金属增材制造工艺的种类繁多，3D打印技术参考介绍过的就不下十种。这些工艺每种都具有各自的优势和挑战，哪一种最适合航空航天领域的应用，其实在这个行业内部也会有探索的过程。总的来说，粉末床熔融、定向能量沉积和各种固态工艺是最为常见的金属增材制造工艺类型。

金属3D打印背后的制造过程不仅仅是打印零件，设计和预处理、材料、后处理、组装和检测以及认证都是增材制造过程中的重要环节，对能否制造出满足性能和任务要求的组件、实现最终目标至关重要。NASA的工程师总结了航空航天领域金属增材制造工艺的选择原则，涉及航空航天部件的整个生命周期。

增材制造航空航天部件迭代生命周期中的主要工艺步骤

航空航天增材制造的生命周期包括设计和预处理、建造过程（包括工艺参数和原料）、后处理以及在役零件的安全认证。这些环节对流程选择以及不同工艺下的步骤数量和零件性能均会产生影响，并关乎能否实现最终应用。

1. 设计和预处理

设计步骤不仅包括典型的设计过程，还包括增材制造和模型验证设计，确保导出的模型与原始设计意图相匹配。在制造之前，设计和预处理步骤可能在增材制造生命周期中进行大量迭代。在设计中必须考虑增材制造生命周期中的所有后续步骤，包括用于夹具、加工基准、用于粉末去除的端口或用于精加工操作（如抛光）的尺寸特征大小。整个增材制造过程应该概念化，并将设计包括在内，以最大限度地减少成本和迭代。

2. 建造过程

不同3D打印工艺通常具有不同的能量源、输入参数和材料要求。当前已经在使用的增材制造工艺包括粉末床熔融(PBF)、定向能量沉积(DED) 和其他固态工艺，如冷喷涂、搅拌摩擦焊以及超声波增材制造(3D打印技术参考往期均有介绍)。这些工艺已用于维修、涂层和自由零件成型制造，但每种工艺都有独特的优势和局限性。尽管整个行业已经有很多应用案例，但使用的主要工艺仍然局限于基于激光的粉末床熔融、线材和粉末沉积。每种增材制造工艺的应用案例都在迅速增加，并且互为补充或结合使用，最大限度地降低整体零件的成本、获得所需的性能。

用于航空航天应用的初级金属增材制造工艺

由于3D打印技术参考此前对以上工艺基本均做过分析，本文内容将不再赘述，只对分类进行介绍。NASA将金属增材制造工艺类型按照冶金现象分为熔化成型和未熔化成型两大类。其中，存在熔化过程的工艺按照材料的输入状态分为粉末床熔化（PBF）和直接能量沉积（DED），PBF按照能量源分为激光熔化与电子束熔化两种；DED按照材料状态分为送粉式（powder）和送丝式（wire），按照能量源又分为激光粉末沉积、激光线材沉积、电弧线材沉积、电子束线材沉积。未熔化增材工艺实际上指的是固态成型过程，按照材料状态分为片材、板材和粉末，分别对应超声波焊接、搅拌摩擦焊以及冷喷涂，并延伸发展为增材制造工艺。

3. 后期处理

后处理对于确保每个零件都符合最终设计意图至关重要。通常涉及多个步骤，包括粉末去除、构建板与零件分离、支撑去除、热处理、检查、机加工、表面抛光以及可能需要的焊接等。适当的热处理可消除残余应力并改善材料性能。后处理将使零件达到必要的几何和性能要求，满足关键航空航天任务的集成、组装和最终要求，必须针对每个零件、材料和制造方法单独定制。

液体火箭发动机中使用的3D打印组件示例：(a) 带有内部通道的GRCop-42 L-PBF燃烧室(b) 沉积在GRCop-84燃烧室EBW-DED护套(c) Inconel 625 L-PBF喷射器(d) 在GRCop-42 L-PBF 腔室上冷喷涂NASA HR-1护套(e) 使用 L-PBF打印的燃油泵旋转组件(f) 使用JBK-75 LP-DED的全尺寸RS-25喷嘴衬里

4. 零件认证

最后，零件进入装配、检查、测试、最终资格认证以及全面生产计划阶段。此过程需要有丰富经验的工程师严格审查生命周期的前项个环节。虽然所有流程步骤都需要在设计阶段进行系统和整体的评估，但零件制造完成仍需要对材料、工艺稳定性和可靠性，后处理、数据支持、标准和协议等方面进行资质审查，为最终应用提供生产质量体系保障。

NASA已经使用每种增材制造工艺制造了各种飞行部件。航天工业一直热衷于采用各种增材制造工艺减少复杂零件的原型和生产交货时间。3D打印技术已经为高复杂度的部件提供了大批量的航空航天生产，如果采用传统制造技术是不可行的。目前，在主要的航空航天公司和许多初创企业中存在很多应用例，但L-PBF仍然是使用的主要工艺，其次是DED，包括基于激光的粉末和线材沉积技术。

本文是NASA航空航天应用经验总结系列文章总结的第一篇，后续将呈现更多精彩内容。

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