当下，3D打印技术的应用探索与研究主要聚焦于航空航天、电子、医疗等精密零件的加工与修复领域，而在以铁基金属为主导的大型铸锻件领域的应用还相对较少。大型铸锻件产品，像火电主轴、核电封头、水轮机叶片等，其重量常常达到几十吨甚至上百吨。以目前金属3D打印技术平均每小时1千克的加工速度，以及每公斤材料上千元的成本来计算，采用大型铸锻件整体3D打印技术来完成大型铸锻件的制造，在现实中是难以实现的。不过，这并不意味着3D打印技术无法在大型铸锻件领域获得广泛应用。
只要运用得当，3D打印技术也能够如同铸造、锻造以及焊接一样，成为大型铸锻件制造过程中不可或缺的重要生产工艺，并且在推动大型铸锻件行业技术创新、降低成本提高效率、提升产品质量等方面发挥关键作用。本文通过借鉴当前金属及非金属3D打印技术在其他领域取得的研究成果，对未来3D打印技术在以铁基金属为主的大型铸锻件领域的应用方向展开了分析，以期为大型铸锻件行业的发展提供参考。
金属材料3D打印技术
利用3D打印技术制造的钛合金大型整体主承力结构件等大型金属零件，其性能能够达到或者接近锻件的水平。通过3D打印技术修复涡扇发动机叶片，实现了3D打印区域与零件基体结合处的性能满足零件的要求。与传统的焊接方式相比，金属3D打印修复具有以下显著特点：
- 热影响区域小：不会对基体组织的应力分布产生影响。
- 无需加热及后续热处理：简化了修复流程。
- 冶金结合紧密：3D打印组织与基体实现冶金结合，且结合致密，性能接近零件原有的组织。
- 组织性能达标：3D打印区域的组织性能能够达到锻件的水平。
- 自动化控制且加工余量少：提高了修复的精准度和效率。
大型锻件局部3D打印成形
以AP1000核电主管道为例，其设计要求采用超低碳控氮不锈钢进行整体锻造，而锻件生产的主要难题在于两个管嘴的成形，且锻件材料的利用率低于15%。受到3D打印技术修复涡扇发动机叶片的启发，核电主管道的成形可以简化为先锻造或挤压不锈钢管，再通过3D打印技术成形管嘴。这种方法能够极大地降低核电主管道的生产难度和成本。
类似核电主管道以及多管嘴封头等具有局部难以成形特征的大型锻件，都可以采用锻件主体加上3D打印局部的方式来进行成形。这种方法在保证锻件整体质量的前提下，能够大幅降低锻件的生产难度、成本和周期。此外，还可以将大型锻件局部3D打印成形的思路拓展到大型零件3D打印拼焊技术。如果3D打印区域以及该区域与基体结合区域的金属材料性能都能够达到锻件的要求，那么在未来完全可以采用3D打印拼焊锻件来替代整体大锻件。
大型锻件缺陷修复
大型锻件表面及内部存在的超标缺陷，以及由于缺料导致锻件加工余量不足等质量问题，都可能导致锻件整体报废，进而造成巨大的经济损失和能源浪费。由于焊接组织的性能低于锻件组织，所以一般情况下锻件不允许进行补焊，而金属3D打印技术的出现改变了这一局面。目前，金属3D打印的某些材料性能已经能够达到锻件的水平，如果3D打印组织与锻件基体的结合能够满足锻件的要求，就可以采用3D打印技术对大型锻件的缺陷区域进行局部修补，从而提高锻件的合格率。未来，随着3D打印技术的不断进步，就像大型铸件允许补焊一样，大型锻件也将允许采用3D打印技术进行修复，这将是大型锻件生产工艺的一次革命性突破。
大型零件在线修复
发电机转子、水轮机叶片、船用曲轴等大型零件在使用过程中，会出现局部裂纹、磨损及变形等失效问题。传统的补焊方法需要经过机加工、预热、焊接、机加工、热处理等一系列流程才能完成修复。而且修复工作需要在大型专业设备上进行，修复区域的性能低于零件原有的组织，这不仅增加了维修成本和维修周期，维修效果也不尽如人意。而采用机器人与3D打印技术相结合构建的便携式可移动金属3D打印设备，能够改变这一现状，实现大型零件的现场修复，甚至是在线修复。机器人金属3D打印技术修复大型零件的具体操作步骤如下：
- 确定修复方案并预处理修复区域：根据零件的损坏情况制定合适的修复方案，并对修复区域进行清洁等预处理工作。
- 三维反求建模：运用三维成像技术对修复区域进行扫描，建立三维模型。
- 转化机械手移动路径：将修复区域的三维模型转化为机械手的移动路径，以便机械手能够准确地进行3D打印操作。
- 确定参数并定位修复：确定3D打印的各项参数，机械手进行精准定位后开始修复工作。
- 表面处理及检测：对修复区域的表面进行打磨等处理，并进行检测以确保修复质量。