3D科學(xué)谷 王曉燕

航空工業(yè)在20世紀(jì)80年代就開始使用增材制造技術(shù)，之前增材制造在航空制造業(yè)只扮演了快速原型的小角色。最近的發(fā)展趨勢是，在航空領(lǐng)域，3D打印正在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。通過3D打?。ǚ勰┐踩廴诩夹g(shù)）一體化高度復(fù)雜零件以及通過3D打?。ǘㄏ蚰芰砍练e技術(shù)）替代鍛造，成為航空企業(yè)又一輪的技術(shù)競賽。而在航天領(lǐng)域，通過3D打印低成本可重復(fù)利用的下一代火箭發(fā)動機(jī)，已經(jīng)引發(fā)新一輪的NASA與ESA競賽。航空航天企業(yè)已經(jīng)不再浪費(fèi)時間去思考是否該采用3D打印技術(shù)，而是集中精力探索如何通過3D打印技術(shù)保持航空航天制造技術(shù)的領(lǐng)先性。

(圖片來源：GE)

最典型的應(yīng)用要屬GE用增材制造的方法來生產(chǎn)噴油嘴，噴油嘴的設(shè)計可以避免“開鍋”，或者是油嘴部位積碳。 GE聲明該結(jié)構(gòu)的噴油嘴幾何形狀只能通過增材制造的方法來生產(chǎn)。2010年空客將GE生產(chǎn)的LEAP-1A發(fā)動機(jī)作為A320neo飛機(jī)的選配，LEAP發(fā)動機(jī)中帶有3D打印的燃油噴嘴。2015年5月19日，A320neo飛機(jī)首飛成功。裝有LEAP發(fā)動機(jī)的A320neo 獲得歐洲航空安全局（EASA）的認(rèn)證和美國聯(lián)航空管理局(FAA)的認(rèn)證。

2017年10月初，GE航空宣布成功完成了T901-GE-900 渦輪軸發(fā)動機(jī)原型的測試。這款發(fā)動機(jī)屬于美國陸軍改進(jìn)型渦輪發(fā)動機(jī)項目（Improved Turbine Engine Program,ITEP）的一部分。測試結(jié)果表明，GE T901發(fā)動機(jī)的性能達(dá)到甚至超過ITEP 項目的要求，已為發(fā)動機(jī)的制造做好準(zhǔn)備。

應(yīng)用在航空制造領(lǐng)域中的金屬增材制造技術(shù)，除了像GE的噴油嘴所采用的粉末床熔融3D打印技術(shù)，還有其他的3D打印技術(shù)，以激光、電子束、等離子束或電弧為聚焦熱能的定向能量沉積 （Directed Energy Deposition，DED）3D打印技術(shù)在一定程度上替代了鍛造技術(shù)。

早在2003年，波音就通過美國空軍研究實驗室來驗證一個3D打印的金屬零件。這個零件是用于F-15戰(zhàn)斗機(jī)上的備品備件。當(dāng)需要更換部件時，3D打印的作用顯現(xiàn)出來，因為通過傳統(tǒng)加工的時間太長了，并且通過3D打印加工鈦合金，替代了原先的鋁鍛件，而鈦合金的抗腐蝕疲勞更高，反而更加滿足這個零部件所需要達(dá)到的性能。當(dāng)時這個零件是通過激光能量沉積的工藝，加工金屬粉末來獲得的，這種DED工藝被首次應(yīng)用到軍事飛機(jī)上。同時也打開了波音公司的3D打印應(yīng)用之路。14年后，波音公司現(xiàn)在已有超過50 000件3D打印的各種類型的飛機(jī)零件。

波音公司開始通過DED技術(shù)為其787夢幻客機(jī)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件。通過挪威鈦（Norsk Titanium）公司的快速等離子沉積技術(shù)，在結(jié)構(gòu)件研發(fā)的過程中，雙方共同改進(jìn)工藝，并進(jìn)行了一系列嚴(yán)格地測試，最終在2017年2月獲得了首個3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA認(rèn)證。

熱塑性塑料以及基于材料擠出工藝的熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）3D打印技術(shù)，也被應(yīng)用于飛機(jī)零件或備品備件的制造中，這方面的典型3D打印技術(shù)是Stratasys公司的ULTEM材料及其FDM 3D打印設(shè)備，這款材料以及用該材料3D打印飛機(jī)通風(fēng)道的工藝在2015年通過了FAA標(biāo)準(zhǔn)。

無論是DED金屬3D打印技術(shù)還是FDM這樣的塑料3D打印技術(shù)，在航空制造中的應(yīng)用都涉及到了備品備件的生產(chǎn)。商用飛機(jī)的使用壽命是30年，而維護(hù)和保養(yǎng)飛機(jī)的原制造設(shè)備是非常昂貴的。通過增材制造技術(shù)，測試和替換零部件可以在2周內(nèi)完成，這些零件可以被快速運(yùn)到需要維修的飛機(jī)所在地，省時省力地幫助飛機(jī)重新起飛。將來增材制造方式可以顯著改變目前航空零部件的庫存狀態(tài)。把設(shè)計圖紙輸入到打印機(jī)，就可以快速制造出零部件，將大大降低航空零部件的庫存。

在這方面，中國東方航空成為國內(nèi)第一家將3D打印的客艙內(nèi)飾件應(yīng)用到商用客機(jī)中的航空公司。通過3D小批量打印，中國東方航空解決了過去易損零件訂貨周期長、成本高的問題，同時保障了公司機(jī)隊的安全飛行，提高了旅客的乘坐體驗。

此外，不再需要保有大量的零部件以備飛機(jī)維修需求，這些大量的零部件生產(chǎn)也是十分昂貴和浪費(fèi)資源的。當(dāng)然，對于舊機(jī)型，尤其是數(shù)據(jù)丟失的型號，保有原來的零部件還是需要的。

切入點(diǎn)1：性能更好的零件

仿生結(jié)構(gòu)帶來了材料使用率和力學(xué)性能的良好結(jié)合，這正是增材制造的價值所在，也是3D打印技術(shù)會走進(jìn)航空制造業(yè)的重要原因。在空客（Airbus）機(jī)艙設(shè)計師的設(shè)想中，未來飛機(jī)的仿生結(jié)構(gòu)將創(chuàng)造力量與材料分布的完美結(jié)合，光線充滿整個空間，旅客可以全景觀看艙外景色。設(shè)計師在最近幾年打造的一款概念飛機(jī)中將這些仿生設(shè)計理念體現(xiàn)了出來，并且提出，在未來這款飛機(jī)的機(jī)艙將完全由一臺有飛機(jī)庫那樣大的巨型3D打印機(jī)來打造。

（圖片來源：空客）

雖然空客仿生機(jī)艙3D打印距離現(xiàn)實還比較遙遠(yuǎn)，但在現(xiàn)實中，有著類似設(shè)計理念和制造方式的機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入到了生產(chǎn)階段?？湛偷淖庸続Pworks與歐特克公司的The Living設(shè)計工作室合作，為空客A320飛機(jī)開發(fā)了一個大尺寸的“仿生”機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)。由選區(qū)激光熔融金屬3D打印設(shè)備和新型超強(qiáng)、輕質(zhì)合金材料制造而成。這些3D打印隔離結(jié)構(gòu)已在2016年進(jìn)行測試，計劃安裝在新的空客A320上，用于分隔客艙后部的食品準(zhǔn)備區(qū)域。

“仿生”機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)的亮點(diǎn)在于其仿生學(xué)設(shè)計，設(shè)計靈感來源于細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特別適合應(yīng)用于有著高強(qiáng)度、低質(zhì)量要求的航空零件。整個隔離結(jié)構(gòu)是模塊化的設(shè)計，其122個3D打印部件像“拼圖”一樣連接在一起。這樣的設(shè)計不僅最大限度地減少材料的使用，而且具有高韌性的特點(diǎn)，其中一個或多個節(jié)點(diǎn)斷裂的時候，并不影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)固性。

3D打印的仿生隔離結(jié)構(gòu)比原來的結(jié)構(gòu)輕了大約25kg，這一看似微不足道數(shù)字，如果從每架飛機(jī)的整個服役周期來計算的話，將累計減少的二氧化碳排放量將高達(dá)9.6萬t。而如果未來將這樣的3D打印仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用到整個機(jī)艙的制造，帶來的二氧化碳排放量節(jié)省則更為驚人，相當(dāng)于每年減少46.5萬t的CO2排放量，相當(dāng)于陸地上減少了9.6萬輛汽車對大氣的污染。可見，3D打印仿生結(jié)構(gòu)的價值不僅僅在于自身對材料的節(jié)約，更在于對飛機(jī)能源的節(jié)約和環(huán)保的影響。

切入點(diǎn)2：輕量化

飛機(jī)上的小零件每減輕一點(diǎn)質(zhì)量就會使飛機(jī)節(jié)省大量的燃油消耗。以一架起飛重量達(dá)65t的波音737 飛機(jī)為例，如果機(jī)身減輕一磅（45g）的質(zhì)量，每年將節(jié)省數(shù)十萬美元燃油成本。實現(xiàn)飛機(jī)減重的常見方式是使用質(zhì)量更輕、性能更強(qiáng)的先進(jìn)材料來替代現(xiàn)有材料。

(圖片來源：牛津性能材料)

強(qiáng)度質(zhì)量比優(yōu)于鑄造鋁，高性能碳纖維部件的下一個目標(biāo)是發(fā)動機(jī)性能結(jié)構(gòu)件與高性能機(jī)翼部件。2017年， 牛津性能材料與勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在碳纖維復(fù)合材料實現(xiàn)應(yīng)用領(lǐng)域新突破。 牛津性能材料將其OXFAB 3D材料打印成飛機(jī)導(dǎo)向葉片。由于其惰性特點(diǎn)，OXFAB具有高度耐化學(xué)性和耐熱性，既可以抵抗高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的高溫，同時抵抗火焰和輻射，這對于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。通過鍍鎳工藝，牛津性能材料發(fā)現(xiàn)新材料可以達(dá)到介于鈦合金與高性能航空鋁的性能。

另一種減重方式是對現(xiàn)有飛機(jī)零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計，3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計層面實現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)以及異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。

無論是3D打印的發(fā)動機(jī)零部件，還是飛機(jī)機(jī)艙中的大型零部件，在航空制造業(yè)所進(jìn)行的大量3D打印探索當(dāng)中，相比上一代設(shè)計更加輕量化，幾乎是這些零部件的共同特點(diǎn)。3D打印技術(shù)通過實現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計層面上的突破而實現(xiàn)輕量化， 以最少的材料滿足零部件的性能要求。

GE公司就曾通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計和金屬3D打印技術(shù)設(shè)計了一個輕量化的鈦合金飛機(jī)發(fā)動機(jī)支架。負(fù)責(zé)零件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計與制造的3D Systems公司QiuckParts團(tuán)隊，通過Frustum拓?fù)鋬?yōu)化軟件對零件的材料分布進(jìn)行了優(yōu)化，最終在實現(xiàn)零部件功能的前提下保留盡可能少的材料，并通過光滑和混合表面的處理降低應(yīng)力。GE航空對3D打印的零部件進(jìn)行了力學(xué)測試，在實現(xiàn)零件減重70%的前提下，3D打印的鈦合金支架滿足GE 的零件負(fù)載要求。

對飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的精密零部件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，也是3D打印輕量化結(jié)構(gòu)大有可為的領(lǐng)域。西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司3D打印的航空發(fā)動機(jī)中空葉片原型，葉片總高度為933mm，橫截面最大弦長183mm，內(nèi)部中空，以21排成45的薄肋進(jìn)行加固處理。鉑力特采用金屬3D打印技術(shù)一次成形制造，內(nèi)部致密，整個葉片中空設(shè)計使得葉片質(zhì)量減輕75%。

不僅僅是航空領(lǐng)域，在航天領(lǐng)域，中國航天科技集團(tuán)五院總體部在通過3D打印實現(xiàn)輕量化方面已經(jīng)擁有多年的經(jīng)驗，并且形成了面向增材制造技術(shù)的設(shè)計方法。在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元性能研究方面，中國航天科技集團(tuán)五院總體部根據(jù)三維點(diǎn)陣的胞元形式的特點(diǎn)，結(jié)合三維點(diǎn)陣在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的實際情況，提出了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元的表達(dá)規(guī)范，即通過胞元占據(jù)的空間并結(jié)合胞元桿件的直徑來表達(dá)三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元的設(shè)計信息。

（圖片來源：鉑力特-Bright Laser）

（圖片：鉑力特為中國航天科技集團(tuán)五院總體部3D打印的微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)內(nèi)部）

基于增材制造及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的典型微小衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)：

尺寸包絡(luò)：400mm×400mm×400mm；

承載能力：104kg；

結(jié)構(gòu)重量：＜9kg；

制造周期：15天內(nèi)。

切入點(diǎn)3：解決傳統(tǒng)工藝無法加工的難題或在經(jīng)濟(jì)性方面替代鑄造和鍛造

在傳統(tǒng)鑄造工藝中，大尺寸和薄壁結(jié)構(gòu)鑄件的制造一直存在難以突破的技術(shù)壁壘。由于冷卻速度不同，在鑄造薄壁結(jié)構(gòu)金屬零件時，會出現(xiàn)難以完成鑄造或者鑄造后應(yīng)力過大、零件變形的情況。這類零件可以轉(zhuǎn)而使用選區(qū)激光熔融3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，通過激光光斑對金屬粉末逐點(diǎn)熔化，在局部結(jié)構(gòu)的得到良好控制的情況下保證零件整體性能。

（圖片來源：鉑力特-Bright Laser）

鉑力特通過選區(qū)激光熔融設(shè)備制造的多層薄壁圓柱體，材料為鎳基高溫合金粉末，零件尺寸為 φ576mm×200mm，質(zhì)量為15kg，壁厚最薄處僅2.5mm，φ576mm×200mm。該零件體現(xiàn)了選區(qū)激光熔融技術(shù)在制備大幅面薄壁零件方面的能力。與鑄造工藝相比，采用金屬3D打印技術(shù)直接制造零件，不需要提前制備砂鑄造型，這使得制造周期大大縮短。鉑力特制造的這款多層薄壁圓柱體時所花費(fèi)的打印時間約為72h。

鍛造生產(chǎn)是機(jī)械制造工業(yè)中提供機(jī)械零件毛坯的主要加工方法之一，飛機(jī)上鍛件制成的零件質(zhì)量約占飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的20%～35%和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的30%～45%，是決定飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的性能、可靠性、壽命和經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一，鍛造技術(shù)的發(fā)展對航空制造業(yè)有著舉足輕重的作用。

隨著航空產(chǎn)業(yè)不斷的發(fā)展，對航空裝備極端輕質(zhì)化與可靠化的追求越來越急迫，鍛造技術(shù)的瓶頸已逐漸顯現(xiàn)，尤其在大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件、精密復(fù)雜構(gòu)件的制造，以及制造材料的節(jié)省方面。定向能量沉積（DED）3D打印工藝在航空航天制造業(yè)中的應(yīng)用恰好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鍛造技術(shù)的不足，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件一體化制造（翼身一體）、重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）、難加工材料及零件的成形、高端零部件的修復(fù)（葉片、機(jī)匣的修復(fù)）等傳統(tǒng)鍛造技術(shù)無法做到的領(lǐng)域發(fā)揮出獨(dú)特的價值。甚至有人認(rèn)為3D打印技術(shù)可以替代鍛造技術(shù)用于航空制造領(lǐng)域。

以電子束和等離子束為熱能的定向能量沉積技術(shù)在近年來受到了航空航天制造企業(yè)的重視，這些技術(shù)被用于制造大型復(fù)雜整體零件的毛胚。波音通過Norsk Titanium公司的快速等離子沉積設(shè)備 3D打印的鈦合金結(jié)構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)入了生產(chǎn)階段。美國航空制造企業(yè)洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司（Lockheed Martin Space Systems Company）曾投資400萬美元從Sciaky公司購買了一臺基于電子束熔化焊接（EBAM）技術(shù)的 3D打印機(jī)，并用這臺設(shè)備制造出直徑近1500mm的燃料箱，削減了燃料箱的制造成本。

通過電子束熔化焊接技術(shù)的特點(diǎn)，可以了解到定向能量沉積3D打印工藝與鍛造工藝的區(qū)別。電子束熔化焊接技術(shù)的3D打印材料為金屬絲，并使用一種功率強(qiáng)大的電子束在真空環(huán)境中通過高達(dá)1000℃的高溫來融化打印金屬零部件。這種電子束槍的金屬沉積速率達(dá)9.07kg/h。電子束定向能量沉積、逐層增加的方法創(chuàng)建出來的任何金屬部件都近乎純凈。該技術(shù)也可以用于修復(fù)受損的部件或者增加模塊化部件，并且不會產(chǎn)生傳統(tǒng)焊接或金屬連接技術(shù)中常見的接縫或者其他弱點(diǎn)。

在模鍛工藝中需要用到模具，金屬坯料在具有一定形狀的鍛模膛內(nèi)受壓變形而獲得鍛件。加上制造模具的時間，鍛造的交貨期與電子束融化焊接技術(shù)的交貨期的差距就十分明顯。這使得電子束融化焊接技術(shù)在航空航天行業(yè)關(guān)于小批量生產(chǎn)需求的零件制造方面獨(dú)具交貨期短的優(yōu)勢。

鍛造和電子束融化焊接都是近凈成形工藝，但電子束融化焊接更接近凈型，加工過程中需要去除的材料更少。航空航天制造材料往往是昂貴的，而電子束融化焊接技術(shù)比鍛造技術(shù)減少約50%的材料去除需求。而在后期的機(jī)械加工中，需要去除的材料少意味著切削刀具和切削液消耗量的降低，以及獲得更少的加工時間。增材制造技術(shù)為材料節(jié)省所創(chuàng)造的價值， 在制造鈦金屬等昂貴飛機(jī)零件制造材料時顯得尤為突出。

電子束融化焊接技術(shù)在加工的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)實時質(zhì)量控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)通過監(jiān)測構(gòu)建參數(shù)保證質(zhì)量達(dá)到要求，并可以通過調(diào)整能量的大小，保持一致的零件幾何形狀、化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)。

EBAM 設(shè)備還有一項具有潛力的配置——雙絲。具有雙絲配置的設(shè)備，從兩個獨(dú)立控制的送絲裝置上料，實現(xiàn)同時加工兩種不同的金屬絲材。該配置使EBAM技術(shù)在制造梯度合金材料方面具有應(yīng)用潛力。

也許，不僅僅航空航天行業(yè)需要定向能量沉積3D打印技術(shù)提供鍛造服務(wù)的公司也可以考慮引入這類3D打印技術(shù)，將其與傳統(tǒng)鍛造工藝放在同一屋檐下，提供更優(yōu)化的制造組合。

切入點(diǎn)4：零件修復(fù)

激光熔覆技術(shù)對飛機(jī)的修復(fù)產(chǎn)生了直接的影響。渦輪發(fā)動機(jī)葉片、葉輪和轉(zhuǎn)動空氣密封墊等零部件可以通過表面激光熔覆強(qiáng)化得到修復(fù)。關(guān)于激光熔覆技術(shù)（LENS技術(shù)）用于再制造，目前國內(nèi)以西安鉑力特以及北京王華明院士的團(tuán)隊為主要的3D打印服務(wù)提供方。

而激光熔覆技術(shù)本身也在獲得不斷的發(fā)展，2017年，德國Fraunhofer研究機(jī)構(gòu)還開發(fā)出超高速激光材料沉積-EHLA技術(shù)，這項技術(shù)使得定向能量沉積技術(shù)所實現(xiàn)的表面質(zhì)量更高，甚至達(dá)到涂層的效果。目前EHLA技術(shù)已經(jīng)迅速的被德國通快商業(yè)化。

除了激光熔覆技術(shù)，冷噴增材制造技術(shù)正在引起再制造領(lǐng)域的注意。其中，GE就通過向飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片表面以超音速的速度從噴嘴中噴射微小的金屬顆粒，為葉片受損部位添加新材料而不改變其性能。除了不需要焊接或機(jī)加工就能制造全新零件，冷噴技術(shù)，令人興奮之處在于它能夠?qū)⑿迯?fù)材料與零件融為一體，恢復(fù)零件原有的功能和屬性。

（來源：Fraunhofer）

切入點(diǎn)5：高性能材料及梯度合金

1.高性能材料

3D打印不僅僅在碳纖維增強(qiáng)塑料以及玻璃纖維增強(qiáng)塑料方面大有可為，在金屬材料的制備方面也頗具潛力。例如南京航空航天大學(xué)提供一種基于粉末床激光熔融3D打印技術(shù)成型的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效地解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強(qiáng)顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤濕性較差的問題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。

2.替代釬焊

在由多種合金制成的航天零件中，通常需要用到釬焊的工藝。釬焊主要是通過加熱到一定溫度使焊料熔化，從而把幾種一樣材質(zhì)或不同材質(zhì)的金屬連接在一起。釬焊時一般都發(fā)生母材向液體釬料的溶解過程，可使釬料成份合金化，有利于提高接頭強(qiáng)度。釬焊時也出現(xiàn)釬料組份向母材的擴(kuò)散，擴(kuò)散以兩種方式進(jìn)行：一種是釬料組元向整個母材晶粒內(nèi)部擴(kuò)散，在母材毗鄰釬縫處的一邊形成固溶體層，對接頭不會產(chǎn)生不良影響；另一種是釬料組元擴(kuò)散到母材的晶粒邊界，常常使晶界發(fā)脆，尤其是在薄件釬焊時比較明顯。

所以說兩種金屬材料的接頭強(qiáng)度是一大加工難點(diǎn)。2017年，美國宇航局NASA成功測試了由兩種不同金屬合金制成的3D打印火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火器。測試是在阿拉巴馬州的馬歇爾太空飛行中心完成的，這揭示了3D打印的另一大應(yīng)用潛力：解決釬焊加工所面臨的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)上，關(guān)鍵的發(fā)動機(jī)部件是使用釬焊的復(fù)雜且費(fèi)力的工藝制成的，釬焊是一種緩慢而昂貴的工藝，并且需要體力勞動和各種不同的步驟來配合完成。通過3D打印將兩種金屬材料打印成一個單一部件，NASA開辟了一種更高效、更經(jīng)濟(jì)有效的制造火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火器的方法。

通過3D打印過程將兩種材料分散熔合在一起，兩種材料內(nèi)部晶粒產(chǎn)生粘結(jié)，使得任何硬質(zhì)過渡都被消除，從而零件不會在巨大的壓力和溫度梯度變化下發(fā)生斷裂情況。

該零部件由銅合金和Inconel合金制成，通過DMG MORI（德馬吉森精機(jī)）開發(fā)的混合3D打印工藝生產(chǎn)出來，點(diǎn)火器部件的高度為254mm、寬為177mm。

此外，DMG MORI的系統(tǒng)提供了一個獨(dú)特的功能：用戶可以選擇在打印過程中對零件的內(nèi)部進(jìn)行CNC機(jī)加工。換句話說，3D打印機(jī)可以在增材制造和減材制造加工之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而在其組件的整個輪廓完成之前進(jìn)行完善組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精加工作業(yè)。

切入點(diǎn)6：4D打印

4D打印是指在第四維度形狀或功能發(fā)生改變，換句話說，4D打印是指3D打印結(jié)構(gòu)在打印完成后其形狀和材料特性暴露在一個預(yù)先確定的刺激中的時候?qū)l(fā)生功能或形狀的改變。常見的刺激包括：水的浸沒，暴露于熱、壓力、電流、紫外線等環(huán)境中。

國際上4D打印的研究集中在一些頂級的科研機(jī)構(gòu)中——麻省理工的研究人員使用了模擬軟件，通過建模模擬出顆粒結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料零件。經(jīng)過仿真可以展示出對象究竟會對表面壓力如何反應(yīng)。而一旦仿真結(jié)果滿足要求，零件將通過多材料3D打印機(jī)打印出來。這些產(chǎn)品具有間歇性和隨機(jī)性的豐富多樣的表面特征變化，包括可變波、折皺狀的特征、平頂、谷底等，可以通過改變顆粒的無因次幾何參數(shù)（例如：相對的顆粒大小、形狀、間距和分布等）來獲得。這些表面特征可以通過顆粒定位來實現(xiàn)變量可控。這項技術(shù)具有潛力的應(yīng)用方向包括：偽裝的制造；可以推進(jìn)、吸引或引導(dǎo)液體流動的材料；可以應(yīng)用到限制海洋生物在輪船底部堆積的反光材料或每隔一段時間移位的材料。

來自德國Freiberg的研發(fā)團(tuán)隊研發(fā)出面向未來的高性能材料：記憶性材料，可以自行愈合裂隙或回復(fù)原狀。研究中心的設(shè)備是Arcam 公司的電子束熔融3D打印技術(shù)制造產(chǎn)帶記憶功能的零件。這些零件就像彈力回形針，在發(fā)生歪曲時，只要把它們放到熱水中，就能夠恢復(fù)原來的形狀。這個項目可以滿足航空航天制造業(yè)的特殊需求，例如用來制造可調(diào)整的機(jī)翼結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的飛行情況。此外，液壓傳動系統(tǒng)中的大量復(fù)雜管道系統(tǒng)也是這一技術(shù)具有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文參考來源：航空制造網(wǎng)、GE、鉑力特、空客、Fraunhofer。□