航空制造領域3D打印鈦合金的原理與發(fā)展

引言

航天制造工業(yè)是一個大國最高精尖的制造技術的體現(xiàn)，是一個國家探索太空領域的技術與產能的基石。20世紀70年代以來，中國航天制造事業(yè)迅速發(fā)展，隨著科研投入的不斷增加，時至今日，各項航天技術壁壘不斷被突破，中國航天制造技術走向了新的高度[1-5]。其中，3D打印技術就被廣泛應用于工業(yè)制造和航空航天制造領域。

3D打印技術又稱三維打印技術、增材制造技術、積層制造技術，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀材料（如金屬或非金屬）等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，最早于20世紀80年代末出現(xiàn)。3D打印機如圖1所示。

3D打印是將計算機技術生成的三維物體進行二維化，結合數(shù)控技術，利用層端口法將二維圖像轉換為三維模型，再逐層制造。3D打印制造技術是一門新興的制造技術，與其他制造技術相比，具有加工時間短、成型速度快、加工精度高、節(jié)省原材料等優(yōu)點[6-9]。

這是對“方法”的一種新的嘗試。最終目標是通過將手機對周圍環(huán)境和能量狀態(tài)特征的“感知”融入技術[10]，實現(xiàn)完全的智能化和自動化。隨著中國科學技術的快速發(fā)展，3D打印技術不斷被應用于工業(yè)制造和航空航天制造領域，并取得了顯著的成果[11-17]。

1、3D打印技術原理與分類

3D打印機就像日常打印設備一樣工作。它們由計算機和印刷材料進行數(shù)字控制和分層。然而，3D打印機打印材料不同于日常打印機，其使用的是專用材料，如陶瓷、金屬、印刷砂和塑料等。簡單來說，3D打印機是一種可以以逼真的三維狀態(tài)“打印”物體的機器，設計師可以設計自己構思的物體，并將其打印出來，實現(xiàn)所想即所得。常用的印刷材料有鋁合金、鍍銀、尼龍玻璃纖維、不銹鋼、石膏材料、鈦合金、耐用尼龍材料、鍍金、橡膠材料等。根據(jù)成型工藝的不同，3D打印可分為顆粒、線控、擠壓等，3D打印技術具體分類如表1所示。

圖1　3D打印機

2、3D打印技術的發(fā)展

國際上，3D打印發(fā)展相對較早，商業(yè)原型出現(xiàn)在20世紀90年代，1986年美國科學家查爾斯赫爾開發(fā)出第一臺商業(yè)3D打印機。1993年，麻省理工學院獲得了3D打印技術專利。1995年，美國ZCorp公司獲得了麻省理工學院頒發(fā)的一次性許可證，并開始開發(fā)3D打印機。2005年，ZCorp成功開發(fā)了Z510，這是市場上第一臺高清3D彩色頻譜打印機。2010年11月，美國團隊JimKor制造出了世界上第一款由3D打印機制造的汽車，如圖2所示。

圖2 3D打印的汽車

2011年7月，英國研究人員研制出世界上第一臺3D巧克力打印機。2011年8月，南安普頓大學的工程師開發(fā)出世界上第一架3D打印機制造的飛機。

2012年11月，蘇格蘭科學家首次使用人體細胞3D打印機打印出合成肝臟。2013年10月，一款名為“小野之神”的3D打印產品被售出，這是世界上首次出售的3D打印產品。2013年11月，位于德克薩斯州的Vein的3D打印機Solidcontigs生產出了金屬材料的槍械。2018年12月，俄羅斯宇航員在國際空間站上使用3D生物打印機在零重力下打印實驗大鼠的甲狀腺。2019年1月，加州大學圣地亞哥分校（UCSD）和加州大學洛杉磯分校（UCLA）在Nature雜志上發(fā)表了首個復制中樞神經系統(tǒng)脊柱的3D打印研究成果。

當植入神經干細胞時，會植入脊髓受到嚴重損傷的動物，從而能夠獲得他們的運動技能。該系統(tǒng)試圖模仿中樞神經系統(tǒng)的特性。該中樞神經脊柱是圓形的，只有2mm厚，其構成的框架為h型。支架周圍是數(shù)十個直徑約200μm的麥克風，用于引導植入的神經干細胞和軸突沿十字交叉。2019年8月，美國研究人員在《科學》雜志上發(fā)表了一項研究成果，通過Hoendenden將水冰應用到“模具中”，成功地生產出膠原蛋白3D打印“骨細胞”，這是3D打印全尺寸成人心臟的一次技術上的突破。

國內3D打印技術的發(fā)展較為落后，但是發(fā)展卻十分迅速。在大學的創(chuàng)新課程中也已經開始講解3D打印技術。

Bar將3D打印的優(yōu)勢與機械學習的優(yōu)勢分析相結合，描述了3D打印在機械設計中的應用，開發(fā)用于生產機械控制裝置的3D打印技術[18-20]。

3、3D打印材料簡介

根據(jù)印刷材料的不同，印刷材料的性能也不同。目前，用于塑料印刷的印刷材料主要分為普通塑料、工程塑料和生物塑料。

1）通用塑料。通用塑料是一種效率高、價格低、力學性能差、應用廣泛的塑料。它通常不用作結構材料[21]。廣泛使用的濃縮通用塑料有ABS、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，但由于通用塑料質量差，不能滿足3D打印的材料性能要求，所以通用復合材料的制造一般都是合成的。

2）工程塑料。工程塑料是一種廣泛用作建筑材料的熱塑性材料，它具有高強度、抗老化、高硬度和抗沖擊等特點[22]，被廣泛用于3D打印。最常用的工程塑料有ABS工程塑料、尼龍塑料和聚碳酸酯。其中，ABS塑料具有較好的韌性、抗沖擊性和耐腐蝕性，但耐候性和收縮變形較差；聚碳酸酯具有強度高、抗沖擊性好、耐火、收縮率低等優(yōu)點，但熔融后

黏度高、流動性低；尼龍塑料機械性能高，耐磨性強，拉伸性能好，韌性優(yōu)良，但吸水率和尺寸穩(wěn)定性較差；聚醚醚酮（PEEK）具有強度高、韌性好、導熱系數(shù)低、易于加工等優(yōu)點，但具有化學惰性。現(xiàn)階段，專家們也在通過不斷的實驗和分析對各種工程塑料進行優(yōu)化，以保持其優(yōu)勢，減少其劣勢，提高其性能[23-33]。

3）生物塑料。隨著環(huán)保要求越來越高，綠色產品不斷出現(xiàn)。生物塑料是可生物降解的聚合物塑料。這種聚合物可以被天然微生物化學分解并降解成無污染的材料。使用最多的生物塑料主要是聚己內酯、PLA、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1和4-環(huán)己烷二甲酯[21]。其中，PLA相容性好，降解性好，熱穩(wěn)定性和力學性能高，但抗拉強度低，脆性大；聚己內酯無毒、熔點低、生物相容性好、可生物降解，但力學性能較差；聚對苯二甲酸乙二醇酯-1和4-環(huán)己烷二甲酯具有優(yōu)異的韌性、透明度和生態(tài)相容性。聚對苯二甲酸乙二醇酯-1 無毒，但韌性低，收縮率高；4-環(huán)己烷二甲酯黏度低，液體流動性好，瞬間光固化，感光度高，韌性低，收縮率大。在選擇3D打印制造的原材料時，要考慮待加工零件的應用條件，然后選擇合適的打印材料。

4、結語

綜上，研究組介紹了3D打印技術的原理、發(fā)展歷程、優(yōu)缺點以及幾種打印材料，并分析了3D打印技術的未來發(fā)展，從幾個角度對3D打印技術進行了闡述。

隨著計算機技術、材料科技、機械制造技術的不斷發(fā)展，3D打印技術的發(fā)展之路也越走越快。結合最新熱門的智能制造，將會使3D打印設備變得更便于操作與使用，未來3D打印技術將會應用得更加廣泛。

參考文獻：

[1] 陳根余，顧春影，梅麗芳，等.激光焊接技術在汽車制造中的應用與激光組焊單元設計[J].電焊機，2010，40(5)：32-38.

[2] 朱錫川，陳寧，楊光偉，等. 航天工業(yè)中鋁合金焊接工藝的研究[J]. 科技與創(chuàng)新，2018(11)：72-73.

[3] 李志遠，錢乙余，張九海. 先進連接方法[M].1 版. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[4] 欒國紅，關橋.攪拌摩擦焊：革命性的宇航制造新技術[J].航天制造技術，2003(4)：16-23.

[5] 付瑞東，李藝君.我國攪拌摩擦焊技術的發(fā)展及展望[J].金屬加工（熱加工），2020(6)：14-18+28.

[6] 李昆，郭嘉. 軟物質材料3D打印技術及應用進展[J]. 塑料，2019，48(5)：101-106.

[7] 張勝，徐艷松，孫姍姍，等.3D打印材料的研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國塑料，2016，30(1)：7-14.

[8] 黃達，李金晟，呂昊，等. 生物3D打印干細胞的研究進展[J].中國臨床解剖學雜志，2019，37(5)：603-607.

[9] 張學軍，唐思熠，肇恒躍，等.3D打印技術研究現(xiàn)狀和關鍵技術[J]. 材料工程，2016，44(2)：122-128.

[10] HELVAJIAN H, GU B. Special Section Guest Editorial:3-D Printing and Manufacturing[J]. Optical Engineering,2018, 57(4): 041401.

[11] 王巖，程婷，盧萬里，等.3D打印植物纖維素研究進展[J].纖維素科學與技術，2019，27(2)：74-84.

[12] 陳尤旭，王德山，張偉，等. 面向軟體機器人的3D打印硅膠軟材料實驗研究[J].中國機械工程，2020，31(5)：603-609+629.

[13] 紀宏超，張雪靜，裴未遲，等.陶瓷3D打印技術及材料研究進展[J]. 材料工程，2018，46(7)：19-28.

[14] 張惠檄，游劍.3D打印阿司匹林速釋緩釋雙層片[J].中國藥學雜志，2017，52(4)：298-302.

[15] 李堅，許民，包文慧.影響未來的顛覆性技術：多元材料混合智造的3D打印[J].東北林業(yè)大學學報，2015，43(6)：1-9.

[16] 王澤蔭，李宗義，張映梅，等.3D打印技術與焊接技術之間的關系探討[J]. 機械研究與應用，2017，30(3)：177-179.

[17] 鄧斌，黃文藝，鄧鑫.3D打印用聚合物材料的進展[J]. 塑料，2019，48(4)：127-131.

[18] 翟彥飛. 淺析3D打印技術在高職院校機械等相關課程教學中的應用[J].內燃機與配件，2020(2)：279-280.

[19] 史洪松.3D打印技術在《機械設計與原理》課程教學中的應用[J].信息與電腦（理論版），2018(16)：239-240.

[20] 毛瑋，蔣洪奎.3D打印技術在機械原理課程教學中的應用[J]. 工業(yè)設計，2019(9)：33-34.

[21] 郭華清，徐冬梅.3D打印用高分子材料的研究進展[J]. 工程塑料應用，2016，44(11)：118-121.

[22] 岳琳琳，翟明，任建行，等. 工程塑料中填料顆粒沖蝕模具的過程分析[J].塑料工業(yè)，2020，48(9)：85-88+120.

[23] 劉衛(wèi)兵，錢素娟，劉志東.3D打印用高分子材料及打印成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究進展[J].合成樹脂及塑料，2020，37(2)：85-89.

[24] 陳碩平，易和平，羅志虹，等.高分子3D打印材料和打印工藝[J]. 材料導報，2016，30(7)：54-59.

[25] PEREZ A R T, ROBERSON D A, WICKER R B. Erratumto: Fract ure Surface Analysis of 3D-Printed TensileSpecimens of Novel ABS-Based Materials[J]. Journal of

Failure Analysis and Prevention, 2014, 14(4): 343-353.

[26] 王乾坤，辛勇. 超聲波對CNT在CNT/PC復合材料中分散性的影響[J].塑料工業(yè)，2020，48(12)：80-84.

[27] K AT T E K O L A B , R A N J A N A , B A S U S . T h r e edimensional finite element investigations into the effectsof thickness and notch radius on the fracture toughness ofpolycarbonate[J]. International Journal of Fracture, 2013,181(1): 1-12.

[28] 梁振華，趙偉，徐永建，等. 新型聚碳酸酯/ 木質素復合材料的制備及其性能[J ]. 陜西科技大學學報，2020，38(6)：1-5+23.

[29] 黃虹，劉偉，譚安平，等. 玻纖增強PA6 擠出吹塑成型性能研究[J].塑料，2008(2)：58-61.

[30] WA LSH W R, BERTOLLO N, CH R ISTOU C, et al.Plasma-sprayed titanium coating to polyetheretherketoneimproves the bone-implant interface[J]. Spine JournalOfficial Journal of the North American Spine Society,2015, 15(5): 1041-1049.

[31] 徐冬梅，劉太闖，孫龍.PA6/ABS 共混及增容改性[J]. 工程塑料應用，2020，48(3)：121-124.

[32] 譚志勇，李丹，吳廣峰，等.PA6/ABS 共混物性能研究[J].中國塑料，2012，26(1)：35-40.

[33] HASSAN E A M, GE D, YANG L, et al. Highly boostingthe interlaminar shear strength of CF/PEEK composites viaintroduction of PEKK onto activated CF[J]. CompositesPart A: Applied Science and Manufacturing, 2018, 112:155-160.