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分析美国空军3D打印技术的应用机遇与挑战

2017-01-23 10:04
月城清浅
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近期,美国空军对其增材制造技术的发展应用及挑战进行了分析,指出增材制造虽然已经发展了几十年,但是在工艺实施方面还存在着很多的挑战需要解决。

增材制造是材料科学家的“梦想”,却是工程师的“噩梦”

美国空军实验室材料制造局的科学家和工程师将增材制造(3D打印)视为一种强大的快速创新工具

传统制造工艺的最大问题就是时间问题,而增材制造则提供了低成本和快速交付能力

增材制造的发展

20世纪80年代,美国空军开始了对增材制造能力的研究。同一时期,快速原型概念在工业界兴起。早期的快速原型技术,是在工程师有了想法之后,通过打印机使用塑料材料进行目标原型打印,而这种原型侧重的是创建功能原型。

早期的增材工艺是通过特定区域的光化学反应构建刚性的塑料部件,随着技术的进步,逐渐演化出熔丝模塑成型,其材料仍然采用塑料丝线。此外,基于粉末的激光熔融塑料成型技术逐渐出现。20世纪90年代初,科学家开发出了采用金属材料的类似增材工艺,但是,限于当时的技术水平,制造部件的表面非常粗糙。直到21世纪,激光技术的足够成熟终于使得增材制造工艺发生了质的变化。而这带动了整个航宇工业所追求的增材制造革命。

增材制造向生产型部件的应用发展

·激光和粉末冶金工艺的经济性提升,促进了科学家们对金属增材制品的研制。

·增材制造从开发原型应用向实际生产方法的演化,为美国空军带来了很多好处和应用机会。

·定制部件及独特、复杂几何形状部件的小批量制造有助于对老化机队的维护。

·定制工具、发动机部件和轻质部件的应用可以实现更好的飞机维护并延长寿命。

·飞机后勤对增材制造的应用潜力很大。

·对几十年前生产的、目前少量难供应的部件快速生产非常有价值。

·对增材制造的一致性、高质量材料的开发仍是一种挑战。

增材制造向功能材料的扩展

(1)应用研究

当前的增材制造材料应用已经超越了塑料和金属部件。

AFRL材料制造局的功能材料增材制造领军人士Dan Berrigan博士,正在探索如何使用增材制造工艺将功能材料嵌入到结构中,例如在非传统表面添加电子电路或天线。随着对有源跟踪器及性能监视器等柔性设备需求的增加,通过这种工艺方式对这些有源设备进行有机供电非常有必要。

增材制造工艺可以实现任意形状或柔性的电子器件沉积, Berrigan博士正在研究在圆顶或补丁表面粘附电路的方法,以期在已有结构表面实现新的功能。

(2)主要挑战

3D打印电子产品,不像传统工艺那样要对一系列导电层和绝缘层进行层压而形成刚性电路板,导电材料在3D打印工艺中要被分成数百万个小块并悬浮在液体材料内,然后从打印机中进行分配,并且在印刷之后,还要保持这些独立的导电片相互接触,以使电子能够在电路中运动而生电。

标准生产工艺的缺乏、质量保障方法、重大的材料变化以及材料性能的降低是AFRL研究人员需要克服的部分因素,例如增材制造电路的电子特性可能比传统制造工艺的电子特性差

掌握零件的安全性、可靠性和耐用性对飞机至关重要,目前对增材制造部件的这些属性还没有掌握

基本的材料兼容性问题。确保材料的彼此粘附,或者使部件能够支持一定的应力或承受一定的温度,这些都是需要解决的挑战。

MQ-9“死神”无人机的嵌入式天线将使用增材制造技术进行制造。此外,柔性线圈、嵌入式天线以及传感器都将探索采用增材制造技术进行制造

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