（航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110850）

對于民用飛機(jī)而言，其維修與保障的首要目標(biāo)是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價值的最大化，而軍用飛機(jī)維修與保障的首要目標(biāo)是實現(xiàn)作戰(zhàn)能力的最大化，其次是在此基礎(chǔ)上尋求經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)化[1]。因此，從實戰(zhàn)的角度出發(fā)，軍用飛機(jī)在服役使用過程中，要恢復(fù)、保持和提高其作戰(zhàn)能力，必須要有相應(yīng)的維修與保障工作與之匹配。

目前，隨著各種新型軍用飛機(jī)的服役，越來越多的新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)零部件的制造過程中，這給飛機(jī)的維修保障工作帶來了新的挑戰(zhàn)。尤其近年來，金屬增材制造技術(shù)在國內(nèi)外日益受到重視，其關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破，并已經(jīng)實際應(yīng)用于飛機(jī)關(guān)鍵零部件的研發(fā)和試制[2-6]。金屬增材制造技術(shù)一般可分為廣義和狹義兩大類，狹義金屬增材制造主要指激光選區(qū)熔化成形、激光熔化沉積（激光熔覆）成形、電子束選區(qū)熔化成形、電子束熔絲成形、電弧/等離子弧熔絲成形5類基于高能束流的成形技術(shù)，廣義金屬增材制造還包括熱噴涂、冷噴涂、氣相沉積等技術(shù)，每一類技術(shù)的優(yōu)勢和特征各不相同[7-12]，所以，如果能充分發(fā)揮金屬增材制造的技術(shù)優(yōu)勢，將其應(yīng)用于軍用飛機(jī)的維修和備件應(yīng)急保障中，則既可以實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、高效的保障目標(biāo)，又能夠有效降低備件的庫存量，同時也滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對戰(zhàn)地實時維修保障的實際需求。

軍用飛機(jī)維修保障現(xiàn)狀

飛機(jī)在使用過程中，需要定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，更換易損件和失效零部件。在日常的維修保障中，一個零部件的供應(yīng)不及時甚至?xí)?dǎo)致整個飛機(jī)無法正常服役，停飛很長時間。在戰(zhàn)備演習(xí)訓(xùn)練或?qū)嶋H作戰(zhàn)情況下，飛機(jī)的搶修保障就顯得更為重要，由于保障不足會導(dǎo)致作戰(zhàn)時機(jī)的錯失，甚至?xí)苯記Q定一場戰(zhàn)爭的勝負(fù)。

對于一般故障零部件的維修，目前多數(shù)采用向飛機(jī)制造商采購原產(chǎn)零部件進(jìn)行更換的方式，對于嚴(yán)重故障零部件的維修，甚至需要將飛機(jī)整體運輸至制造商工廠進(jìn)行全面維修，這類維修保障模式主要存在兩個方面的問題。

1 維修保障需求和保障供給能力不匹配

維修保障的需求有差異，是個性化的，而保障供給是通用的。這種不匹配主要表現(xiàn)在兩個方面。

（1）零部件供給不足。一般軍用飛機(jī)的零部件數(shù)量都在一萬件以上，高性能軍用飛機(jī)零部件數(shù)量甚至更多。這些零部件形狀各異，材料種類繁多，且隨著科技進(jìn)步，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)的新型零部件大量涌現(xiàn)，各類零部件出現(xiàn)故障的概率各不相同，尤其新型零部件在實際應(yīng)用過程中總會不可避免地出現(xiàn)許多意想不到的故障。戰(zhàn)時狀態(tài)下，各類飛機(jī)零部件損傷的情況更加難以估計和預(yù)測，而制造商不可能把所有零部件都當(dāng)作備件進(jìn)行大批量實物生產(chǎn)，這樣會占用大量的人力、物力、財力資源，這就導(dǎo)致飛機(jī)維修急需的零部件制造商可能沒有庫存或備件。

近年來，我國航空工業(yè)取得了飛躍式發(fā)展，各類新型飛機(jī)不斷服役，飛機(jī)更新?lián)Q代速度加快，制造商的生產(chǎn)線不斷更新?lián)Q代，一些老舊型號的飛機(jī)生產(chǎn)線已經(jīng)停用或報廢，相對應(yīng)的零部件生產(chǎn)單元已無法恢復(fù)，且隨著工藝水平提升，一些老舊工藝已經(jīng)淘汰，這也間接導(dǎo)致個別常規(guī)備件無庫存的情況。

（2）零部件供給過剩。飛機(jī)制造商一般會對一些常用的易損件進(jìn)行一定數(shù)量的備件生產(chǎn)，跟這些備件相關(guān)的圖紙、工藝裝備、實物備件等大量封裝存放在庫房中等待使用，而一旦飛機(jī)退役，跟它相關(guān)的零備件也會隨之報廢。在飛機(jī)服役到退役的有限時間里，大量備件甚至從未得到過使用，造成了資源的極大浪費。

2 維修保障需求和保障供給效率不匹配

維修保障需求具有及時性、便捷性，而零部件備件的生產(chǎn)制造是需要周期的，且可能是跨地域協(xié)作。飛機(jī)零部件數(shù)量巨大，種類繁多，使用現(xiàn)場不可能存放所有的零部件備件。如果飛機(jī)的某個零部件出現(xiàn)故障，而使用現(xiàn)場又找不到備件進(jìn)行更換維修，在影響飛行安全的情況下，飛機(jī)如不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)場維修，那就只能等待備件運送至使用現(xiàn)場。飛機(jī)制造商在批生產(chǎn)過程中，一直面臨著科研型號任務(wù)和維修保障任務(wù)沖擊和占用批生產(chǎn)資源的矛盾，這種矛盾在近些年新型號不斷研發(fā)和老舊型號陸續(xù)將要退役的背景下表現(xiàn)得尤為突出，有的時候不得不將維修備件的生產(chǎn)任務(wù)延后，這使得飛機(jī)維修周期無法得到有效保障。在老舊生產(chǎn)線已經(jīng)停用或生產(chǎn)工藝已經(jīng)更新?lián)Q代的情況下，為了生產(chǎn)某個特定的備件，需要重新啟用專用制造設(shè)備，有的甚至需要專用的工具和工裝夾具或者需要采購特定的原材料，以保證備件整套制造工藝和使用性能與原件相同。飛機(jī)制造商在這種情況下，在具體組織實施過程中需要克服非常大的困難，調(diào)動和協(xié)調(diào)的資源價值有時候遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了備件本身，間接導(dǎo)致了生產(chǎn)成本的增加。

金屬增材制造應(yīng)用于軍用飛機(jī)維修保障的技術(shù)優(yōu)勢

金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用于軍用飛機(jī)維修保障中可有效解決傳統(tǒng)維修保障模式存在的問題，具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。

1 數(shù)字化敏捷制造

數(shù)字化敏捷制造解決了傳統(tǒng)備件生產(chǎn)周期長、效率低、需要大量輔助配套設(shè)施和資源的問題，避開了焊接、組裝、夾持固定等繁瑣工序，簡化了復(fù)雜的制造流程，因此極大地縮短了生產(chǎn)周期。增材制造的數(shù)據(jù)源是零件的三維工藝模型文件，原材料是金屬粉末或絲材，設(shè)備相對精小，可實現(xiàn)設(shè)計、加工、后處理、檢測全流程的數(shù)字化控制。對于中小尺寸的備件，從三維工藝數(shù)模設(shè)計到精加工完成，整個生產(chǎn)周期一般小于一周，有的甚至十幾個小時就能得到成品。因此，增材制造備件的復(fù)雜程度對生產(chǎn)制造周期的影響不大，與傳統(tǒng)制造相比，對于一些特別復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)件的制造，采用增材方式后其生產(chǎn)周期反而會更加明顯地縮短。

2 定制化制造

定制化制造解決了傳統(tǒng)備件供給不足或供給過剩的問題。增材制造以三維數(shù)模為驅(qū)動，只要有急需備件的三維模型就可以實時生產(chǎn)，因此，備件生產(chǎn)和庫房庫存可以實現(xiàn)有效的動態(tài)平衡，減少對大量庫存的依賴程度。無論是某個單件的制造需求還是一定數(shù)量的小批量制造需求都會得到快速滿足，且不會因為備件數(shù)量的多寡增加生產(chǎn)周期或成本。

3 修復(fù)再制造

修復(fù)再制造解決了軍機(jī)維修成本高的問題。飛機(jī)在服役過程中每個零部件的工況條件和受力狀態(tài)各不相同，零部件受到各種突發(fā)、非正常工況及其他一些因素的作用，待修復(fù)區(qū)的形狀和位置千差萬別，且修復(fù)加工的費用必須低于新制零件的費用，否則修復(fù)就失去了批量應(yīng)用價值。增材修復(fù)再制造可以將失效件、磨損件或缺損件的局部區(qū)域重新修復(fù)到原廠零部件的形狀、尺寸精度和性能狀態(tài)，同時滿足每個零件個性化的修復(fù)需求。即使不同材料的多個零件也可以根據(jù)每個零件的具體修復(fù)形狀和位置自由調(diào)整修復(fù)方案，無需頻繁改變輔助條件，修復(fù)可完全實現(xiàn)個性化，并且不會增加制造成本。此外，增材修復(fù)再制造降低了傳統(tǒng)加工工藝對大面積廠房庫房等資源的依賴程度，甚至整套生產(chǎn)設(shè)備可以放置到特制的交通工具上，實現(xiàn)車載、艦載、機(jī)載等遠(yuǎn)距離機(jī)動運輸，成為移動工廠。如我國和美國均研制了“移動零件醫(yī)院（MPH）”方艙[13-15]，通過增材制造和數(shù)控加工技術(shù)實現(xiàn)了損傷零件的現(xiàn)場修復(fù)或重制，并已經(jīng)實際應(yīng)用于軍事戰(zhàn)場，該類型增材制造方艙設(shè)備如圖1[14-15]所示。未來戰(zhàn)爭必然是快節(jié)奏的高技術(shù)戰(zhàn)爭，維修人員和裝備也必須緊隨作戰(zhàn)部隊進(jìn)行大規(guī)模機(jī)動轉(zhuǎn)場，該類方艙裝備恰好符合極強戰(zhàn)場機(jī)動性的要求，有助于戰(zhàn)時快速反應(yīng)、快速部署及快速維修能力的實現(xiàn)。因此，利用增材制造來修復(fù)飛機(jī)缺損零件是一種經(jīng)濟(jì)且高效的方法?；谠霾闹圃旒夹g(shù)的軍機(jī)零件修復(fù)應(yīng)用實踐，已從最初的發(fā)動機(jī)葉片損傷修復(fù)逐步發(fā)展到飛機(jī)框、梁、搖臂、支架、起落架活塞桿等各類零件的表面缺陷及損傷修復(fù)[16-18]。

綜合上述分析，金屬增材制造應(yīng)用于軍用飛機(jī)維修保障的技術(shù)優(yōu)勢可以概況為：無需大量備件，突發(fā)保障能力強，前線修復(fù)能力足，后方修復(fù)或重新制造新零件周期短且方式多。

圖1 “移動零件醫(yī)院（MPH）”方艙Fig.1 Mobile parts hospital shelter

金屬增材制造應(yīng)用于軍用飛機(jī)維修保障的典型工藝方案

1 可修復(fù)性評估和分類

可修復(fù)性是指通過一定的技術(shù)手段修復(fù)失效零部件使其恢復(fù)自身使用性能，甚至使其使用性能超過新制造零部件的能力。當(dāng)軍用飛機(jī)零部件使用性能劣化或失效后，首先要對其可修復(fù)性進(jìn)行評估和分類。零部件使用性能劣化或失效可分為表面涂層類、內(nèi)部材料強度類、形狀尺寸超限類3類，各類別典型損傷表現(xiàn)形式及可修復(fù)性見表1[19]。

一般而言，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和修復(fù)周期，增材修復(fù)表面涂層類和形狀尺寸超限類損傷效果較好，修復(fù)部位與基體冶金結(jié)合良好，修復(fù)后失效零部件的各項性能可基本恢復(fù)至原有性能甚至有所提升。而對內(nèi)部材料強度類損傷，有時修復(fù)并不經(jīng)濟(jì)，故本著安全從嚴(yán)的原則，可采用增材制造方式新制零件予以更換。

表1 飛機(jī)零件典型損傷形式和其可修復(fù)性Table1 Typical damage failure pattern and reparability assessment of aeroplane parts

圖2 不同部位零件損傷形式及維修工藝Fig.2 Typical damage failure pattern and maintenance technologies of different components

2 維修工藝方案選取

軍用飛機(jī)金屬構(gòu)件大致可分為機(jī)身、起落架、機(jī)翼、平尾垂尾、發(fā)動機(jī)等5個部位，各部位零件類型、材料和劣化失效類別有所不同，所采用的增材修復(fù)或新制工藝也有所差異，如圖2所示。

由于鋪粉類固有的工藝特征決定了它只適用于金屬零件全新制造，不適合用于受損零件的修復(fù)，其他幾類技術(shù)既可用于零件制造，也可用于受損零件的修復(fù)。此外，在成形效率、精度、尺寸、環(huán)境要求、安全性等方面各類增材工藝也有所不同，如表2[20]所示，需要根據(jù)失效零件的損傷類別和典型特征綜合選取合適的維修工藝方案。

基于金屬增材制造的軍用飛機(jī)維修保障關(guān)鍵技術(shù)

1 逆向建模技術(shù)

金屬增材制造必須以三維模型為制造數(shù)據(jù)源，而三維模型的獲取方式主要有原始三維軟件設(shè)計和逆向建模兩種。對于一些老舊型號飛機(jī)而言，其零件一般是以二維圖紙、模線樣板或?qū)Ｓ媚＞邽橐罁?jù)進(jìn)行制造的，隨著生產(chǎn)線拆除和樣板模具的報廢，已經(jīng)很難通過原始圖樣來精準(zhǔn)構(gòu)建維修零件的三維整體設(shè)計數(shù)模，這時就必須要采用逆向建模技術(shù)。逆向建模的工藝流程一般是借助一定的數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲得零件的空間三維點云數(shù)據(jù)，然后再使用專業(yè)建模軟件將點云轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格，再由網(wǎng)格擬合重建生成光順的曲面、平面、實體等特征，最后將特征擬合重構(gòu)成三維高精度實體模型。目前主要的數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括常規(guī)測量、三坐標(biāo)測量、三維掃描測量、激光跟蹤測量、工業(yè)CT 測量等，各技術(shù)的應(yīng)用特征及局限性見表3[21]。三維模型獲得后的應(yīng)用主要分兩種情況：（1）增材成形全新零件。針對沒有三維數(shù)模的老舊零件或經(jīng)過評估已經(jīng)失去維修價值的零件，可在新模型基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模型修正，再選取合適的增材制造技術(shù)來生產(chǎn)全新的零件，用以替換受損的零件。（2）增材修復(fù)零件。即利用逆向建模方法獲取的模型與原始的標(biāo)準(zhǔn)模型做比對，找出缺陷部位、類型及尺寸分布特征并構(gòu)建精準(zhǔn)的三維缺陷模型，根據(jù)缺陷模型規(guī)劃增材修復(fù)的方式、材料、路徑、工藝參數(shù)及運動程序等，最后驅(qū)動設(shè)備對零件的缺陷依次進(jìn)行修復(fù)成形。

表2 不同增材制造工藝的適用性Table2 Applicability of different additive manufacturing technologies

表3 逆向數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用特征對比Table3 Characteristic comparisons of different data acquisition methods based on reverse technique

2 定向能量沉積技術(shù)

定向能量沉積技術(shù)中的激光熔化沉積成形技術(shù)是國內(nèi)外關(guān)注和研究最多，也是最成熟的一種增材制造技術(shù)，它在航空航天領(lǐng)域的最典型應(yīng)用就是對受損零件的修復(fù)。在修復(fù)過程中，通常采用增減材復(fù)合制造手段，即首先對受損件進(jìn)行全尺寸三維掃描測量，通過和原始設(shè)計數(shù)模的精準(zhǔn)對比確定零件的受損部位和程度，進(jìn)而針對某單一零件進(jìn)行個性化的修復(fù)方案制定。其次利用激光熔化沉積技術(shù)對受損區(qū)域進(jìn)行同種金屬的增材填充成形，然后結(jié)合數(shù)控加工減材技術(shù)，去除增材后的余量材料，最后為保證修復(fù)的尺寸精度需再次進(jìn)行修復(fù)部位的三維測量。在未來，開發(fā)集成高精度測量定位、缺損域模型重建、增減材制造路徑自動規(guī)劃等于一體的輔助制造軟件或系統(tǒng)，將有助于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)零件的快速自動化修復(fù)，尤其對于外形輪廓性很強且受損較嚴(yán)重的零件，增材修復(fù)將比換新件更加經(jīng)濟(jì)高效。

3 面向增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

在某些情況下，軍用飛機(jī)的磨損零件修復(fù)的意義已經(jīng)不大，必須更換全新的零件。這時主要有兩種情況：一種是基于傳統(tǒng)設(shè)計方案，只是采用增材制造方式來制造全新的零件；另一種是面向增材制造工藝的結(jié)構(gòu)功能一體化優(yōu)化設(shè)計方案，即在充分利用增材制造工藝特征優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，面向功能需求重新設(shè)計零件。與第1種方案相比，第2種方案更符合未來主流的修復(fù)技術(shù)發(fā)展方向和應(yīng)用趨勢。

由于增材制造技術(shù)本身受制造工藝約束較少，因此在重新設(shè)計零件時可將傳統(tǒng)基于“工藝優(yōu)先”的設(shè)計模式向基于“性能優(yōu)先”的設(shè)計模式轉(zhuǎn)變，在兼顧生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)性的同時，采用拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、蜂窩點陣結(jié)構(gòu)等更優(yōu)的創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計思路，通過結(jié)構(gòu)空間上的復(fù)雜性和多樣性實現(xiàn)功能上的集成和使用性能上的綜合最優(yōu)[22-27]。飛機(jī)上一些如接頭類、支架類零件經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后，在保證高性能的同時較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可減重30%以上，且新的零件構(gòu)造也更加體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造中的藝術(shù)美感，如圖3[28]所示。

4 智能機(jī)器人技術(shù)

智能機(jī)器人有別于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，它具有感知、識別、推理和判斷的能力，可以根據(jù)外界條件和環(huán)境的變化，在一定范圍內(nèi)通過自主學(xué)習(xí)來修正執(zhí)行程序，通過總結(jié)經(jīng)驗來獲得優(yōu)化程序。在飛機(jī)零件增材制造修復(fù)過程中，由于零件外形尺寸、受損部位和程度千差萬別，不可能僅僅依靠一套標(biāo)準(zhǔn)程序和參數(shù)完成各類零件的修復(fù)，且修復(fù)過程中大量的測量、示教編程、數(shù)據(jù)分析、軌跡規(guī)劃等工作如果全部依賴人工來完成，將極大降低維修效率，增加維修周期和成本。因此，未來智能化機(jī)器人技術(shù)和數(shù)字化增材制造技術(shù)緊密結(jié)合，恰好滿足了飛機(jī)單一零件個性化高精度修復(fù)的應(yīng)用需求，在損傷零件大面積區(qū)域的缺陷檢測和圖像處理、局部修復(fù)區(qū)的精準(zhǔn)識別和定位、復(fù)雜曲面的自動化編程和軌跡參數(shù)優(yōu)化等方面將大大提升飛機(jī)零件增材制造修復(fù)技術(shù)的靈活性和應(yīng)用空間。美國GE 公司已經(jīng)將機(jī)器人輔助的冷噴涂技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)零件的修復(fù)中，如圖4[29]所示。

5 基于增材工藝的模擬仿真技術(shù)

增材修復(fù)過程涉及一系列復(fù)雜變化的瞬態(tài)力熱耦合過程，且待修復(fù)零件的缺陷位置和大小不盡相同，因此，需要結(jié)合增材修復(fù)工藝針對具體零件開展工藝模擬仿真分析。增材工藝模擬仿真應(yīng)針對整個增材設(shè)計制造鏈的各個環(huán)節(jié)，包括拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計、工藝參數(shù)調(diào)整驗證、成形工藝過程、后處理過程等，借助模擬仿真達(dá)到零件宏觀精準(zhǔn)控形和微觀穩(wěn)定控性的目的，減少工藝試錯，解決宏觀上的翹曲、變形、開裂及微觀上的氣孔、熔合不良等問題，保證修復(fù)質(zhì)量穩(wěn)定性，提升一次修復(fù)合格率。

金屬增材制造在軍用飛機(jī)維修保障方面存在問題及應(yīng)對建議

1 存在的問題

目前，金屬增材制造技術(shù)在飛機(jī)維修保障方面雖然已經(jīng)取得了很多重大的進(jìn)展，但是相對于工業(yè)革命后積累了上百年研究、應(yīng)用和發(fā)展經(jīng)驗的近代傳統(tǒng)制造技術(shù)而言，金屬增材制造依然存在著許多的問題和不足，主要體現(xiàn)在3個方面。

1.1 技術(shù)成熟度與可靠性的問題

金屬增材制造技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖然技術(shù)成熟度不斷提升，

但對于航空產(chǎn)業(yè)來說，任何新技術(shù)的應(yīng)用都必須要遵循循序漸進(jìn)的原則。材料、工藝、裝備、檢測、質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)，都要經(jīng)過嚴(yán)格的考核和可靠性認(rèn)證，在被確認(rèn)是成熟的且具有高可靠性的技術(shù)后才會被允許裝機(jī)應(yīng)用。從這個角度來看，金屬增材制造的備件離真正的規(guī)模化裝機(jī)應(yīng)用還有很長的路要走。增材制造的備件無論在制造商工廠還是戰(zhàn)時搶修現(xiàn)場，雖然可以快速完成備件制造或修復(fù)，但該備件的可用性和可靠性在程序上有待驗證確認(rèn)，這種備件不能直接裝機(jī)使用，而必須經(jīng)過嚴(yán)格測試或多輪評審，證明其與原始零件具有完全可替換性，才被允許裝機(jī)使用，這種情況在關(guān)鍵部件和主承力部件上體現(xiàn)得更加明顯。目前，金屬增材制造的備件或維修件應(yīng)用研究的對象主要是非關(guān)鍵部件和非結(jié)構(gòu)部件，因為這些零部件風(fēng)險性更小，即使在使用過程中發(fā)生損傷或失效，飛機(jī)也不至于墜毀，不會對飛行安全造成威脅，這也反映出金屬增材制造零部件應(yīng)用在飛機(jī)維修方面，其安全性和可靠性是面臨的最大挑戰(zhàn)。美國空軍給出的增材制造零部件絕對安全可靠的參考標(biāo)準(zhǔn)是萬分之一以下的不合格品率或故障率，即在10000個金屬增材制造零部件中不能找出多于一個的不合格品，或在10000個金屬增材制造零部件使用過程中不能出現(xiàn)大于一次的失效或故障情況[30]。因此，美國空軍在飛機(jī)維修方面也處于謹(jǐn)慎使用金屬增材制造零部件的階段。

1.2 修舊如舊還是修舊如新的問題

飛機(jī)維修需要更換的零部件多數(shù)是采用傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)的，而備件制造希望通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)，在這個過程中，零件的結(jié)構(gòu)形式和材料類別等都沒有變化，只不過是制造方式發(fā)生了改變，即采用新技術(shù)制造“舊”零件。這個“舊”不是指零件是舊的零件，而是指零件的設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)形式是基于傳統(tǒng)制造技術(shù)的，是“舊”的。而增材制造技術(shù)真正的潛力在于創(chuàng)新設(shè)計理念，增強工藝實現(xiàn)能力，滿足精準(zhǔn)構(gòu)型和整體功能需求，而不是簡單的制造方式或方法的替代，這也是有些零部件采用增材制造優(yōu)勢并不明顯的內(nèi)在原因。目前，在新機(jī)研制過程中，利用增材制造技術(shù)，實現(xiàn)了隨形內(nèi)流道、復(fù)雜薄壁、復(fù)雜內(nèi)腔、鏤空點陣、多部件集成等復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式零件的制造及應(yīng)用，但在飛機(jī)備件制造和維修方面，卻還在修舊如舊的道路上徘徊不前。因此，飛機(jī)維修和備件保障不應(yīng)該繼續(xù)采用逆向工程或圖紙精準(zhǔn)復(fù)制原物以實現(xiàn)簡單替代的舊道路上發(fā)展前進(jìn)，而是應(yīng)該開辟一條修舊如新的新道路，即采用增材制造技術(shù)，結(jié)合零部件的具體結(jié)構(gòu)形式和功能需求，重新精準(zhǔn)設(shè)計、優(yōu)化和制造，以實現(xiàn)精準(zhǔn)維修和整體綜合性能的提升。例如，可依據(jù)損傷零件的部位和損傷特征，基于增材制造技術(shù)制備具有梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)特性的備件，如圖5[31]所示。這類梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上有別于同質(zhì)結(jié)構(gòu)，可顯著提高結(jié)構(gòu)減重效率及疲勞壽命，具有承載、耐熱、抗蝕等多功能特性[31-32]。點陣輕量化結(jié)構(gòu)、異形內(nèi)流道結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)等新構(gòu)型也正在被越來越多地研究，以期未來能慢慢應(yīng)用到備件領(lǐng)域，如圖6[22]所示。俄羅斯的蘇霍伊設(shè)計局甚至構(gòu)想飛機(jī)機(jī)身大部段乃至整機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)都采用拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型，以期更好地減重和擴(kuò)大作戰(zhàn)半徑，如圖7所示。當(dāng)然，這種新結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用過程中會產(chǎn)生維修成本增加、風(fēng)險增大等一系列具體的困難和問題，這些都是需要逐一克服和解決的。

圖6 點陣輕量化結(jié)構(gòu)與異形內(nèi)流道結(jié)構(gòu)Fig.6 Lightweight lattice structure and inner flow channel structure

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化的問題

標(biāo)準(zhǔn)化是增材制造技術(shù)成熟的主要標(biāo)志，也是其規(guī)模化應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。在飛機(jī)維修和保障方面，增材制造的標(biāo)準(zhǔn)化困境主要表現(xiàn)在3個方面。

（1）原材料未成體系。

圖7 飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計Fig.7 Topology optimization in aircraft fuselage structures

粉體或絲材等原材料是金屬增材制造的“糧食”，研究開發(fā)出更高質(zhì)量的原材料是增材制造廣泛應(yīng)用的首要條件。相對于傳統(tǒng)金屬材料上千個牌號而言，目前適用于金屬增材制造的材料牌號僅僅數(shù)十種，尤其缺少基于工藝特征的對現(xiàn)有材料改性的材料或新開發(fā)的材料，這使得材料基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)匱乏，導(dǎo)致可用于飛機(jī)零部件維修的材料種類有限。在工藝和裝備逐漸趨于成熟的條件下，原材料體系的不健全對應(yīng)用端的限制和制約越來越明顯，如果材料供應(yīng)商不加大新合金材料和多工藝復(fù)合低成本制粉/制絲技術(shù)的研發(fā)投入，飛機(jī)維修保障面臨的“糧荒”問題很難在短期內(nèi)得到有效解決。

（2）設(shè)備不統(tǒng)一，工藝不通用。

目前，雖然主流的金屬增材制造設(shè)備的基本組成結(jié)構(gòu)大體相同，但每個制造商的設(shè)備都有自己的獨特之處，在成形尺寸、能量源功率和束徑、送粉/送絲方式、成形精度、預(yù)熱溫度等方面都不相同，甚至原材料、工藝軟件和工藝參數(shù)也都是各自開發(fā)。原材料、設(shè)備和工藝緊密綁定，沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來對其兼容性和質(zhì)量要素進(jìn)行規(guī)范，這使得同一個飛機(jī)零部件若在不同廠家的設(shè)備上進(jìn)行制造，其工藝不一定通用，必須開展工藝適應(yīng)性試驗和驗證，這無疑導(dǎo)致了生產(chǎn)周期的延長和成本的增加。

（3）性能評價與認(rèn)證體系不完善。

增材制造零件和傳統(tǒng)鍛造或鑄造零件在成形工藝、顯微組織、力學(xué)性能、缺陷類型、檢測方法等方面是有差異的[33]，一項增材制造零部件是否能夠安全可靠地使用，需要通過一系列力學(xué)性能指標(biāo)和無損檢測方法來評價。力學(xué)性能表征需要建立材料的全面力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫，但目前所研究和使用的材料牌號較少，積累的力學(xué)性能數(shù)據(jù)也很有限，性能數(shù)據(jù)庫并不完善，且各制造商的材料性能數(shù)據(jù)并不直接共享，一些新研材料甚至沒有性能數(shù)據(jù)指標(biāo)。此外，由于增材制造件組織和缺陷存在不均勻性和各向異性等特征，超聲檢測、射線照相檢測、工業(yè)CT 檢測、熒光滲透檢測等方法與標(biāo)準(zhǔn)不能直接沿用，否則易出現(xiàn)識別和界定增材制件的缺陷類型、尺寸、數(shù)量、分布等特征不到位或存在檢測盲區(qū)等問題[34-36]。目前，采用什么標(biāo)準(zhǔn)方法、什么規(guī)定設(shè)備能有效識別不同類型缺陷，采用常規(guī)方法檢測不準(zhǔn)或無法檢測的缺陷又怎樣判定等一系列問題還缺少統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證規(guī)范。

2 應(yīng)對措施及建議

針對以上存在的問題，應(yīng)對措施的核心是建立面向重點行業(yè)企業(yè)的國家重大裝備領(lǐng)域的應(yīng)用示范體系，通過應(yīng)用示范的帶動效應(yīng)牽引全產(chǎn)業(yè)鏈條的發(fā)展，促進(jìn)技術(shù)成熟度的提升及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的建立和完善?，F(xiàn)階段要鼓勵和引導(dǎo)航空航天等企業(yè)從源頭上挖掘增材制造技術(shù)的應(yīng)用空間，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、制件后處理、質(zhì)量檢測、性能驗證、應(yīng)用及評價6個方面加強科研院所與應(yīng)用企業(yè)的協(xié)作創(chuàng)新，防止各立山頭，單打獨斗，同時支持和鼓勵國家級行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新平臺的建立，通過不斷擴(kuò)大的應(yīng)用市場帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和相關(guān)問題的解決。

金屬增材制造在軍用飛機(jī)維修保障方面的應(yīng)用方向與建議

1 軍用無人機(jī)大膽應(yīng)用

無人機(jī)是由人為操縱的不載人飛機(jī)，主要用于完成特殊的軍事偵察或作戰(zhàn)任務(wù)。未來無人機(jī)將主要分為3 大類，即高空長航時無人機(jī)、高速機(jī)動無人機(jī)和低成本無人機(jī)，其任務(wù)和用途也會從主要用于偵察逐步發(fā)展到通信中繼、電子對抗、后勤補給和空中打擊等領(lǐng)域。這要求無人機(jī)在有限的體積內(nèi)要具有更輕的質(zhì)量、更好的力學(xué)性能以及實現(xiàn)更大的任務(wù)載荷的能力。有些無人機(jī)甚至要將78%～80%的機(jī)體質(zhì)量讓渡給燃油、武器和隱身補償?shù)认到y(tǒng)[37]，這使得無人機(jī)的零部件朝著輕量化、整體化、拓?fù)浠⒔Y(jié)構(gòu)功能一體化等方向發(fā)展。一些特異形狀和結(jié)構(gòu)的零部件一旦損傷，采用傳統(tǒng)的制造方法制造成本很高甚至難以實現(xiàn)，而采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)這類零部件在縮短制造周期的情況下幾乎不會增加額外成本。因此時效性和經(jīng)濟(jì)性是無人機(jī)維修保障時選擇增材制造技術(shù)的首要因素。此外，增材制造技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)維修和保障的風(fēng)險性相對更小，一些小型無人機(jī)在損傷的情況下甚至可以整體更換外部構(gòu)件，這可以顯著提升作戰(zhàn)效率，降低作戰(zhàn)裝備成本，具有真正的實戰(zhàn)應(yīng)用意義。

2 軍用有人機(jī)由點及面有序推進(jìn)

有人機(jī)維修保障中，使用零部件的高可靠性和保障人的絕對安全性是首要的考慮因素，因此未經(jīng)過全面考核驗證的零部件是不能直接裝機(jī)使用的。飛機(jī)零部件一般可分為關(guān)鍵件、重要件和一般件，對于一般性的零件，其損傷后對飛行安全是不會造成影響的，因此，采用增材制造生產(chǎn)的備件可先從一般性零件開始嘗試應(yīng)用，逐步考核驗證，有序推進(jìn)，慢慢應(yīng)用到關(guān)重零件上。例如，對于接近退役的飛機(jī)，其零部件早已停產(chǎn)，在庫存?zhèn)浼呀?jīng)用完的情況下，其升級改造過程可嘗試使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)一些非關(guān)鍵零部件，且可以有效結(jié)合逆向工程和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)制造輕量化和整體化類型的零件，這樣可以有效延長其服役期，提升作戰(zhàn)飛機(jī)的可用性和出勤率，在此過程中，逐步考核驗證其零件的可靠性和穩(wěn)定性。在長期積累的大量數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將增材制造的備件逐步應(yīng)用到現(xiàn)役飛機(jī)和關(guān)重零部件上。

3 地面隨機(jī)保障設(shè)備和工具可全面應(yīng)用

軍用飛機(jī)離不開地面保障，隨著飛機(jī)型號和種類越來越多，保障設(shè)備和工具的規(guī)模也越來越大，而保障設(shè)備和工具本身也是需要維修和備件的，這類設(shè)備和工具的通用性程度一般不高，存在大量的專用設(shè)備和維修工具。戰(zhàn)場環(huán)境下這類設(shè)備和工具的使用與平時有很大不同，突出表現(xiàn)為使用頻率大、強度高、磨損快、換新時效性高。此外，在實戰(zhàn)中，地面保障設(shè)備很容易成為敵方攻擊的目標(biāo)，一旦遭到摧毀或損傷，就會使飛機(jī)失去所依賴的保障條件，因此，地面保障設(shè)備和工具也應(yīng)考慮機(jī)動作戰(zhàn)要求，提升快速維修效率，降低轉(zhuǎn)場攜帶的數(shù)量和規(guī)模。增材制造技術(shù)在這方面恰恰有其獨特優(yōu)勢，特別是戰(zhàn)損時能夠?qū)崿F(xiàn)本地化生產(chǎn)和快速修理，數(shù)?？赏ㄟ^逆向工程或遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸獲得，這將大大提高備件更換的時效性，緩解地面保障裝備和工具的發(fā)展滯后于軍用飛機(jī)裝備發(fā)展的矛盾。

金屬增材制造在軍用飛機(jī)維修保障領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

隨著軍用飛機(jī)從三代、四代向五代、六代發(fā)展，大量的在役飛機(jī)需要維修和保障，金屬增材制造技術(shù)在飛機(jī)維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用時間比較短，但應(yīng)用空間是巨大的。隨著金屬增材制造技術(shù)體系的不斷發(fā)展，上下游技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷完善，金屬增材制造在飛機(jī)維修保障領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在3個方面。

（1）技術(shù)能力的提升與融合。目前增材制造技術(shù)在成形效率、成形精度、材料種類及表面質(zhì)量等方面還有很大的提升空間，一些新技術(shù)如多能量源或復(fù)合能量源大幅域成形技術(shù)、過程在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析技術(shù)、粉末自動篩分循環(huán)技術(shù)、4D增材技術(shù)等不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，各技術(shù)之間的交叉融合與優(yōu)勢互補性逐步加強，未來增材制造的技術(shù)能力會有大幅提升。

（2）技術(shù)裝備的智能化、復(fù)合化與模塊化。人工智能、5G 通訊、大數(shù)據(jù)等技術(shù)將越來越多地融入增材制造裝備中，未來裝備的智能化程度會越來越高，裝備擁有自主的推理、判斷和決策能力，甚至通過人機(jī)對話就能實現(xiàn)增材制造過程。一臺裝備可以復(fù)合多種增材制造工藝，如增減材復(fù)合一體化、激光熔覆與冷噴涂復(fù)合一體化等，且裝備可以模塊化組裝與拆分，方便戰(zhàn)場狀態(tài)下的運輸與維護(hù)。

（3）原材料的系列化、復(fù)合化與安全性。未來增材制造專用的原材料將逐漸標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，一些復(fù)合材料如金屬-陶瓷復(fù)合粉體、納米增強復(fù)合絲材等應(yīng)用會越來越廣泛，且粉體會更加安全，適合攜運且沒有爆炸等危險。

結(jié)論

針對軍用飛機(jī)維修保障存在的保障供給能力不足和供給效率較低等問題，利用金屬增材制造的快速響應(yīng)敏捷制造、定制式制造和維修再制造等獨特優(yōu)勢，提高金屬增材制造的技術(shù)應(yīng)用成熟度，不斷完善無人機(jī)、有人機(jī)和地面隨機(jī)保障等軍用飛機(jī)產(chǎn)品的金屬增材制造維修保障體系，提升保障供給能力，提高保障供給效率，推動金屬增材制造技術(shù)在軍用飛機(jī)維修保障領(lǐng)域應(yīng)用的廣度和深度。