美空軍研究實驗室正不斷探索增材製造技術

原標題:美空軍研究實驗室正不斷探索增材製造技術

科技媒體3D列印網訊 外媒稱,增材製造技術是材料科學家的夢想,同時也是工程師的夢魘。對美空軍研究實驗室(AFRL)材料和製造局的科學家及工程師來說,增材製造(又名「3D列印」)可以成為快速創新的有力工具。

增材製造是美空軍正在不斷探索的一個充滿機遇和挑戰的領域。材料和製造局增材製造負責人及材料科學家米勒稱,增材製造使美空軍能夠製造獨一無二的外形,為已有結構添加額外功能和能力。從根本上說,它允許美空軍重新定義製造的概念。

傳統製造方法形成於工業革命時期。許多工藝都要求材料從較大的外形開始製備或修形,進而形成特定的設計。

增材製造則與之相反,它是由美國材料和試驗協會定義的、在3D模型數據基礎上將材料逐層累加連接在一起的工藝。增材製造不僅提高了設計的可能性,還為創新提速,為利用更少的限制條件製造更接近工程師可能需要的物體提供了一種替代方案。

傳統製造工藝最大的問題是時間。製造是一個迭代的過程,需要多次嘗試才能得到合適的模型。除了必須花費時間製造生產複雜部件的工具,還要花費更多的時間修改初始設計。增材製造不僅降低了加工的成本,還縮短了交貨的時間。初期錯誤不會造成嚴重的影響。

▲增材製造是美空軍正在不斷探索的一個充滿機遇和挑戰的領域，從根本上說，它允許美空軍重新定義製造的概念

早期發展

增材製造對美空軍來說並非新鮮事物。美空軍對這種製造能力的研究始於20世紀80年代,與工業上的快速原型概念同時發生。

快速原型概念在基於這樣的前提下產生,即工程師在產生某種想法進而打算製造某種物體時,可以訪問一家商店,利用一台印表機「列印」出這種物體,這種物體通常由塑料製成。

當時的重點是製造功能性的原型或接近所需零部件的對象,但材料缺乏必要的強度。

早期的增材工藝使用光與一定體積凝膠中的特定部分發生化學反應,以此構建剛性的塑料部件。該技術進一步演變為包括熔融長絲造型在內,其中塑料線的纖維被熔化並連接在一起形成新的物體。其他基於粉末的方法則使用利用激光熔化成形的塑料薄片。

到20世紀90年代初,科學家們了解到,這種增材製造工藝可用於生產金屬物體。但依靠當時技術製造出的未加工的大型部件其表面不盡如人意。直到21世紀末期,激光技術發展足夠成熟,才得以推動這個領域真正向前邁進,並進一步促成了今天整個航天工業都在追求的3D列印革命。

轉而製造零部件

隨著增材製造從一種開發原型的手段發展成為一種實際生產的方法,它的應用及為美空軍帶來的好處也大大增加,並且潛力巨大。在低產量條件下製造定製零部件和獨特複雜幾何形狀物體可以幫助美空軍維護老化的飛機機隊。定製工具、發動機部件和輕量型零部件可提供更好的維護,延長飛機壽命。

但為增材製造開發高質量材料,仍然是空軍研究實驗室人員正在努力解決的難題。隨著將其視為老化機隊的替代品或新武器系統中的系統級推動者,工程師們必須對增材製造生產的零部件替代品充滿信心,

米勒稱,在如何使用這種技術以及哪些應用最為有效方面,美空軍還需進行研究,這是美空軍探索增材製造技術的基礎。

▲隨著將其視為老化機隊的替代品或新武器系統中的系統級推動者，工程師們必須對增材製造生產的零部件替代品充滿信心

向功能性應用延伸

經過幾十年的發展,增材製造的應用已經超越了塑料和金屬零部件。貝里根是材料和製造局負責功能性材料增材製造的主管,目前正在探索利用增材製造工藝將功能嵌入結構的方法,例如通過在非傳統表面上添加電子電路或天線等等。隨著對活動跟蹤器和性能監視器等靈活設備的需求增加,對這些設備進行有機供電的需求也在增加。

增材製造工藝能夠使研究人員以任意形狀或任意柔性形狀參數製造電子設備,貝里根領導的團隊正在尋找不同的方法來製造電路,使它們能夠彎曲或粘附到新的表面或幾何形狀上(如一個圓頂或一個補丁)。從本質上說,團隊正在尋找在已有的系統表面添加能力的方法。

傳統電路製造需要以圖案化方式層壓一系列導電層和絕緣層,進而產生剛性電路板。這些電路的電子性質是人們熟知掌握的,而且工程師能夠基於已知概念確保電路按照預期進行。

貝里根解釋稱,對3D列印的電子來說,導電材料被分成數百萬個小塊並懸浮在液體中,然後從印表機中分配,列印之後,這些獨立的導電塊必須保持接觸,以便使電子通過電路移動進而產生能量。

這樣做的目的是獲取低成本、靈活的電子設備,這些直接寫入的增材製造工藝提供了其他工藝無法實現的設計能力。

面臨的挑戰和未來潛力

儘管增材製造工藝經歷了多年發展和研究,但AFRL研究人員仍要在執行層面上解決許多難題,以便使美空軍從當前和未來的技術上受益更大。從根本上說,這些挑戰歸結於材料加工的問題。

缺乏標準化的生產工藝和質量保證方法,材料出現重大變化以及材料性能降低等僅僅是AFRL研究人員需要克服的部分困難。取決於不同的應用,材料的性能關係到零部件的強度。例如,增材製造生產的電路的電子特性可能比傳統製造的電路更差。另一個問題是基本材料的兼容性,例如在增材製造中會出現很多不同的介面,確保材料彼此粘附或零部件能夠承受一定的壓力或溫度,這些都是AFRL需要應對的挑戰。

根據貝里根的說法,增材製造的長期目標是能夠將獨特的零部件集成到系統當中。