傳統(tǒng)的3D打印往往要先設(shè)計結(jié)構(gòu),再選擇材料,確定加工工藝,最終打印成形,但因材料、結(jié)構(gòu)和工藝等多因素耦合規(guī)律復(fù)雜,3D打印的零部件想精確成形需反復(fù)試錯,想實現(xiàn)金屬構(gòu)件的高性能甚至多功能比較難。
南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、江蘇省高性能金屬構(gòu)件激光增材制造工程實驗室顧冬冬教授團隊,聯(lián)袂德、美、英等國學(xué)者,建立了一種新的3D打印模式,能在復(fù)雜整體金屬構(gòu)件內(nèi)部,同步設(shè)計、打印多種材料和多類結(jié)構(gòu),實現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能。
5月28日,這一研究以《材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光金屬增材制造》之題,登上國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
受訪者供圖
3D打印一個零件,不同部位有不同功能
激光增材制造,即3D打印技術(shù),是當(dāng)前世界科技強國競相發(fā)展的一項戰(zhàn)略性關(guān)鍵核心技術(shù),可滿足現(xiàn)代工業(yè)對難加工金屬構(gòu)件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。
“傳統(tǒng)的3D打印遵循‘串聯(lián)式路線’,即結(jié)構(gòu)設(shè)計–材料選擇–加工工藝–實現(xiàn)性能。這種路線需要反復(fù)試錯,周期較長,成本較高?!闭撐牡牡谝蛔髡吆屯ㄓ嵶髡哳櫠f,基于這一挑戰(zhàn),他和研究團隊提出了一種新的3D打印模式,即“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”的并行模式。
通俗地說,這種模式在設(shè)計和打印產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時,考慮在零件的不同部位,哪種材料、哪種結(jié)構(gòu)更適合,再確認加工工藝路線,最后打印出來,以確保產(chǎn)品的高性能和多功能。
“人們越來越希望金屬零件能同時滿足多種需求,即使一個零件,也能在不同位置,用不同的材料,打印不同的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)不同功能,例如有的部位能耐熱,有的部位能承載受力,而這種3D打印模式可以實現(xiàn)?!鳖櫠f。
如何證明這種制造方式更合理?研究團隊以“下一代空間探測器著陸器系統(tǒng)的整體化和多功能化發(fā)展趨勢”為例,反復(fù)驗證“并行模式”的金屬整體結(jié)構(gòu)3D打印的可行性。
高性能金屬構(gòu)件是航空、航天、交通、能源等現(xiàn)代工業(yè)的基石,且高端裝備的服役性能很大程度上取決于構(gòu)件的高性能。但這些構(gòu)件多用于極端嚴苛的環(huán)境,對構(gòu)件的選材、制造工藝、性能、功能均提出了嚴峻挑戰(zhàn)。
“在論文中,我們設(shè)定了一個目標,試圖讓探測器的著陸器能隔熱、防熱,能減震、抗沖擊、抗空間輻射。”顧冬冬說,在研究之初,自然界一些昆蟲、動植物的特殊結(jié)構(gòu),便引起他們的關(guān)注,他們學(xué)習(xí)自然界天然優(yōu)化的結(jié)構(gòu),強調(diào)生物啟迪、仿生設(shè)計,并將之用于空間著陸器系統(tǒng)的“大底”構(gòu)件的設(shè)計。
“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化”3D打印的特征之一:適宜材料打印至適宜位置。受訪者供圖
用仿生學(xué)+復(fù)合材料,設(shè)計打印著陸器“大底”整體構(gòu)件
進入研究團隊視野的3種生物結(jié)構(gòu),是鱗腳蝸牛殼的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)、水蜘蛛的水泡構(gòu)型、多孔蜂窩?!镑[腳蝸牛生活在海底的熱泉附近,蝸牛殼是一種層狀復(fù)合結(jié)構(gòu),外殼非常硬,我們‘大底’構(gòu)件外層設(shè)計成鱗腳蝸牛殼結(jié)構(gòu),讓著陸器能堅固地像盔甲一樣,可以隔熱防熱;水蜘蛛在水下構(gòu)筑住所,其水泡形住所由蛛絲連接水草而成,能長時間承受不同流速、不同方位水流的沖擊,具有優(yōu)異的韌性和抗沖擊能力。我們據(jù)此設(shè)計了‘大底’內(nèi)部的減震結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)中‘蛛絲’縱橫交錯,能讓著陸器減震抗沖擊;我們在‘大底’的表面,附上了一層類似于多孔蜂窩的高溫結(jié)構(gòu)材料,能讓著陸器與大氣摩擦?xí)r防止燒損?!鳖櫠榻B。
在設(shè)計結(jié)構(gòu)的同時,研究團隊根據(jù)航空航天的需求,還選擇了陶瓷、碳納米管和鋁合金相融合的復(fù)合材料?!颁X合金很輕,所以在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣,但熔點只有600多度,在著陸器著陸時耐受不了這么高的溫度,于是我們添加了熔點接近3000度的二硼化鈦陶瓷。又例如碳納米材料具有很多神奇的力學(xué)性能和物理化學(xué)功能,所以我們又設(shè)計了碳納米管增強金屬基復(fù)合材料來應(yīng)對3D打印零件多功能化的需求?!?/p>
顧冬冬說,研究最大的難點,莫過于將適宜的材料打印到適宜的位置,“目前,單一材料的3D打印已經(jīng)比較成熟,但多種材料的打印,還有較大挑戰(zhàn),也是研究熱點。例如每打印一層,都需要設(shè)計不同的結(jié)構(gòu),打印不同的材料,還要調(diào)試激光參數(shù)、掃描模式等。從原子尺度的3D打印材料顯微組織調(diào)控,到打印成看得見摸得著的成品零部件,還要考慮到打印時的變形、開裂等問題?!彼?,在實驗驗證時,他們反復(fù)進行多種材料、多類結(jié)構(gòu)的激光3D打印實驗,并開展了熱傳導(dǎo)實驗、抗沖擊實驗等功能驗證。
顧冬冬在南航3D打印實驗室。受訪者供圖
適宜材料打印至適宜位置,獨特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨特功能
最終,團隊從合金和復(fù)合材料內(nèi)部多相布局、二維和三維梯度多材料布局、材料與器件空間布局3個復(fù)雜度層級,揭示了多材料構(gòu)件3D打印的科學(xué)內(nèi)涵、成形機制與實現(xiàn)途徑。
同時,他們實現(xiàn)了“獨特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨特功能”,揭示了拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)3D打印的本質(zhì),分別是將優(yōu)化設(shè)計的材料及孔隙、最少的材料、天然優(yōu)化的結(jié)構(gòu)打印到構(gòu)件內(nèi)最合適的位置,提出了基于鱗腳蝸牛殼的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)、水蜘蛛的水泡構(gòu)型、多孔蜂窩三類典型結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計,及利用3D打印實現(xiàn)輕量化、承載、減震吸能、隔熱防熱等多功能化的原理、方法、挑戰(zhàn)及對策。
這一成果獲得當(dāng)期《科學(xué)》主編的評價,認為“激光增材制造有望變革零部件的設(shè)計方式。顧等人建議將串聯(lián)式設(shè)計和成形構(gòu)件的增材制造策略,變革至更為整體性的方法來優(yōu)化金屬構(gòu)件。這種更為綜合的方法將有助于減少制造所需的工序數(shù)量,并擴大可用于最終應(yīng)用零部件的結(jié)構(gòu)類型。”
南京航空航天大學(xué)博士生石新宇、德國亞琛工業(yè)大學(xué)Fraunhofer激光技術(shù)研究所Reinhart Poprawe教授、美國德州大學(xué)奧斯汀分校David L. Bourell教授、英國卡迪夫大學(xué)Rossitza Setchi和西北工業(yè)大學(xué)朱繼宏教授也參與了論文撰寫。
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