3D科學(xué)谷 王曉燕

航空工業(yè)在20世紀(jì)80年代就開(kāi)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(shì)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(guò)3D打?。ǚ勰┐踩廴诩夹g(shù)）一體化高度復(fù)雜零件以及通過(guò)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(jìng)賽。而在航天領(lǐng)域，通過(guò)3D打印低成本可重復(fù)利用的下一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，已經(jīng)引發(fā)新一輪的NASA與ESA競(jìng)賽。航空航天企業(yè)已經(jīng)不再浪費(fèi)時(shí)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(guò)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(lái)源：GE)

最典型的應(yīng)用要屬GE用增材制造的方法來(lái)生產(chǎn)噴油嘴，噴油嘴的設(shè)計(jì)可以避免“開(kāi)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(guò)增材制造的方法來(lái)生產(chǎn)。2010年空客將GE生產(chǎn)的LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)作為A320neo飛機(jī)的選配，LEAP發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的A320neo 獲得歐洲航空安全局（EASA）的認(rèn)證和美國(guó)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(dòng)機(jī)原型的測(cè)試。這款發(fā)動(dòng)機(jī)屬于美國(guó)陸軍改進(jìn)型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目（Improved Turbine Engine Program,ITEP）的一部分。測(cè)試結(jié)果表明，GE T901發(fā)動(dòng)機(jī)的性能達(dá)到甚至超過(guò)ITEP 項(xiàng)目的要求，已為發(fā)動(dòng)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(guò)美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室來(lái)驗(yàn)證一個(gè)3D打印的金屬零件。這個(gè)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(shí)，3D打印的作用顯現(xiàn)出來(lái)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)傳統(tǒng)加工的時(shí)間太長(zhǎng)了，并且通過(guò)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(gè)零部件所需要達(dá)到的性能。當(dāng)時(shí)這個(gè)零件是通過(guò)激光能量沉積的工藝，加工金屬粉末來(lái)獲得的，這種DED工藝被首次應(yīng)用到軍事飛機(jī)上。同時(shí)也打開(kāi)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(guò)50 000件3D打印的各種類型的飛機(jī)零件。

波音公司開(kāi)始通過(guò)DED技術(shù)為其787夢(mèng)幻客機(jī)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件。通過(guò)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(guò)程中，雙方共同改進(jìn)工藝，并進(jìn)行了一系列嚴(yán)格地測(cè)試，最終在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。

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(guò)了FAA標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)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(guò)增材制造技術(shù)，測(cè)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(shí)省力地幫助飛機(jī)重新起飛。將來(lái)增材制造方式可以顯著改變目前航空零部件的庫(kù)存狀態(tài)。把設(shè)計(jì)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(kù)存。

在這方面，中國(guó)東方航空成為國(guó)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(guò)3D小批量打印，中國(guó)東方航空解決了過(guò)去易損零件訂貨周期長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題，同時(shí)保障了公司機(jī)隊(duì)的安全飛行，提高了旅客的乘坐體驗(yàn)。

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(duì)于舊機(jī)型，尤其是數(shù)據(jù)丟失的型號(hào)，保有原來(lái)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(lái)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(jià)值所在，也是3D打印技術(shù)會(huì)走進(jìn)航空制造業(yè)的重要原因。在空客（Airbus）機(jī)艙設(shè)計(jì)師的設(shè)想中，未來(lái)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(gè)空間，旅客可以全景觀看艙外景色。設(shè)計(jì)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(jì)理念體現(xiàn)了出來(lái)，并且提出，在未來(lái)這款飛機(jī)的機(jī)艙將完全由一臺(tái)有飛機(jī)庫(kù)那樣大的巨型3D打印機(jī)來(lái)打造。

（圖片來(lái)源：空客）

雖然空客仿生機(jī)艙3D打印距離現(xiàn)實(shí)還比較遙遠(yuǎn)，但在現(xiàn)實(shí)中，有著類似設(shè)計(jì)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(jì)工作室合作，為空客A320飛機(jī)開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(cè)試，計(jì)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(jì)，設(shè)計(jì)靈感來(lái)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(gè)隔離結(jié)構(gòu)是模塊化的設(shè)計(jì)，其122個(gè)3D打印部件像“拼圖”一樣連接在一起。這樣的設(shè)計(jì)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(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)斷裂的時(shí)候，并不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)固性。

3D打印的仿生隔離結(jié)構(gòu)比原來(lái)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(gè)服役周期來(lái)計(jì)算的話，將累計(jì)減少的二氧化碳排放量將高達(dá)9.6萬(wàn)t。而如果未來(lái)將這樣的3D打印仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用到整個(gè)機(jī)艙的制造，帶來(lái)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(wàn)t的CO2排放量，相當(dāng)于陸地上減少了9.6萬(wàn)輛汽車對(duì)大氣的污染?？梢?jiàn)，3D打印仿生結(jié)構(gòu)的價(jià)值不僅僅在于自身對(duì)材料的節(jié)約，更在于對(duì)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(huì)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(wàn)美元燃油成本。實(shí)現(xiàn)飛機(jī)減重的常見(jiàn)方式是使用質(zhì)量更輕、性能更強(qiáng)的先進(jìn)材料來(lái)替代現(xiàn)有材料。

(圖片來(lái)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(gè)目標(biāo)是發(fā)動(dòng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在碳纖維復(fù)合材料實(shí)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(shí)的高溫，同時(shí)抵抗火焰和輻射，這對(duì)于高性能的航空航天和工業(yè)零部件十分關(guān)鍵。通過(guò)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(duì)現(xiàn)有飛機(jī)零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，3D打印通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)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(wú)論是3D打印的發(fā)動(dòng)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(jì)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(guò)實(shí)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上的突破而實(shí)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(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和金屬3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)輕量化的鈦合金飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架。負(fù)責(zé)零件拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與制造的3D Systems公司QiuckParts團(tuán)隊(duì)，通過(guò)Frustum拓?fù)鋬?yōu)化軟件對(duì)零件的材料分布進(jìn)行了優(yōu)化，最終在實(shí)現(xiàn)零部件功能的前提下保留盡可能少的材料，并通過(guò)光滑和混合表面的處理降低應(yīng)力。GE航空對(duì)3D打印的零部件進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試，在實(shí)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(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的精密零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)中空葉片原型，葉片總高度為933mm，橫截面最大弦長(zhǎng)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(gè)葉片中空設(shè)計(jì)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(guó)航天科技集團(tuán)五院總體部在通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化方面已經(jīng)擁有多年的經(jīng)驗(yàn)，并且形成了面向增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元性能研究方面，中國(guó)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(shí)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(guò)胞元占據(jù)的空間并結(jié)合胞元桿件的直徑來(lái)表達(dá)三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元的設(shè)計(jì)信息。

（圖片來(lái)源：鉑力特-Bright Laser）

（圖片：鉑力特為中國(guó)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(wú)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)難以完成鑄造或者鑄造后應(yīng)力過(guò)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(guò)激光光斑對(duì)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(lái)源：鉑力特-Bright Laser）

鉑力特通過(guò)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(shí)所花費(fèi)的打印時(shí)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的30%～45%，是決定飛機(jī)和發(fā)動(dòng)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(duì)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(duì)航空裝備極端輕質(zhì)化與可靠化的追求越來(lái)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(wú)法做到的領(lǐng)域發(fā)揮出獨(dú)特的價(jià)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(lái)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(guò)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(guó)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(wàn)美元從Sciaky公司購(gòu)買了一臺(tái)基于電子束熔化焊接（EBAM）技術(shù)的 3D打印機(jī)，并用這臺(tái)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(guò)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(guò)高達(dá)1000℃的高溫來(lái)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(lái)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(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)焊接或金屬連接技術(shù)中常見(jiàn)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(shí)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(shì)。

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(guò)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(shí)間。增材制造技術(shù)為材料節(jié)省所創(chuàng)造的價(jià)值， 在制造鈦金屬等昂貴飛機(jī)零件制造材料時(shí)顯得尤為突出。

電子束融化焊接技術(shù)在加工的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)構(gòu)建參數(shù)保證質(zhì)量達(dá)到要求，并可以通過(guò)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(xiàng)具有潛力的配置——雙絲。具有雙絲配置的設(shè)備，從兩個(gè)獨(dú)立控制的送絲裝置上料，實(shí)現(xiàn)同時(shí)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(duì)飛機(jī)的修復(fù)產(chǎn)生了直接的影響。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、葉輪和轉(zhuǎn)動(dòng)空氣密封墊等零部件可以通過(guò)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(guó)內(nèi)以西安鉑力特以及北京王華明院士的團(tuán)隊(duì)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(guó)Fraunhofer研究機(jī)構(gòu)還開(kāi)發(fā)出超高速激光材料沉積-EHLA技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)使得定向能量沉積技術(shù)所實(shí)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(guó)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(guò)向飛機(jī)發(fā)動(dòng)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(lái)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(guò)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(rùn)濕性較差的問(wèn)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(guò)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(shí)一般都發(fā)生母材向液體釬料的溶解過(guò)程，可使釬料成份合金化，有利于提高接頭強(qiáng)度。釬焊時(shí)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(gè)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(duì)接頭不會(huì)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(shí)比較明顯。

所以說(shuō)兩種金屬材料的接頭強(qiáng)度是一大加工難點(diǎn)。2017年，美國(guó)宇航局NASA成功測(cè)試了由兩種不同金屬合金制成的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器。測(cè)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(dòng)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(dòng)和各種不同的步驟來(lái)配合完成。通過(guò)3D打印將兩種金屬材料打印成一個(gè)單一部件，NASA開(kāi)辟了一種更高效、更經(jīng)濟(jì)有效的制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器的方法。

通過(guò)3D打印過(guò)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(guò)渡都被消除，從而零件不會(huì)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(guò)DMG MORI（德馬吉森精機(jī)）開(kāi)發(fā)的混合3D打印工藝生產(chǎn)出來(lái)，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(gè)獨(dú)特的功能：用戶可以選擇在打印過(guò)程中對(duì)零件的內(nèi)部進(jìn)行CNC機(jī)加工。換句話說(shuō)，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(gè)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(shuō)，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(gè)預(yù)先確定的刺激中的時(shí)候?qū)l(fā)生功能或形狀的改變。常見(jiàn)的刺激包括：水的浸沒(méi)，暴露于熱、壓力、電流、紫外線等環(huán)境中。

國(guó)際上4D打印的研究集中在一些頂級(jí)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(guò)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(guò)仿真可以展示出對(duì)象究竟會(huì)對(duì)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(guò)多材料3D打印機(jī)打印出來(lái)。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(guò)改變顆粒的無(wú)因次幾何參數(shù)（例如：相對(duì)的顆粒大小、形狀、間距和分布等）來(lái)獲得。這些表面特征可以通過(guò)顆粒定位來(lái)實(shí)現(xiàn)變量可控。這項(xiàng)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(dòng)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(shí)間移位的材料。

來(lái)自德國(guó)Freiberg的研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出面向未來(lái)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(shí)，只要把它們放到熱水中，就能夠恢復(fù)原來(lái)的形狀。這個(gè)項(xiàng)目可以滿足航空航天制造業(yè)的特殊需求，例如用來(lái)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(dòng)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(lái)源：航空制造網(wǎng)、GE、鉑力特、空客、Fraunhofer?！?/p>