呂堅院士：3D打印+原理制備、性能集成和在航天航空重的應(yīng)用

2018年1月5日，由上海市增材制造協(xié)會支持的、中國航天科工集團和哈爾濱市人民政府主辦的首屆中國（哈爾濱）航空航天3D打印材料及應(yīng)用制備技術(shù)博覽會暨高峰論壇在哈爾濱盛大開幕。

法國國家技術(shù)科學院呂堅院士做了《3D打印+原理制備、性能集成和在航天航空重的應(yīng)用》的主題報告。                                       

“增材制造作為美國制造計劃的五大元素之一，增材制造和價值鏈和設(shè)計、材料、工藝，這五個就是美國制造計劃的五大元素。如何能做到價值鏈最高？特別是在增材制造的這個領(lǐng)域。我們可以看到材料，比如黃金制品來講，黃金的價值鏈已經(jīng)很貴了，材料本身是每克300人民幣，如果把它做成金屬連線，中國都是進口的，這本身就是黃金本身的好幾倍了，如果做到航空航天用的金屬玻璃，一些反光鏡，那個時候價錢就是十幾倍，從這個地方來看，除了材料，除了工藝，設(shè)計也是一個非常重要的領(lǐng)域�？偨Y(jié)起來，就是如何能夠達到最高的附加值，首先要有唯一性。第二，要是非常好的、最好的。第三，就是要有顛覆性，技術(shù)結(jié)論必須有這三個特質(zhì)�！狈▏鴩�家技術(shù)科學院呂堅院士的《3D打印+原理制備、性能集成和在航天航空重的應(yīng)用》主題報告中開場說，“大家都知道3D打印從1986年開始走到今天，它的發(fā)展突然在三、五年前得到了很大的加速，這個可以看到，從產(chǎn)業(yè)鏈來講，從95年的時候才30個億，2010年左右開始大幅度的增加，從去年已經(jīng)到了600個億了�！�

呂堅院士1994年就開始做3D打印，1998年到2002年領(lǐng)導(dǎo)了一個歐盟的項目，表面與應(yīng)用工程的設(shè)計，3D打印里面一個核心的問題，就是材料預(yù)應(yīng)力，怎么把它們直接考慮進去，就是歐盟項目最主要的研究方向。第二，如何縮短設(shè)計的進程，通過并行工程的研究，把研究的周期大幅度的縮短，在設(shè)置的時候同時考慮制造，同時考慮材料的選擇，同時考慮整體結(jié)構(gòu)的變形。第二個最重要的東西，就是技術(shù)數(shù)據(jù)交換，因為你做一個飛機也好，做一個航空設(shè)計也好，它可能有幾百個、上萬個零部件，現(xiàn)在通過3D打印大幅度的下降，但是最主要的是如何和這些供貨商進行快速的交換，而又沒有錯誤的信息，因為3D打印，如果設(shè)計師的軟件和制造的是不匹配的，那么它這些結(jié)果都是錯的。另外一個歐盟項目，有56家歐盟公司參加的，關(guān)于航空零部件這些數(shù)據(jù)交換的標準，建立從計算機輔助設(shè)計的圖紙到網(wǎng)格，到計算，到壽命預(yù)測，整體的數(shù)據(jù)標準，才能夠真正的縮短這些制造和研發(fā)的過程。

學校3D打印有很多，有不同的3D打印的系統(tǒng)，但是在不同的領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計。我們做不同的新型的設(shè)計的3D打印的結(jié)構(gòu)。從而有效的利用3D打印這種新型的技術(shù)來制作出不同的結(jié)構(gòu)，不同的性能，來充分的做出來一些有特殊性能的材料和結(jié)構(gòu)。航空航天在做什么呢？他們在做一些有顛覆性的工作。

第一，就是航空發(fā)動機里面能夠做一些什么？航空發(fā)動機大家知道，航空發(fā)動機的發(fā)展實際上有三個比較大的方向。第一個方向，就是發(fā)展鈦合金，現(xiàn)在基本上是平均全球的發(fā)展，盡全球的力量差不多平均每年兩度，就是使用的溫度。

第二個技術(shù)，叫熱障涂層，熱障涂層就是陶瓷，它又可以把航空發(fā)動機的使用溫度又提高150到300度。

第三個技術(shù)就是特殊的冷卻技術(shù)，特殊的冷卻技術(shù)就是靠更加復(fù)雜的航空動力學、空氣動力學的設(shè)計，使得它很復(fù)雜。但是如果它的結(jié)構(gòu)冷卻系統(tǒng)非常復(fù)雜，現(xiàn)在的制造工藝是非常困難的。局部的組織結(jié)構(gòu)的控制，就是說如果能夠控制這個材料的冷卻熔化過程和相變的過程，那么就可以很容易的更好控制這個合金的形成，而這個合金的形成由于它的多向性，同時3D打印可以制造復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)�？梢宰鳛楹軓�(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，也可以完成設(shè)計師所需要的組織結(jié)構(gòu)。

3D打印+制造，還有什么？

第一，高附加值的產(chǎn)品，航空和生物醫(yī)學都是非常重要的。

第二，新型合金的設(shè)計，3D打印跟我們平常用的打印機一樣，每一個打印機它整體的壽命中打印的粉料或者是打印的材料，差不多是3D打印機本身的5到20倍，那么做粉，做材料，可能比做3D打印機自己會有更多的利潤。

第三，如何把所謂的打印材料和整體的成型過程做出來。

第四，4D打印，大家可能說什么叫4D打印？如果3D打印可以打印出一個很簡單的系統(tǒng)，如果能夠打印完了它是一個軟的，然后通過加溫讓它形成一個陶瓷的話，比如說形成復(fù)雜形狀的這個陶瓷，這是世界上最大的3D打印的陶瓷之一，這個技術(shù)可能做很大的陶瓷，可以做航空發(fā)動機的噴管和其他的東西，現(xiàn)在是一個3D打印手機的殼，因為大家都知道下一代，第五代的手機它是不能用金屬殼的，現(xiàn)在我們用的都是金屬殼，那么這個就是可以做通過4D打印出來的等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

關(guān)于材料的冷卻速度和致密度，發(fā)明了一種新型的方法可以打幅度提高它的致密度，從而提高它的壽命。當然還有新材料的發(fā)展。新材料的發(fā)展，登在材料里面最好的雜志和科學里面最好的雜志《自然雜志》的封面文章。

我們主要的目標就是做高強、高韌材料，做兩類材料，第一類材料就是叫高熵合金，高熵合金是一種新型的高強、高韌的材料，高熵材料為什么非常重要呢？ 因為以后航空發(fā)動機由于3D打印提供的靈活性，就是說現(xiàn)在的航空材料基本上它是不同的成分、結(jié)構(gòu)用的材料是一致的，以后在一個航空發(fā)動機的每一層它可能用的材料從成分、結(jié)構(gòu)上是不同的，這個成分結(jié)構(gòu)只是對它這個溫度階段里面最好的，因為通過設(shè)計這些高傷材料，完全可以讓這個材料在我所需要的性能，在1000度工作的時候最好，或者在200度工作的時候最好。那么這個高熵材料的設(shè)計就是給出了更多的材料可變性。如果要用傳統(tǒng)的鍛造鑄造，不可能說一個材料它有這么多的梯度來做。就是說如果用激光或者是用其他的方法可以做多梯度的結(jié)構(gòu)而這種新型的材料就是可以為多梯度的3D打印提供新型的材料和新型的設(shè)計。你必須在設(shè)計的時候要考慮這些材料的溫度和加載情況，下一代3D打印用不同的材料，在任何材料里面用不同階段做的東西。

醫(yī)學應(yīng)用方面如假肢，很多假肢比如說鈦合金是不能生物降解的，在有些情況下還要做二次手術(shù)拿出來，我們現(xiàn)在研究的是做生物金屬，就是可降解的生物金屬骨科內(nèi)植入材料，像骨質(zhì)疏松都是很嚴重的病，隨著人的老齡化的百分比會大幅度的增加，老人做一次手術(shù)都已經(jīng)夠嗆了，做N次手術(shù)的話就更不適合了。那么現(xiàn)在發(fā)展的就是鎂合金可降解的3D打印材料，或者是增材制造材料。這個材料是可以用在不同的骨板或者其他結(jié)構(gòu)里面，采用的技術(shù)是一個梯度結(jié)構(gòu)，首先用納米化大幅度的把這個材料的性能提高，在最表層，再加上一個超大的結(jié)構(gòu)，一般說的納米晶是小于100納米的。這個材料里面它不是晶界而是金屬玻璃，做出來一種新型的材料，把晶體降到6個納米，然后晶界降到兩個納米，而這種材料它的性能是非常特殊的，超納材料，相信是在未來里面能夠發(fā)展的最多的材料之一。已經(jīng)做出來比普通的鈦合金更好的接近超納的鈦合金。這個方法最主要的工藝是在制備的過程中，由于冷卻速度的特殊，形成了一個不同的納米晶和納米胞的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)它從穩(wěn)定性上來講也是非常好的，鎂合金一般只有一兩百的強度，黑的部分是6個納米，不產(chǎn)生位錯，這是為大家提供了一個新型的，新的類型的金屬結(jié)構(gòu)，這種材料未來也是增材制造的一個非常重要的方法。

4D打印陶瓷，可以通過3D打印制作出來很復(fù)雜的高分子，經(jīng)過燒結(jié)，或者局部燒結(jié)可以得到形狀不同的陶瓷結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在可以燒出來最大、最復(fù)雜的4D結(jié)構(gòu)的陶瓷。3D打印它的致密度在很多情況下是不夠的，采用新的方法，可以直接把這個致密度大幅度的提高，也可以大幅度的提高這個材料的性能，一種是產(chǎn)品出來以后直接打印，這個產(chǎn)品比如說是一個假肢，能夠直接提高，如果是一個特別厚的零部件，現(xiàn)在正在考慮把這個方法直接和3D打印的機器放在一起，增加致密度，第二，可以加入比較對材料友好的預(yù)應(yīng)力，第三，整體的疲勞性能能夠得到提高。

呂院士最后介紹了正在做的變形金剛結(jié)構(gòu)，所謂的變形金剛就是多穩(wěn)態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，什么意思呢？就是說你有一個金屬板，一般來講只有一個穩(wěn)定的狀態(tài)，如果你讓它變形，一松手它就又回來了，彈回來了。如果你讓它徹底變形，它就彈不回來了。多穩(wěn)態(tài)就是說在一個結(jié)構(gòu)上，可以變出來，航空航天的應(yīng)用有很多，包括太陽能板的展開，包括現(xiàn)在的矢量發(fā)動機，氣的出口完全可以控制它的，如果是高溫合金，或者是超納合金，如果所有的控制點都給改了的話就變成這樣的方向了，所以這個出氣口可以變得很大，航空發(fā)動機的出口，矢量發(fā)動機它是一個很復(fù)雜的機械系統(tǒng)，而用了這種變形金剛結(jié)構(gòu)，以后很容易做出來不同形狀的結(jié)構(gòu)。以前航空的結(jié)構(gòu)都是不可以變形的，而這種方法是可以讓它第一變形；第二，可以有一定的承重能力。以前用碳纖維復(fù)合材料做的，它的承重能力是10到20個牛頓，而這個是幾百個牛頓，而且是可調(diào)的。以后就可以來代替現(xiàn)在用的所謂的矢量發(fā)動機的一些組織結(jié)構(gòu)。因為可以通過設(shè)計這些來設(shè)計新的矢量風管里面的一些應(yīng)用。

來源：SAMA國際論壇