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。”論文的第一作者和通訊作者顧冬冬說，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(rèn)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(yán)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(yán)峻挑戰(zhàn)。

“在論文中，我們設(shè)定了一個目標(biāo)，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裕趯嶒烌炞C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(rèn)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?！?/p>

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。