探索增材制造技术在导弹研制生产中的应用，取得一定成效。2015年7月，美国雷神公司尝试使用3D打印技术制造导弹，包括3D打印电子电路，以及使用3D打印技术开发爱国者空气导弹防御系统。雷神公司目前已能够通过3D打印技术制造完整可用导弹80%的部件（见图7）。

（3）用于卫星复杂支撑构件制造，变革传统设计结构，满足太空极端环境应用需求。

（3）增材制造技术在卫星系统制造中应用，未来应用潜力巨大。

高潮听着梅宏图的发言，心里面一直在冷笑。靠，什么叫冠冕堂皇？这就是；什么叫道貌岸然？这就是；什么叫黑白颠倒？这就是……

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（2）增材制造技术开始在导弹研制生产中应用，对于实现精准控制、提高杀伤力潜力巨大。

当遇枯水年，为保证洪泽湖周边及下游地区用水户现状用水利益不受破坏，湖水位较低时，将停止抽水北调出省。为此，根据现有调水工程体系及多年的调度运用实践，拟定洪泽湖北调控制水位，一般情况下，当湖水位低于北调控制水位时，停止抽洪泽湖蓄水北调出省。洪泽湖北调控制水位为：7—8月为12.5 m；9—10月为 13.0～13.5 m；11—2 月为 13.5 m；3—6月为 13.5～13.0 m。

Aerojet Rocketdyne成功完成了对MPS-120CubeSat高冲击可适应模块推进系统（简称MPS-120）的点火试验，这也是该公司首次3D打印的肼集成推进系统（见图10），其设计目标是为微型CubeSat卫星提供动力。MPS-120系统包括4个小型火箭发动机和输送系统组件，1个3D打印的钛活塞、推进剂贮箱和压力箱。3D打印本系统仅用了1个星期，组装只用了2天时间，大大缩短了研制周期。2016年，俄罗斯首个增材制造的立方体卫星（CubeSat）Tomsk-TPU-120搭载其太空货运飞船Progress MS-02成功进入太空，该卫星由托木斯克理工大学（TPU）设计并制造，卫星外壳采用了俄罗斯宇航局（ROSCOSMOS）批准的材料3D打印而成，电池组的外壳采用氧化锆陶瓷，尺寸为300mm×100mm×100mm，是1颗标准的立方体卫星，这也是世界首次将增材制造的卫星系统送入太空。

（4）增材制造技术在飞机制造中得到更为广泛的应用，降本增效显著。

  

图10 MPS-120推进系统

罗罗、BAE系统公司、空客、波音等国外知名航空企业近年来在飞机制造中应用增材制造技术越来越广泛，降本增效显著。英国罗罗公司在其最新超强动力发动机遄达XWB-97上采用了世界现役飞机中最大的3D打印钛合金前轴承座，直径1.5米，长0.5米，首飞获得成功，生产效率提高1/3，交货周期缩短30%。英国克兰菲尔德大学和英国BAE系统公司合作，采用一种特定的金属丝电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM）制造了长1.2米的飞机翼梁，整个制造过程历时37个小时。空客A350XWB飞机选用挪威钛业（NTi）公司3D打印制造的Ti-6Al-4V结构组件。NTi公司使用其快速等离子沉积（RPD）技术生产出样件后，由空客旗下德国优质航空技术公司法勒尔工厂精加工。空客公司采用Stratasys的3D打印技术生产了超过1000个飞机零部件，并将其用于A350XWB飞机上，以取代传统工艺制造的零部件。这些零部件采用Ultem9085树脂材料，利用熔融沉积成型（FDM）工艺制造而成。该种树脂材料能够实现较高的强度重量比，并且也能满足FST（火焰，烟雾和毒性）要求。这种方法制造的零部件不仅重量更轻，且强度也很高，能够在缩短生产周期的同时降低生产成本。波音公司很早就在F/A-18战斗机生产中采用了选择性激光烧结技术（SLS）制造的异形风道，当前还在利用最新SLS设备为AH-64D阿帕奇“长弓”直升机生产DuraForm（一种类橡胶）材料非承载零件（如管道或整流罩），这些零件很少或不再需要零件图和后续制造工序。近年来波音又利用增材制造技术生产了大约300种不同的飞机零部件，如以往批量小、成本高、形状复杂的电子设备用导管。由于不再需要使用传统的螺丝来组合零部件，增材制造最多可以将零部件的重量降低30%，从而可大量节约燃油成本。通用电气（GE）公司采用电子束熔融（EBM）技术制造GEnx发动机轻质低压涡轮叶片，该技术由瑞典Arcam公司和意大利Avio公司（通用电气航空公司下属企业）共同开发，采用电子束熔融金属粉末。低压涡轮叶片材料选用TiAl金属间化合物，该材料比常规使用的镍基高温合金轻50%，采用该种材料制成的低压涡轮叶片减重可达20%，从而极大降低燃油消耗。

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3 全武器系统制造

随着3D打印技术及设备的不断创新和优化，该技术在武器装备中的应用范围从一次加工出致密度、表面光洁度、耐高温等性能更优异的复杂部件向全武器系统制造方向发展。雷神公司从2015开始就尝试探索3D打印导弹构件，并力争将3D打印技术补充或取代传统生产制造工艺，实现整个导弹的3D打印制造；2017年，美国陆军已采用3D打印技术制造了榴弹发射器（见图11），并成功通过陆军远程发射测试。与其它3D打印武器不同，除了弹簧和紧固件外，该种用于测试的榴弹发射器几乎完全是采用3D打印制造，与传统制造方法相比，3D打印技术极大节约了原材料和劳动力成本，缩短了制造周期时间。测试成功表明3D打印在武器原型系统开发方面极具应用潜力。美国橡树岭国家实验室（ORNL）与海军颠覆性技术（Disruptive Technology）实验室合作开发出美军首个3D打印的潜艇艇体原型（见图12），这是迄今为止海军通过3D打印建造的最大的潜艇艇体，该艇体由碳纤维复合材料制造，长约9.14米，采用ORNL的大面积增材制造（BAAM）技术、耗时不到四周打印而成。与传统方法相比，BAAM技术极大缩短了潜艇制造周期，显著降低成本达90%，这对于未来潜艇的制造具有重要意义。目前，美国海军已计划建造第二艘潜艇，并进行下水测试。O’Qualia公司推出首架全3D打印的固定翼无人机Captor，为了能满足不同用户的需求，Captor采用模块化设计，翼展800mm，最大起飞重量3.5kg，有效载荷450g，经过精密的装配，该飞行器机身和载荷舱的耐久度可以得到有效的保证。该无人机的设计有四个部分，各个部分都被优化隔离，以保障每个采用熔融沉积成型（FDM）工艺制造的零部件的强度和弹性。此外，该款无人机的四个部分都可以快速组装或拆卸，以适应环境或应用变化。Captor是首个完全用制造的无人机。

  

图11 美国陆军采用3D打印技术制造的榴弹发射器

  

图12 美军首个3D打印的潜艇艇体原型

4 结语

随着适用材料不断扩展、加工能力不断提高，增材制造从最初被用于原型样件制造，发展到越来越多地应用于零部件直接制造，甚至是全武器系统制造，在生产小批量、高价值、高复杂性产品方面展现出成本、效率和质量的突出优势。实践表明，近年来随着相关工艺技术的发展日益成熟，增材制造正在逐渐成为传统加工制造的重要补充，重要的应用价值，显现出良好的军事应用前景。