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美空军研究实验室正不断探索增材制造技术

2017-05-11 11:54
野明月
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外媒称,增材制造技术是材料科学家的梦想,同时也是工程师的梦魇。对美空军研究实验室(AFRL)材料和制造局的科学家及工程师来说,增材制造(又名“3D打印”)可以成为快速创新的有力工具。

增材制造是美空军正在不断探索的一个充满机遇和挑战的领域。材料和制造局增材制造负责人及材料科学家米勒称,增材制造使美空军能够制造独一无二的外形,为已有结构添加额外功能和能力。从根本上说,它允许美空军重新定义制造的概念。

传统制造方法形成于工业革命时期。许多工艺都要求材料从较大的外形开始制备或修形,进而形成特定的设计。

增材制造则与之相反,它是由美国材料和试验协会定义的、在3D模型数据基础上将材料逐层累加连接在一起的工艺。增材制造不仅提高了设计的可能性,还为创新提速,为利用更少的限制条件制造更接近工程师可能需要的物体提供了一种替代方案。

传统制造工艺最大的问题是时间。制造是一个迭代的过程,需要多次尝试才能得到合适的模型。除了必须花费时间制造生产复杂部件的工具,还要花费更多的时间修改初始设计。增材制造不仅降低了加工的成本,还缩短了交货的时间。初期错误不会造成严重的影响。

▲增材制造是美空军正在不断探索的一个充满机遇和挑战的领域,从根本上说,它允许美空军重新定义制造的概念

早期发展

增材制造对美空军来说并非新鲜事物。美空军对这种制造能力的研究始于20世纪80年代,与工业上的快速原型概念同时发生。

快速原型概念在基于这样的前提下产生,即工程师在产生某种想法进而打算制造某种物体时,可以访问一家商店,利用一台打印机“打印”出这种物体,这种物体通常由塑料制成。

当时的重点是制造功能性的原型或接近所需零部件的对象,但材料缺乏必要的强度。

早期的增材工艺使用光与一定体积凝胶中的特定部分发生化学反应,以此构建刚性的塑料部件。该技术进一步演变为包括熔融长丝造型在内,其中塑料线的纤维被熔化并连接在一起形成新的物体。其他基于粉末的方法则使用利用激光熔化成形的塑料薄片。

到20世纪90年代初,科学家们了解到,这种增材制造工艺可用于生产金属物体。但依靠当时技术制造出的未加工的大型部件其表面不尽如人意。直到21世纪末期,激光技术发展足够成熟,才得以推动这个领域真正向前迈进,并进一步促成了今天整个航天工业都在追求的3D打印革命。

转而制造零部件

随着增材制造从一种开发原型的手段发展成为一种实际生产的方法,它的应用及为美空军带来的好处也大大增加,并且潜力巨大。在低产量条件下制造定制零部件和独特复杂几何形状物体可以帮助美空军维护老化的飞机机队。定制工具、发动机部件和轻量型零部件可提供更好的维护,延长飞机寿命。

但为增材制造开发高质量材料,仍然是空军研究实验室人员正在努力解决的难题。随着将其视为老化机队的替代品或新武器系统中的系统级推动者,工程师们必须对增材制造生产的零部件替代品充满信心,

米勒称,在如何使用这种技术以及哪些应用最为有效方面,美空军还需进行研究,这是美空军探索增材制造技术的基础。


▲随着将其视为老化机队的替代品或新武器系统中的系统级推动者,工程师们必须对增材制造生产的零部件替代品充满信心

向功能性应用延伸

经过几十年的发展,增材制造的应用已经超越了塑料和金属零部件。贝里根是材料和制造局负责功能性材料增材制造的主管,目前正在探索利用增材制造工艺将功能嵌入结构的方法,例如通过在非传统表面上添加电子电路或天线等等。随着对活动跟踪器和性能监视器等灵活设备的需求增加,对这些设备进行有机供电的需求也在增加。

增材制造工艺能够使研究人员以任意形状或任意柔性形状参数制造电子设备,贝里根领导的团队正在寻找不同的方法来制造电路,使它们能够弯曲或粘附到新的表面或几何形状上(如一个圆顶或一个补丁)。从本质上说,团队正在寻找在已有的系统表面添加能力的方法。

传统电路制造需要以图案化方式层压一系列导电层和绝缘层,进而产生刚性电路板。这些电路的电子性质是人们熟知掌握的,而且工程师能够基于已知概念确保电路按照预期进行。

贝里根解释称,对3D打印的电子来说,导电材料被分成数百万个小块并悬浮在液体中,然后从打印机中分配,打印之后,这些独立的导电块必须保持接触,以便使电子通过电路移动进而产生能量。

这样做的目的是获取低成本、灵活的电子设备,这些直接写入的增材制造工艺提供了其他工艺无法实现的设计能力。

面临的挑战和未来潜力

尽管增材制造工艺经历了多年发展和研究,但AFRL研究人员仍要在执行层面上解决许多难题,以便使美空军从当前和未来的技术上受益更大。从根本上说,这些挑战归结于材料加工的问题。

缺乏标准化的生产工艺和质量保证方法,材料出现重大变化以及材料性能降低等仅仅是AFRL研究人员需要克服的部分困难。取决于不同的应用,材料的性能关系到零部件的强度。例如,增材制造生产的电路的电子特性可能比传统制造的电路更差。另一个问题是基本材料的兼容性,例如在增材制造中会出现很多不同的接口,确保材料彼此粘附或零部件能够承受一定的压力或温度,这些都是AFRL需要应对的挑战。

根据贝里根的说法,增材制造的长期目标是能够将独特的零部件集成到系统当中。


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