傳統(tǒng)的3D打印往往要先設(shè)計(jì)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(cuò)，想實(shí)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(shí)驗(yàn)室顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)袂德、美、英等國(guó)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(jì)、打印多種材料和多類結(jié)構(gòu)，實(shí)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(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

受訪者供圖

3D打印一個(gè)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(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略性關(guān)鍵核心技術(shù)，可滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)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(jì)–材料選擇–加工工藝–實(shí)現(xiàn)性能。這種路線需要反復(fù)試錯(cuò)，周期較長(zhǎng)，成本較高。”論文的第一作者和通訊作者顧冬冬說(shuō)，基于這一挑戰(zhàn)，他和研究團(tuán)隊(duì)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(shuō)，這種模式在設(shè)計(jì)和打印產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí)，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(lái)，以確保產(chǎn)品的高性能和多功能。

“人們?cè)絹?lái)越希望金屬零件能同時(shí)滿足多種需求，即使一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)?！鳖櫠f(shuō)。

如何證明這種制造方式更合理？研究團(tuán)隊(duì)以“下一代空間探測(cè)器著陸器系統(tǒng)的整體化和多功能化發(fā)展趨勢(shì)”為例，反復(fù)驗(yàn)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(duì)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?cè)O(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，試圖讓探測(cè)器的著陸器能隔熱、防熱，能減震、抗沖擊、抗空間輻射?！鳖櫠f(shuō)，在研究之初，自然界一些昆蟲(chóng)、動(dòng)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(qiáng)調(diào)生物啟迪、仿生設(shè)計(jì)，并將之用于空間著陸器系統(tǒng)的“大底”構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

“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(jì)打印著陸器“大底”整體構(gòu)件

進(jìn)入研究團(tuán)隊(duì)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。“鱗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(jì)成鱗腳蝸牛殼結(jié)構(gòu)，讓著陸器能堅(jiān)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(zhǎng)時(shí)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(jì)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(cuò)，能讓著陸器減震抗沖擊；我們?cè)凇蟮住谋砻?，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。”顧冬冬介紹。

在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)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。“鋁合金很輕，所以在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣，但熔點(diǎn)只有600多度，在著陸器著陸時(shí)耐受不了這么高的溫度，于是我們添加了熔點(diǎn)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(jì)了碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料來(lái)應(yīng)對(duì)3D打印零件多功能化的需求?！?/p>

顧冬冬說(shuō)，研究最大的難點(diǎn)，莫過(guò)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(diǎn)。例如每打印一層，都需要設(shè)計(jì)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(jiàn)摸得著的成品零部件，還要考慮到打印時(shí)的變形、開(kāi)裂等問(wèn)題。”所以，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，他們反復(fù)進(jìn)行多種材料、多類結(jié)構(gòu)的激光3D打印實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)展了熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、抗沖擊實(shí)驗(yàn)等功能驗(yàn)證。

顧冬冬在南航3D打印實(shí)驗(yàn)室。受訪者供圖

適宜材料打印至適宜位置，獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨(dú)特功能

最終，團(tuán)隊(duì)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(gè)復(fù)雜度層級(jí)，揭示了多材料構(gòu)件3D打印的科學(xué)內(nèi)涵、成形機(jī)制與實(shí)現(xiàn)途徑。

同時(shí)，他們實(shí)現(xiàn)了“獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨(dú)特功能”，揭示了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)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(jì)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(jì)，及利用3D打印實(shí)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(duì)策。

這一成果獲得當(dāng)期《科學(xué)》主編的評(píng)價(jià)，認(rèn)為“激光增材制造有望變革零部件的設(shè)計(jì)方式。顧等人建議將串聯(lián)式設(shè)計(jì)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(lái)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(kuò)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(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Fraunhofer激光技術(shù)研究所Reinhart Poprawe教授、美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校David L. Bourell教授、英國(guó)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(xiě)。