在美国田纳西州的一间实验室里，一支机械臂用了八周时间，把熔化的钢丝一层一层堆成一个高6英尺、宽4英尺、重近两吨的庞然大物。它看上去像一件工业雕塑，实际却是一台航空装备，名为冲压成形模具，英文缩写SFD。制造它的是美国能源部橡树岭国家实验室与波音公司，工艺是多材料电弧增材制造，这台模具将用于热塑性复合材料飞机部件的冲压成形，并直接服务NASA的高速复合材料飞机制造计划。
八周长出一台近两吨的航空模具
要理解这台模具的价值，先要看它替代的是什么。SFD是一种冲压机，用来切割或成形材料。在飞机制造中，热塑性飞机舱门的做法可以类比成一个三明治，把加热后的塑料板夹在上下两块SFD金属模具之间冲压成型。模具表面直接决定舱门的形状精度与表面质量，属于典型的大型工装。
传统上，这个尺寸的模具要靠机械加工、铸造、锻造与钻孔等多道工序组合完成，制作周期通常以月计。橡树岭与波音想验证的是另一条路径，能否用增材制造更快、更便宜、更容易地做出一台带热控功能的SFD模具。
项目使用的设备是橡树岭的Arc-1系统，一套配备机械臂与焊枪的机器人焊接装置，原理是熔化金属丝并逐层堆积，而不是从一整块金属上切削材料。整个打印在橡树岭的制造示范设施内完成，最终得到的模具高6英尺、宽4英尺，重量接近两吨，耗时八周。
| 指标 | 数据 |
|---|---|
| 模具类型 | 冲压成形模具（SFD） |
| 尺寸 | 高6英尺、宽4英尺 |
| 重量 | 接近2吨 |
| 制造周期 | 8周 |
| 使用设备 | 橡树岭Arc-1机器人WAAM系统 |
| 材料构成 | 结构区低碳钢、工作面不锈钢 |
值得注意的是，这台模具本身就是工装而非最终零件。它不装上飞机，而是用来制造飞机上的复合材料部件。这种把增材制造用于大型工装而不是直接做终端件的思路，恰好绕开了金属增材在表面精度与批量一致性上最吃力的部分，转而发挥它在复杂内腔与快速成形上的优势。
多材料同送：低碳钢做骨架，不锈钢做工作面
项目最关键的技术特征是材料混用。多数WAAM系统只能送一种金属丝，而Arc-1可以同时送入多种线材，在同一过程中把不同金属熔化并堆叠在一起。这种能力带来的是设计自由度的量级提升，因为材料可以按部位分配，而不是整件统一。
波音这台模具的材料方案就体现了这一点。结构区域使用低碳钢，承担强度与刚度要求；模具表面则堆焊不锈钢，提供耐腐蚀性、尺寸稳定性与耐用工作界面。一台模具上同时出现两种性能取向完全不同的钢材，传统铸造与锻造工艺很难做到，因为它们通常要把整块材料熔炼均匀。
橡树岭高级机器人工程师安杰伊·尼茨对此的表述是，多材料WAAM让全新的设计成为可能，把精细调节的机械性能与时间和成本节约结合在一起。这句话的重点在最后半句，材料混用不只是性能优化，也直接改变了成本结构，因为贵材料只在需要的部位出现。
这项线材电弧技术本身是橡树岭与林肯电气通过合作研发协议共同开发的成果，负责最终加工的Baker Industries是林肯电气的子公司。一个模具项目串起国家实验室、整机厂商、焊接设备企业与机加工企业，这种组合在美国制造业创新体系中并不罕见，但落到具体项目上仍能看出分工的清晰度，实验室出工艺与仿真，企业出需求与验证场景。
变形控制：32次模拟与临时支撑肋
把一个近两吨的金属结构用逐层堆积的方式做出来，最大的技术敌人是变形。沉积金属在冷却过程中会产生残余应力，应力释放时结构会扭转或尺寸漂移，越大的零件越难控制。对于一个工作面精度直接决定成品舱门质量的大型模具，几毫米的偏差都可能带来后续装配问题。
团队采用了双管齐下的策略。物理层面，在模具背面添加临时支撑肋，从结构上约束变形趋势。数据层面，用计算机模拟预测打印过程中的形变并提前补偿，前后共迭代32次，最终把成品形状偏差控制在几毫米以内。这个数字放在6英尺高的尺度上看，意味着变形控制精度进入了千分之一量级。
打印完成后的流程同样值得关注。模具被送往密歇根州的Baker Industries进行退火以消除内部应力，随后切除临时支撑肋，并完成其余加工工序以满足波音的全部要求。也就是说，最终交付的工具并非全部由增材制造完成，增减材结合与后续热处理仍然是必要的组成环节。
| 环节 | 传统路径 | 多材料WAAM路径 |
|---|---|---|
| 成形方式 | 铸造、锻造、机加、钻孔组合 | 机器人逐层堆焊成形 |
| 材料配置 | 整件材料基本统一 | 结构区低碳钢、工作面不锈钢 |
| 冷却通道 | 钻长直孔 | 贴合型面的弯曲通道一体化成型 |
| 周期 | 通常以月计 | 本项目8周 |
| 变形控制 | 依赖工装与经验 | 临时支撑肋加32次模拟迭代 |
从工程角度看，32次模拟迭代这个数字比2吨重量更有信息量。它说明大型金属增材目前的成熟度仍高度依赖仿真与试错，而不是靠一套通用参数就能稳定复现。这也是大型金属件从样件走向批量工装的主要障碍之一。
弯曲冷却通道，与热塑性复合材料的减重逻辑
增材制造在这台模具上带来的另一个改变是冷却通道的形态。传统模具通常在内部钻出又长又直的孔来输送加热与冷却流体，受钻头路径限制，通道走向与模具型面很难贴合。3D打印则可以直接构建弯曲通道，让管路紧贴模具外形分布，热传递效率因此提高，模具在冲压过程中的温度控制更均匀。
这一点与热塑性复合材料的成形特性直接相关。热塑性复合材料比常规铝制机体更轻，而更轻的飞机消耗更少燃油，这正是NASA推动这项工作的核心动机。NASA的HiCAM项目经理理查德·扬表示，NASA及其行业伙伴正致力于提高复合材料飞机的生产速度以满足航空出行的增长需求，同时减轻飞机重量可以提升燃油效率、降低运营成本，这对于维持美国商用航空业的竞争优势至关重要。
HiCAM项目的目标相当激进，要在不付出成本与重量代价的前提下把复合材料结构的生产率提高四到六倍。项目公布的生产率基准显示，金属结构的当前水平是每月60架，复合材料为每月10到15架，而目标区间是每月80到100架。全尺寸演示计划也已排期，复合材料机身筒段与翼盒的大规模制造演示分别安排在2028年与2029年。为推进这些方向，NASA已向14家机构拨款5000万美元，涵盖波音、柯林斯宇航、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼、Spirit AeroSystems以及南卡罗来纳大学、威奇托州立大学国家航空研究所等单位。
| HiCAM关键指标 | 数据 |
|---|---|
| 生产率提升目标 | 4至6倍，且不增加成本与重量 |
| 金属结构当前月产 | 约60架 |
| 复合材料当前月产 | 10至15架 |
| 目标月产区间 | 80至100架 |
| 全尺寸演示节点 | 机身筒段2028年、翼盒2029年 |
| 项目拨款 | 5000万美元，覆盖14家机构 |
把生产率目标拆开看，复合材料机身的瓶颈并不在铺层本身，而在配套工装的数量与周转速度。一台模具的交付周期如果能从数月压缩到八周，意味着同一条产线可以在相同时间内获得更多可用工装，这对冲压成形这类依赖模具数量的工艺尤其关键。波音技术专员迈克尔·马特拉克的表态也指向同一逻辑，美国企业必须持续创新并突破技术边界，以保持在全球市场中的竞争优势。
从航空工装到能源与汽车，WAAM的边界在哪里
橡树岭对这项技术的定位很明确，它首先是一个测试案例。橡树岭复合材料创新组组长艾哈迈德·阿拉比·哈森表示，这次成功意味着该技术可以用来为美国其他工业部门制造大型热塑性结构，比如能源和汽车。按这个逻辑推演，可迁移的场景包括电动汽车的轻量化车身板冲压、清洁能源领域的大型复合材料风电叶片模具，以及航天领域的火箭整流罩与舱体结构模具。
平台化是橡树岭的下一步。该实验室推出的Future Foundries平台把电弧增材、热处理、检测与机加工整合到同一个系统中，通过自主托盘切换装置在各工序间移动部件，并让工作流并行运行，官方给出的数据是生产周期最多缩短68%。平台采用模块化设计，每道工序是一个自带公用设施与网络的独立单元，企业可以沿用自有设备、按需增删模块，从而降低资本支出门槛。这套平台由橡树岭与Okuma America合作开发，背后有一个现实背景，美国本土铸造业在过去二十年下降了约40%，大量产能转移到海外。
但边界同样清晰。其一，并非所有部件都由3D打印完成，退火、去肋与剩余加工仍依赖传统制造能力，增材在这里替代的是成形环节而不是整个流程。其二，几毫米的偏差是相对于6英尺的模具尺度而言，与精密模具的精度要求不是同一量级。其三，大型WAAM构件的疲劳性能、批次一致性与长期尺寸稳定性数据仍需时间积累，从工装验证到批量复现之间还有距离。其四，橡树岭与波音均未披露这台模具的打印时长成本与传统铸造锻造方案的对比口径，八周这个数字是否具备成本优势，目前还缺少公开的量化支撑。
总结来看，这台近两吨的模具提供了一条清晰的路径参照，大型金属增材不必急于替代终端零件，先从工装与模具切入，用复杂内腔与快速交付换取确定性收益，是更现实的落地顺序。当多材料同送、残余应力仿真与增减材协同这三项能力继续收敛，航空工装之外的重型制造场景才会真正打开。
来源：橡树岭国家实验室、AZoM、NASA