在民用领域，第一个应用这个技术的是日本佳能公司，他们在其的单反相机壳体上使用类似的技术制造镁铝合金的特殊曲面的顶盖。

　　自航空技术出现以后，中国航空工业就一直居于落后的地位，建国60年以来，我们学苏联、学美国、学欧洲，中国航空工业给人的印象就是差半截，落后XX年的。

　　3D打印技术目前在全球也是前沿技术和前沿应用，最尖端的航空工业对这种技术最为关注也最严谨，美国90年代中期就获得这类技术的工业尝试，但是他们一直称为近净成型加工技术，F－22,F－35都有应用，不过因为一些加工工艺等原因，美国也没有能大规模应用，但美国将这一技术一直作为先进制造技术而由美国国防高级研究计划局（DRAPA）牵头，组织美国30多家企业对这一技术长期研究。

　　在民用领域，第一个应用这个技术的是日本佳能公司，他们在其的单反相机壳体上使用类似的技术制造镁铝合金的特殊曲面的顶盖。航空工业中，洛克希德-马丁和波音公司都曾展示过类似的飞机大框，只是没有明确表示技术渠道。那么，中国如何取得这样的成果的呢？这些技术有什么优势和缺陷呢？

　　图为中国钛合金3D打印机制造的大型承力零件，在航空领域，中国激光钛合金成形技术已经得到了广泛的应用。

　　从金属制造和加工业来说，3D打印基本原理是将零件数字化模型进行空间网格化，通过像素化分解成为一个个空间点阵，然后利用金属微量熔融或烧结的沉积技术，将零件一层层堆积而成，它的成型原理类似于目前普遍使用的激光打印机，只是普通的激光打印机所打印的是平面图形，而3D打印则是通过累计一层一层的打印图形形成空间三维构型实体。

　　航空工业应用的3D打印主要集中在钛合金，铝锂合金，超高强度钢，高温合金等材料方面，这些材料基本都是强度高，化学性质稳定，不易成型加工，传统加工工艺成本高昂的类型。

　　最初出现的技术是来源于电子束焊接技术，电子束焊接是利用高能电子束在真空或者接近真空的环境中，直接熔融焊接材料体，电子束具有快速融化，可数字控制扫描，可快速移动的特点，因此，利用电子束快速扫描形成成型的熔融区，用金属丝按电子束扫描线步进放置在熔融区上，电子束熔融金属丝形成熔融金属沉积，这种技术叫做电子束熔化成型（Electronbeammelting，EBM），90年代美国麻省理工和普惠联合研发了这一技术，并利用它加工出大型涡轮盘件。

　　电子束快速数字成型技术的基础是当时电子束焊发展已经成熟，工业级电子束可达几十千瓦，能够熔融焊接厚度超过40～100mm的金属板，在堕性气体隔绝保护下，或真空状态下，电子束可以处理铝合金，钛合金，镍基高温合金等。

　　电子束熔化成型由于电子束聚焦点直径较大，加工过程中热效应较强，形成零件精度有限，它能获得比精密铸造更精确的零件胚形，可以减少约70～80％机械加工的工时及成本。

　　1984年，美国开发出从数字数据打印出3D物体的技术，并在2年后开发出第一台商业3D打印机。之所以叫“打印机”，是因为它借鉴了打印机的喷墨技术，只不过，普通的打印机是在纸上喷一层墨粉，形成二维(2D)文字或图形，而3D打印则能“打”出三维的立体实物来。

　　中国从90年代末期获得大功率电子束技术后积极开展了丝束增材成型的研究，2006年后正式成立电子束快速成型研究分部，在材料类型，快速稳定的熔融凝固，大型结构变形控制等方面取得进展，目前，已经能开始使用该技术生产飞机零件，并在一些重点型号的研制中得以应用。电子束快速成型技术目前还有一些技术难点尚待进一步研究，比如成型过程中废热高，金属构件中金相结构控制较为困难，特别是成型时间长，先凝固的部分经受的高温时间长，对金属晶态成长控制困难，进而引起大尺度构件应力复杂等等。

　　电子束成型对复杂腔体，扭转体，薄壁腔体等成型效果不佳，他的成形点阵精度在毫米级，所以成型以后仍然需要传统的精密机械加工，也需要传统的热处理，甚至锻造等等。

　　但电子束快速成型速度快，是目前3D金属打印类打印速度最快的，可达15KG／小时，设备工业化成熟度高，基本可由货架产品组合，生产线构建成本低，具有很强的工业普及基础，同时，电子束快速成型设备同时还能具有一定的焊接能力和金属构件表面修复能力，应用前景广泛。在发动机领域，目前美国和中国在电子束控制单晶金属近净形成型技术方面正积极研究，一旦获得突破，传统的单晶涡轮叶片生产困难和生产成本高的问题将获得极大的改善，从而大大提高航空发动机的性能，并对发动机研制改进等提供了极大的助力。

　　在2013年北京科博会现场展示的由北京航空航天大学团队主导的飞机钛合金大型复杂整体构件激光快速成型技术。

　　由于电子束成形精度受到电子束聚焦和扫描控制能力的限制，激光作为更高精度的能量介质引起高度重视，激光成形技术几乎是和电子束成形技术同步起步发展，但是，由于稳定的10KW以上级的大功率激光器到2008年才开始逐步工业化，所以激光成形技术在最近才出现喷涌的盛况。

　　激光数字成型技术主要有两个类别，一是激光近净成形制造（LENS）、金属直接沉积（DMD），这个类别的技术和电子束快速成型类似，也是利用控制扫描区域形成控制的熔融区，用金属丝或金属粉同步扫描点添加，金属熔融沉积，这项技术算电子束快速成型的高精度的进化成果，激光的扫描点阵精度可以比电子束高一个数量级，可以得到更高精度的零件，从而进一步减少材料的耗量和机械加工的需求，同时它还能保留电子束快速成型的打印速度快的优势。

　　这类区域熔融的技术需要大尺度的腔体提供零件加工所需的真空环境，这限制了加工零件的尺寸，激光熔融区的大小和功率直接相关，越大形的构件加工能力要求越高，由于电子束对金属的热效应深度比较大，而激光热效应深度较小，激光成形时胚体受热和散热状况要好于电子束，因此它能形成很薄的熔化区和更细密均匀的沉积构造，凝固过程中的金相结构更容易控制，热应力复杂度要低很多，可以制造更精确的形状和更复杂零件，也能制造较薄壁的零件类型。美国DRAPA，洛克希德先进制造技术中心，和飞利浦、宾州大学等于2013年演示的先进制造DM概念，就是基于这类技术基础。

　　目前主流的激光打印机是利用硒鼓静电吸附墨粉，激光扫描熔融墨粉形成图像的，这种打印方式精度可达300PPI，利用激光打印和粉末冶金技术结合，新一代的最有希望的最精密成型的技术是以直接金属激光烧结（Directmetallasersintering，DMLS）和选区激光烧结（selectivelasersintering，SLS）为代表的激光精密数字成形。这两者都是在基底铺设金属粉末，由激光扫瞄烧结，所不同的是，直接烧结是边铺粉边烧，而选区烧结是先铺整层粉末，然后激光扫描烧结，

　　这种烧结每次沉积厚度约20－100微米，通过反复多次的沉积最终获得三维立体的零件。激光精密成形的优点是精度高，成形点阵可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能够处理空腔，薄壁等复杂空间扭转体，和相互交叉穿透的复杂空腔和管路，几乎可以加工出直接应用的工业零件。

　　高精度激光烧结对激光的功率要求中等，烧结点温度虽然高，但是点阵小，每点阵金属熔融凝固量很少，全过程热释放低，材料胚体温度接近常温区，较少形成复杂的热应力情况，金属凝固形成的金相较为均匀细密，大多为细小的晶格态，类似于经过锻造的金属构件，获得金属零件强度略小于锻造机加件。

　　美国德州大学奥斯汀分院最早于1986年提出SLS的专利，由DTM公司提供商用设备，美国麻省理工1988年提出DMLS的概念和专利，但目前商用化设备主要的供应商都来源于欧洲，德国EOS略占优势，MTT公司和ConceptLaser公司也具有很强的竞争力。中国于1998年以后开始开展SLS方面的研究，2000年以后，随着商品化光纤激光器的成熟，国内在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和单位提出SLS技术应用化的专利，在航空领域因材料强度方面的问题，早期的应用主要在快速建立冶金应用模具方面。

　　2008年SLS技术在航空制造领域获得巨大进展，对钛合金的激光烧结成形产品首次在强度性能上接近锻造产品，2010年前后，SLS成型技术中激光冲击强化，热处理和快速淬火等技术领域取得理论方面的成果。

　　中国航空工业在1999年在航空制造研究所和航空材料研究所分别建立激光成形技术研究分部，并随后在北京航空航天大学、西北工业大学建立重点实验室，在这个领域与国际同步开展了一系列研究。2006年以后就开始有一系列产品进入试用阶段，2010年以后在大型构件的成形应力控制方面进展，开始向大型构件激光成形方面扩张，目前最大加工零件可达约5平米，居世界领先地位，与美国、欧洲等站在同一起跑线MM加工能力的设备销售，更大的加工尺度的产品可以定制。

　　3D打印概念的出现是一种制造工业领域性的新技术，目前的诸多成形手段和方法都有各自的具体优点和缺陷，在航空领域，选择烧结SLS技术看起来潜力最大，应用前景最广泛，它的材料适应范围最广，从铝合金、钛合金、高强度钢、高温合金到陶瓷都能处理，但是它属于微观粉末冶金的范畴，快速成形中，粉末冶金技术中因熔融——凝固过程过快，成形体中容易夹杂空穴，未完全熔融的粉末，胚体缺陷还有可能包括激光扫描线方向形成的熔融——凝固不均匀金相微观线状晶格排列，这些都会严重影响了成形件的强度。

　　目前激光选区成形的构件大多都只能达到同牌号金属铸造的强度水平，虽然这已经能让构件进入正常的应用领域，但显然要承担象飞机这样的主要结构受力构件还是有很大限制的。

　　直接金属激光烧结DMLS技术因为直接用激光熔融金属丝沉积，金属本身是致密体重熔，不易产生粉末冶金那样的成形时的空穴，这个技术生产的构件致密度可达99％以上，接近锻造的材料胚体，目前国际国内都主要利用这种技术制造高受力构件，它能达到同牌号金属最高强度的90～95％左右的水平，接近一般锻造构件。

　　目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必须经过表面的机械加工，去除表面多余的，不连续的，不光滑的金属，才能作为最终使用的零件，因此，尽管3D打印可以获得复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体，但是这些管路和腔体的机械加工很有可能无法进行，其零件的重量效率，管路流动效率等方面不一定能够满足实际需求，因此，尽管3D打印可能能一步直接完成很多复杂零件的成形，但其还不具备直接取代传统机械加工的能力。

　　直接成形的金属零件在生产过程中因为反复经受局部接近熔点温度受热，内部热应力状态复杂，在成形某些大型细长体，薄壁体金属构件时，应力处理和控制还不能满足要求，实际上到目前为止一直影响3D打印在航空业的应用也正是因为这个原因。

　　美国从1992年开始就不断利用这类技术希望能够直接生产飞机用的大型框架，粱绗，整体壁板等，正是因为应力复杂，大型构件成形过程中或成形后会产生严重变形，严重到无法使用。所以3D打印技术尽管很早就出现了，但国外航空工业界还持有相当的保守态度也是有原因的。

　　新的制造方法需要新的一系列处理工艺配合，3D打印目前只能算一丝曙光，真正达到大规模应用产生效益，还需要很长的时间发展和积累。

　　3D打印技术的出现是信息在攻克传统工业的最后堡垒的终结的冲锋号，因而引发了一系列的科学技术领域研究的新课题，激光粉末冶金，微沉积金相学，微观淬火、锻造，激光冲击强化等一系列机械制造，冶金等领域的课题将会让已经暮气沉沉的传统冶金科学，和制造科学领域重新充满发展的动力，在未来的数十年间，谁在这些技术领域获得应用化的实际成果，可能会影响和颠覆现有的制造工业的基本面貌。

　　大图为歼20战。