航空制造領域3D打印鈦合金的原理與發展

引言

航天制造工業是一個大國最高精尖的制造技術的體現，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，中國航天制造事業迅速發展，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。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、節省原材料等優點[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境和能量狀態特征的“感知”融入技術[10]，實現完全的智能化和自動化。隨著中國科學技術的快速發展，3D打印技術不斷被應用于工業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“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打印技術的發展

國際上，3D打印發展相對較早，商業原型出現在20世紀90年代，1986年美國科學家查爾斯赫爾開發出第一臺商業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的一次性許可證，并開始開發3D打印機。2005年，ZCorp成功開發了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雜志上發表了首個復制中樞神經系統脊柱的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。該系統試圖模仿中樞神經系統的特性。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打印技術的發展較為落后，但是發展卻十分迅速。在大學的創新課程中也已經開始講解3D打印技術。

Bar將3D打印的優勢與機械學習的優勢分析相結合，描述了3D打印在機械設計中的應用，開發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，韌性優良，但吸水率和尺寸穩定性較差；聚醚醚酮（PEEK）具有強度高、韌性好、導熱系數低、易于加工等優點，但具有化學惰性。現階段，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化，以保持其優勢，減少其劣勢，提高其性能[23-33]。

3）生物塑料。隨著環保要求越來越高，綠色產品不斷出現。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-環己烷二甲酯[21]。其中，PLA相容性好，降解性好，熱穩定性和力學性能高，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-環己烷二甲酯具有優異的韌性、透明度和生態相容性。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、發展歷程、優缺點以及幾種打印材料，并分析了3D打印技術的未來發展，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展，3D打印技術的發展之路也越走越快。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。

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