美国国家航空航天局（NASA）与美国联邦航空管理局（FAA）联合发布了一份战略文件，提出将计算机仿真作为缩短金属3D打印航空部件认证时间和降低成本的工具。这份长达195页的报告由一个名为CM4QC的指导小组历时五年制定完成，该小组由来自波音、洛克希德·马丁、GE航空航天、霍尼韦尔、RTX、卡内基梅隆大学以及多个国家实验室的专家组成。报告为将计算建模融入商业和国防航空领域金属3D打印部件的鉴定与认证流程，制定了详细的路线图。
这一举措至关重要，因为尽管经过多年投资并取得了真正的技术进步，金属增材制造在获得认证的航空硬件领域仍未取得重大突破。主要障碍并非打印技术本身，而是后续的认证环节。
重新思考航空部件的认证方式
根据现行规则，每个新的3D打印金属部件都必须通过详尽的物理测试来验证。合金成分、打印机型号或部件几何形状的任何改变都可能引发新一轮测试。航空认证体系是围绕传统制造方式设计的，其材料行为可预测且均匀。但金属3D打印并非如此。由于激光逐层熔融金属粉末，部件的热历史过程存在差异，导致其微观结构在不同位置可能各不相同。仅通过物理测试来捕捉并证明这种可变性的安全性，不仅过程缓慢、成本高昂，且难以规模化推广。
部件当前合格状态（预认证）。图片来源：NASA/FAA
因此，报告提出使用经过验证的计算机仿真技术，从激光束到最终部件的机械性能进行全物理过程追踪，模拟微观结构的形成、内应力的产生位置以及部件在服役疲劳载荷下的可能行为。这一概念对认证领域并非完全陌生，结构分析软件在飞机认证中的应用已有数十年历史。此处的目标是将同样的逻辑延伸至材料层面，而该层面的复杂性要大得多。
为使仿真结果足够可靠以用于监管，报告引入了“仿真成熟度等级”框架。这是一种结构化方法，供工程师和监管机构评估对任何给定模型的置信度，涵盖从代码验证、实验验证到不确定性量化的各个方面。一些仿真工具已被认为足够成熟可用于工业领域，特别是用于预测残余应力和热力学行为的工具。CALPHAD（一种用于模拟合金化学成分的计算方法）便是其中之一。而其他工具，尤其是那些基于第一性原理预测疲劳寿命的，仍需要重大改进。
如果遵循该路线图，其益处将远超增材制造本身。该框架旨在适用于任何因生产过程复杂性而使传统依赖大量测试的认证方式变得不切实际的制造工艺，包括搅拌摩擦焊和粉末冶金。完全依赖仿真进行飞行认证仍有很长的路要走，但行业现在已有了一个具体而详细的实现计划。
采用优化的协同制造（CM）+实验方法的产品开发未来状态。图片来源：美国国家航空航天局（NASA）/美国联邦航空局（FAA）
仿真在金属增材制造领域取得进展
目前，为认证单一新材料与工艺组合所需的许用值数据，其生成成本超过100万美元，耗时超过18个月。这一成本会随着合金、设备或几何形状的每次改变而重置。对于像金属3D打印这样多变且可配置的制造方法，这种经济账难以持续。正是这种高昂成本，正驱使越来越多的工程师和项目将仿真视为一种实用的替代方案。
在2025年增材制造用户大会上，Flow Science公司的计算流体动力学工程师Garrett Clyma展示了熔池仿真如何在打印开始前预测金属增材制造构建中的缺陷形成。使用FLOW-3D AM软件，他的团队模拟了应用于钛合金构建的一系列激光束轮廓，结果与物理实验和原位X射线数据的匹配度在10%以内。该平台输出温度梯度、冷却速率和熔池速度等变量，这些正是驱动微观结构形成并最终决定机械性能的关键因素。这正是NASA/FAA路线图所认定的、作为必要基础的经过验证的过程级仿真实例。
此外，作为CM4QC指导小组指定贡献者的霍尼韦尔公司，正在领导一个名为“STRATA项目”的倡议。这是一个由英国政府资助、金额达1410万英镑的项目，结合人工智能和基于物理的仿真来开发和鉴定3D打印航空航天部件。该项目汇集了仿真软件开发商BeyondMath、金属3D打印专业公司3T Additive Manufacturing以及牛津热流体研究所的研究人员，专注于加速设计、降低成本并加强英国的增材制造供应链。
CM4QC指导小组的指定贡献者正在运行一个实时的仿真驱动增材制造项目，这一事实表明，路线图与行业投资正朝着同一个目标汇聚。
中国3D打印网编译文章！
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