隨著國內(nèi)外對于增材制造技術(shù)研究的不斷深入，增材制造產(chǎn)品在航空領(lǐng)域的應(yīng)用潛力慢慢凸顯出來。美國波音公司通過DED技術(shù)為其787夢幻客機(jī)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件，將Norsk Titanium公司的快速等離子沉積?技術(shù)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件研發(fā)，通過技術(shù)研究與改進(jìn)以及一系列嚴(yán)格的測試，最終于2017年2月獲得了首個(gè)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA認(rèn)證。

 美國GE在其LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)采用了增材制造燃油噴嘴，該燃油噴嘴采用Hastelloy X高溫合金作為增材制造材料，是目前國際上第一款通過了適航認(rèn)證的增材制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)組件。

增材制造LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴

適航即適航性，是指航空器適合/適應(yīng)于飛行的能力。通過了適航認(rèn)證，就代表了產(chǎn)品在研制及批生產(chǎn)階段的各個(gè)環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)了有效的控制與管理，產(chǎn)品達(dá)到了規(guī)定的安全與質(zhì)量水平要求。筆者認(rèn)為，對于適航審查與認(rèn)證的要求與條款的理解對于提高國內(nèi)增材制造產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

FAA全稱Federal Aviation Administration ，美國聯(lián)邦航空管理局，1967年成為交通部的下屬。其主要任務(wù)包括:促進(jìn)民航安全管理；鼓勵(lì)和發(fā)展民用航空,包括航空新技術(shù)；開發(fā)和經(jīng)營空中交通管制、導(dǎo)航系統(tǒng)的民用和軍用飛機(jī)；研發(fā)體系和民用航空領(lǐng)空；制定和實(shí)施控制飛機(jī)噪音和其它節(jié)目環(huán)境影響民航；美國商業(yè)空間運(yùn)輸管理等。

隨著增材制造在航空領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢與潛力的展現(xiàn)，如何對增材制造這一新興制造技術(shù)開展適航審查與認(rèn)證工作受到了FAA的關(guān)注，并開展了以下工作（見下圖）。

適航認(rèn)證的起點(diǎn)從對技術(shù)的認(rèn)知開始

2015年6月3日，F(xiàn)AA發(fā)布了AIR 100-15-130-GM39《增材制造認(rèn)知》備忘錄，提出由設(shè)計(jì)、制造和適航部門（AIR-100）組建了增材制造國家團(tuán)隊(duì)（AMNT），收集有關(guān)AM應(yīng)用的信息，并作為正在開展的AM認(rèn)證研究的技術(shù)資源。這些信息將有助于AMNT識別技術(shù)問題，并研發(fā)促進(jìn)AM零件獲得FAA認(rèn)證的指南。

疑問（考慮）是適航審查與認(rèn)證的基礎(chǔ)

2016年7月7日，F(xiàn)AA發(fā)布了AIR100-16-130-GM18《粉末床熔融增材制造零件的工程考慮》備忘錄，該備忘錄不提供AM部件認(rèn)證的指導(dǎo)，而是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原材料、成形過程、后處理、檢測方法、工藝驗(yàn)證、材料設(shè)計(jì)值獲取以及其他方面（包括技術(shù)文件、電子文檔、過程控制、成形中斷、異質(zhì)污染物控制、可追溯性等）提出了疑問（考慮）。這些工程疑問（考慮）是為與申請人進(jìn)行認(rèn)證討論提供良好的出發(fā)點(diǎn)，并在需要問題文件（IP）中進(jìn)行記錄，為后續(xù)的適航審查定與認(rèn)證奠定基礎(chǔ)。

實(shí)地審核與更新迭代是確定評估審查要求的保證

2016年9月30日，F(xiàn)AA發(fā)布了AIR 100-16-110-GM26《增材制造設(shè)施和過程的評估》備忘錄，旨在幫助航空安全審查員（ASI）對AM設(shè)施及過程進(jìn)行評估，協(xié)助審查員采集關(guān)鍵工藝參數(shù)，并從人員培訓(xùn)、場地設(shè)施、技術(shù)數(shù)據(jù)、原材料處理、設(shè)備、軟件控制、制造過程有效性、制造過程監(jiān)控、檢測、冶金過程等方面進(jìn)行全流程過程審核，并積累數(shù)據(jù)、更新迭代、并進(jìn)行新的認(rèn)證活動(dòng)。隨著增材制造工藝與流程的成熟及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的完善，增材制造國家團(tuán)隊(duì)（AMNT）預(yù)計(jì)會(huì)對該文檔進(jìn)行頻繁修訂。

結(jié)合需求為維修過程認(rèn)證提供指導(dǎo)

2016年11月30日，F(xiàn)AA發(fā)布了NOTICE 8900.391《飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳中的增材制造維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)及更換》，主要是為飛行標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)（AFS）人員參與飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及旋翼類飛行器的維護(hù)、預(yù)防性維修及更換時(shí)提供認(rèn)證與監(jiān)督的指導(dǎo)，同時(shí)對于FAA管理、運(yùn)營及行政人員也可以參考這份文件進(jìn)行相關(guān)的工作。該文件的實(shí)施有效期定為1年，并于2017年11月30日廢止使用。

AC進(jìn)一步指導(dǎo)開展適航符合性驗(yàn)證

2018年，F(xiàn)AA發(fā)布了咨詢通告AC 33.15-4《粉末床熔融增材制造成形渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件及修復(fù)指南》的征求意見稿。FAA的咨詢通告（AC）是FAA向所有飛機(jī)型號申請人給出的一種適航符合性驗(yàn)證方法（非強(qiáng)制實(shí)行），用來表明對適航條款或?qū)ｎ}的符合性，按此方法驗(yàn)證，F(xiàn)AA直接認(rèn)可，原則上CAAC/EASA也是認(rèn)可的。雖然這份文件不是FAA最終發(fā)布的文件，但對于如何保證增材制造（此處僅為粉末床熔融（PBF）方法）產(chǎn)品質(zhì)量仍具有重要的參考價(jià)值與意義。下面將對AC 33.15-4中的規(guī)定進(jìn)行簡述。

AC 33.15-4給出的是一種可接受的方法，用于證明通過粉末床熔融（PBF）增材制造（AM）成形渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件及零件產(chǎn)品的維修與聯(lián)邦法規(guī) 14 CFR §33.15的符合性，并對AM相關(guān)設(shè)計(jì)與制造等方面提供了指導(dǎo)。由于PBF AM成形的工藝依賴性強(qiáng)，其材料的設(shè)計(jì)值不僅與制造商采購原材料的變異性相關(guān)，而且還與用于制造生產(chǎn)零件和維修的制造工藝所引入的變異性相關(guān)。必須對全流程的參數(shù)變量有充分的理解，才能達(dá)到穩(wěn)定和可重復(fù)生產(chǎn)零件所需的控制水平。因此，AC 33.15-4在材料設(shè)計(jì)值、設(shè)計(jì)、材料與成形、后處理、檢測、工藝驗(yàn)證等6方面給出了指導(dǎo)。

測試程序要規(guī)范，材料設(shè)計(jì)許用值應(yīng)獲取

在材料設(shè)計(jì)值方面，AC 33.15-4提出要建立規(guī)范的測試程序，采用典型、有代表性（考慮成形批次、成形位置、試樣取向、原材料批次等）的測試樣本的基本準(zhǔn)則；應(yīng)考慮有效工藝窗口、產(chǎn)品的實(shí)際情況（各向異性、孔隙率、熔合不良情況等）、測試實(shí)驗(yàn)室的資質(zhì)等方面對試樣測試進(jìn)行保障；采用類似于復(fù)合材料的積木式驗(yàn)證方法（見下圖），通過試樣級、細(xì)節(jié)件級、構(gòu)件級等多層級積木式驗(yàn)證來保證產(chǎn)品研制；在成品材料設(shè)計(jì)許用值方面，要考慮增材制造材料各向異性的表征、最小材料設(shè)計(jì)極限值的建立、零件功能裕度的補(bǔ)償?shù)确矫?，最終建立材料設(shè)計(jì)許用值。

積木式驗(yàn)證

工藝特點(diǎn)與約束，設(shè)計(jì)考慮需全面

對于增材制造這一強(qiáng)設(shè)計(jì)相關(guān)的制造技術(shù)而言，從適航的考慮從零件設(shè)計(jì)就應(yīng)該開始考慮。AC 33.15-4從零件設(shè)計(jì)、零件取向、尺寸控制、表面狀態(tài)、支撐結(jié)構(gòu)、粉末去除等幾方面進(jìn)行指導(dǎo)。零件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮各向異性、增材制造特有缺陷以及缺陷的最佳檢測時(shí)機(jī)與方法；依據(jù)材料各向異性特性、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、自支撐及懸垂曲面的特點(diǎn)來考慮零件成形時(shí)的取向；考慮工藝及裝備的成形能力、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生于消除、后期熱處理及熱等靜壓等熱循環(huán)的要求來控制制件產(chǎn)品的尺寸；考慮零件的表面光潔度要求、內(nèi)表面處理、表面狀態(tài)對于力學(xué)性能、可靠性的影響以及零件產(chǎn)品防護(hù)涂層的涂覆；考慮零件生產(chǎn)時(shí)支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量的減少以及支撐結(jié)構(gòu)對于傳熱與保形的作用；考慮粉末去除，并制定相應(yīng)的程序規(guī)范，驗(yàn)證潛在殘余粉末對于零件預(yù)期功能的影響。

生產(chǎn)過程要穩(wěn)定，技術(shù)規(guī)范不可少

在材料與制造方面，主要從材料與工藝的研發(fā)以及材料與工藝控制等方面提供認(rèn)證指導(dǎo)。在材料與工藝研發(fā)階段，充分考慮變異性來源，并采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，減少材料性能變化；通過原材料規(guī)范、熔融工藝規(guī)范、熱處理規(guī)范、人員資格鑒定與認(rèn)證、設(shè)備鑒定、維護(hù)與校準(zhǔn)等方法，進(jìn)行合格冶金工藝的鑒定，批準(zhǔn)后能始終如一生產(chǎn)符合設(shè)計(jì)要求的零件；在材料與工藝控制方面，應(yīng)考慮建立原材料規(guī)范、原材料再利用要求、工藝規(guī)范、零件材料規(guī)范等方面的標(biāo)準(zhǔn)化文件用于適航認(rèn)證。

后處理規(guī)范需明確，潛在影響應(yīng)說明

在成形后處理方面，必須規(guī)范并說明成形后工藝及程序，包括：殘余粉末的去除、殘余應(yīng)力定義及解決方法、取件方法及順序、支撐去除的方法及順序、熱處理與熱等靜壓的過程參數(shù)及顯微組織要求、防護(hù)涂層涂覆的技術(shù)規(guī)范及其對材料性能的潛在影響。

檢測方法需明確，檢測要求應(yīng)給出

PBF AM是逐層沉積的過程，可能產(chǎn)生在成形方向上不具有顯著高度的缺陷（例如，沿成形面形成的、僅有1-2層厚的熔合不良等平面缺陷）。此外，成形態(tài)表面粗糙，可能會(huì)掩蓋表面缺陷，難以檢測。所有常規(guī)無損檢測（例如，X射線、熒光、超聲、渦流）是適用于AM零件檢驗(yàn)的，但可能需要以新的或組合的方式來檢測AM過程產(chǎn)生的缺陷。因此，在檢測AM零件時(shí)，應(yīng)明確零件材料固有缺陷及缺陷閾值標(biāo)準(zhǔn)、確定檢測時(shí)機(jī)、選擇適合的檢測方法與標(biāo)準(zhǔn)、保證表面狀態(tài)符合NDI檢測要求、通過CT等方法應(yīng)對復(fù)雜幾何形狀及內(nèi)部特征的檢測。AC 33.15-4指出，CT是目前唯一被批準(zhǔn)用于檢查無法直接訪問的內(nèi)部特征的檢查方法，但需要考慮其成本、時(shí)間、能力等。

工藝過程需驗(yàn)證，更改必須有依據(jù)

為保證穩(wěn)定、可再現(xiàn)地生產(chǎn)出符合設(shè)計(jì)要求的尺寸、性能及質(zhì)量的零件，AC 33.15-4提出進(jìn)行工藝驗(yàn)證，包括工藝驗(yàn)證方法、工藝定型鑒定、設(shè)備鑒定、多臺設(shè)備鑒定以及關(guān)鍵工藝變更的相關(guān)要求。當(dāng)工藝過程與參數(shù)發(fā)生變更時(shí)，必須提供可靠地試驗(yàn)數(shù)據(jù)及依據(jù)進(jìn)行說明。

FAA對于AC 33.15-4的制定及未來發(fā)布表明增材制造在航空領(lǐng)域的應(yīng)用已初步進(jìn)入實(shí)際工程應(yīng)用、批量生產(chǎn)階段，其規(guī)定的要求都體現(xiàn)出從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制到批生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)與流程都需要系統(tǒng)化、規(guī)范化的技術(shù)文件支撐，才能保證產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量一致性及可重現(xiàn)性，這對于提升國內(nèi)增材制造產(chǎn)品質(zhì)量、推動(dòng)增材制造在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用有重要的指導(dǎo)及參考價(jià)值。