【深度】解密澳大利亚增材制造先锋

事件：2015年2月26日，在澳大利亚墨尔本市举行的阿瓦隆国际航空展上，莫纳什大学及旗下Amaero工程公司展出了一台完全用增材制造技术生产的涡轮发动机概念验证机，惊艳全场。该验证机是根据赛峰集团提供的一台辅助动力涡轮发动机设计的，研制团队共生产了两台，另一台现放置于赛峰集团微型涡轮公司内。

时间回到2年前，2013年2月25日，澳大利亚莫纳什大学增材制造中心挂牌成立，中心主任是莫纳什大学材料工程系吴鑫华教授，吴鑫华教授同时还担任澳大利亚联邦轻金属研究中心主任。挂牌伊始，团队就致力于使澳大利亚成为增材制造的全球领跑者。

一、莫纳什大学增材制造中心成立背景

1. 增材制造受到澳大利亚政府重视

澳大利亚政府制造特别工作组2012年发布《面向更智能的澳大利亚——更智能的制造》报告，将增材制造描述为澳大利亚未来制造发展的重要方向。莫纳什大学希望以此提升学校的先进制造研究水平，并且扩展同澳大利亚联邦科学与工业研究组织以及国内外工业界的合作。

2. 莫纳什大学在增材制造领域拥有良好的条件和资源

莫纳什大学是澳大利亚联邦轻金属研究中心的核心成员之一，拥有优秀的轻金属材料研究能力以及先进的增材制造设备，同时，拥有吴鑫华教授这样在轻金属材料领域具有世界知名度的专家。在增材制造技术研究方面，澳大利亚主要大学和研究机构均不具备莫纳什大学所拥有的条件和资源。

图 吴鑫华教授与展出的涡轮发动机验证机

3. 工业界对于增材制造技术拥有强烈的兴趣

空客公司、BAE系统公司、赛峰集团微型涡轮公司、欧洲宇航局、NASA兰利实验室等企业和研究机构与吴鑫华教授以及澳大利亚联邦轻金属研究中心长期进行轻金属材料领域的合作，它们对轻金属材料的增材制造技术表现出浓厚的兴趣，而且也是莫纳什大学增材制造中心未来的重要合作伙伴。

二、莫纳什大学增材制造中心研究方向

莫纳什大学增材制造中心主要从事轻金属粉末激光增材制造技术的研究，包括选区激光熔融（SLM）以及直接激光制造（DLF）工艺。SLM和DLF工艺的区别在于金属材料粉末的输送方式，前者为粉末槽式，即激光在粉末槽内有选区地熔融特定区域的粉末，逐层成型并形成最终产品；后者为喷射式，即粉末被喷射到特定区域，通过激光逐层熔融或烧结成型并形成最终产品。此外，中心还将进行适合增材制造的轻金属材料的研究、制备工作。

1. 选区激光熔融（SLM）工艺

主要研究铝、钛、镍和钢材料增材制造工艺条件的优化，以实现高质量的近无余量成形，达到最佳的微观结构和机械性能。研究还包括表面光洁度、尺寸公差的优化以及裂纹和缺陷的消除。SLM工艺制造的零件可长达0.6m，但对金属粉末要求非常高，制造设备中的纤维激光器、振镜扫描装置也要求非常精密，总体来说难于DLF工艺。

2. 直接激光制造（DLF）工艺

主要研究受损零件的精密修复、表面改性以及近无余量成形零件的小批量制造，材料包括钛、镍和钢等。研究还包括以各种速度喷射不同状态的粉末以快速合成结构和功能不同的合金。DLF工艺制造的零件可长达2-4m长，对金属粉末要求一般。

三、莫纳什大学增材制造中心科研能力

莫纳什大学增材制造中心所从事的是基于轻金属材料的增材制造技术研究，主要涉及制造工艺优化和成品性能优化，不具备增材制造设备研发能力。中心主要依托吴鑫华教授的研究团队以及从澳大利亚联邦轻金属研究中心所获取的研究资源与成果，还有3台从德国购买的应用广泛的先进增材制造设备。

1. 选区激光熔融（SLM）设备

德国概念激光公司与弗劳恩霍夫激光技术研究所合作开发的X-Line 1000R机床，可以制造630 400 500mm的零件，据称是目前世界最大的商业化SLM设备。在金属粉末逐层激光熔融的过程中，每一层厚度可达20-100μm。设备采用独有的LaserCUSING工艺，据称比其它激光熔融或烧结工艺能够得到更好的耐久性和致密度。此次展出的涡轮发动机概念验证机就是这台设备所生产。

图 德国X-Line 1000R机床

德国EOS公司开发的EOSINT M280机床，可以制造250 250 325mm的零件，每一层厚度可达20-100μm，制造速度为2-30mm3/s。设备采用独有的直接金属激光烧结工艺，利用精准的激光系统带来表面光洁度和精度的提升，可制造的材料包括钢、铝、钛合金，以及镍基超合金、钴铬钼合金等。EOS公司是世界领先的增材制造设备制造商之一，齐名于美国的3D系统公司和Stratasys公司，该款产品在国防领域应用非常广泛。

2. 直接激光制造（DLF）设备

德国Trumpf集团开发的Trumpf 7040激光金属沉积机床，采用4kW的TruDisk 4001固态激光器，可以制造4000 1500 650mm的零件。设备采用独有的机器人焊接技术，非常适合零件的精密修补、大零件的特殊特征添加以及大型净无余量成型零件的制造，在直接激光制造设备市场中拥有一定的占有率。

3. 值得关注的科研能力

主要体现在两个方面：原材料研制，工艺开发与优化。

吴鑫华教授在钛、铝、镍合金等轻金属材料研究领域相当知名，其研制的阻燃钛合金曾被评为钛合金研究史上三项最重要的成就之一，这使得莫纳什大学增材制造中心在金属原材料研制方面具备优秀的能力，而原材料正是增材制造技术发展的一个难点。

此外，对原材料的材料结构和制备机理的充分掌握，有利于工艺方案设计和工艺条件研究，这使得中心在金属粉末激光增材制造工艺的开发与优化方面拥有先进的能力，这也是增材制造技术发展的另一个难点。

四、与我国国防领域增材制造技术的相关科研能力比较

（此部分略）

五、与我国的合作以及对我国的意义

2013年2月21日，中南大学与澳大利亚联邦轻金属研究中心共同成立了“中澳国际轻金属研究中心”，致力于轻金属领域的研发工作。中南大学的中澳国际轻金属研究中心主要从事轻金属材料研究，与澳大利亚联邦轻金属研究中心和莫纳什大学增材制造中心关系紧密。该中心的成立将有利于促进两国在现今原材料研究领域的合作交流，对我国原材料的自主研制和相关领域的人才培养都具有积极的意义。

图 澳大利亚联邦轻金属研究中心标志

1. 有利于我国原材料的自主研制

中澳国际轻金属研究中心主要承担高性能轻金属材料和新一代轻合金的设计和制备研究工作，这些工作将推动我国先进工业原材料的自主研制，提升原材料的性能水平。该中心部分研究成果将面向航空航天产品应用，这也有利于我国增材制造原材料乃至国防关键原材料的发展。

2. 加强设计和制造人才培养

我国目前还比较缺乏增材制造产品和工艺相关的设计和制造人才，中澳国际轻金属研究中心的成立将使我国增加一个先进的培养平台，有利于加强相关领域的人才培养。而且，澳大利亚联邦轻金属研究中心有相当大比例的科研人员来自中国，对于未来我国引入相关人才也提供了一个良好的资源库。

3. 对设备自主研发作用有限

然而，中澳国际轻金属研究中心的研究工作重点目前看来并不在增材制造技术本身，即使今后引入增材制造技术研究的方向，也不太可能从事增材制造设备的研发，因此对于我国增材制造设备实现完全的自主研发作用有限。

来源：空天防务观察  刘亚威

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