增材制造是基于分層制造原理發展而來的先進制造技術，是信息技術、新材料技術與制造技術多學科融合發展的產物，被視為支撐制造業轉型升級與創新發展的關鍵技術。增材制造，作為全球范圍內新一輪科技與產業革命中至關重要的一部分，被認為是現代科技發展中一項核心及顛覆性技術，已逐漸成為當今世界各國對未來產業發展的新增長點。本次全國科普日活動，將對增材制造如何推動航空航天制造技術變革進行全面解讀。
增材制造及其優勢
增材制造的國際發展態勢
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縱觀人類歷史，以在制造過程中材料質量的增加或減少為標準，迄今主要有三種制造工藝：等材制造、減材制造與增材制造。增材制造是第三代制造工藝，其技術原理類似于燕子銜泥造窩，材料從下往上疊加累積，最終造出三維物體。中國政府印發的《增材制造產業發展行動計劃（2017—2020年）》指出，“增材制造是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術。”② 這也是目前國際上關于增材制造的公認定義。
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增材制造目前的國際發展態勢主要表現在四個方面。第一，得到了世界上主要工業國家的普遍關注與高度認可。面對增材制造的種種優勢與巨大發展前景，世界主要工業國家紛紛將其視為戰略性新興產業，把推動本國增材制造發展上升到了國家戰略層面。美國拜登政府2022 年10 月發布《先進制造國家戰略》，強調要發展和運用先進制造技術，其中就包括增材制造。2019 年2月，德國發布的《國家工業戰略2030：對于德國和歐洲產業政策的戰略指導方針》將增材制造列為十大關鍵工業部門之一。早在2014 年6月，日本內閣出臺的《制造業白皮書》就將增材制造作為今后本國制造業的重點發展領域。是年8月，日本經濟產業省出臺《制造業革命技術》，將增材制造作為優先扶持對象。
增材制造在航空航天領域的應用 更多
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增材制造在航空發動機構件領域的應用
先進航空發動機朝著高推質比、高可靠性、長壽命和經濟可承受性的方向發展，苛刻且相互矛盾的指標要求航空發動機關重件構型復雜、輕質高效。傳統的“減材”制造技術面臨生產周期長、成品率低、制造成本高等挑戰，成為制約先進航空發動機研發的瓶頸。變革性的“近凈成形”增材制造技術，因具有一體化成形、無需模具、制造成本低等優點，最早被美國聯合技術研究中心（UTRC）嘗試用于渦輪葉盤一體化制造，隨后通用電氣（GE）、羅爾斯-羅伊斯（RR）等航空發動機企業也開始應用增材制造技術加工或修復零部件。
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增材制造鎳基高溫合金在航天構件領域的典型應用
相較于航空領域，航天領域對于高溫合金部件的制造要求更加苛刻，呈現出更加復雜化、薄壁化、復合化、一體化等趨勢。以高性能液體火箭發動機燃燒室為例，其部件往往暴露在高熱、負荷等工作環境中，因此需要進行高效率的冷卻。傳統的減材或等材加工技術無法勝任此類獨特且巧妙的冷卻系統的制備。
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金屬增材制造在直升機中的應用前景
結構拓撲優化設計技術，又稱創成式設計技術，經過幾十年的發展，已經被證實是一種高效的結構設計方法，在航空航天結構輕量化、高性能設計領域具有廣闊應用前景，但受限于現有加工技術，其實際應用面臨巨大挑戰。郭文杰等對某型無人機翼梁結構開展剛度拓撲優化設計，優化后的結構滿足強度、剛度設計要求，同時減重達到6%。胡添翼等對飛機典型雙耳結構連接件進行拓撲優化設計，如圖4所示，優化后的雙耳結構連接件滿足強度設計要求，且可減重26.8%。
總結
在航空航天應用方面，增材制造技術具有單件小批量復雜結構快速制造的優勢，當前多型重點裝備的關鍵零部件（例如鉸鏈、支架、內部組件、發動機部件等）均已實現增材制造技術的工藝替代及應用，其應用正加速向終端零件制造、產品修復再制造、商業化應用等方面深化發展，在太空制造、新型空天裝備等研究中也將提供重要支撐作用。
隨著增材制造在更多領域應用場景的普及與推廣，增材制造的成本在不斷降低，加之增材制造本身的技術優勢帶來的不可替代性越來越強，基于增材制造技術的新應用、新產品越來越多，增材制造將獲得更廣闊的增量市場。預計，2023年航空航天批量化生產將持續增加，鑄造、消費電子將成為新的增長點。