安世亞太“增材思維 數(shù)智未來”系列——“探月”技術(shù)走進(jìn)生活，增材制造融入民間

作者：李京洋，現(xiàn)任安世亞太公司知識產(chǎn)權(quán)組知識產(chǎn)權(quán)工程師，主要研究方向為航空航天新材料的探索與應(yīng)用

NASA說：there’s more Space in your life than you think! 生活中有比你想象更多的太空技術(shù)！美國航空航天局（NASA）擁有很多高端的航空航天技術(shù)，且隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，通過其技術(shù)轉(zhuǎn)移（Technology Transfer）計劃，挖掘出在航空航天之外的實用價值，并逐漸向民用領(lǐng)域擴(kuò)散，造福民眾。目前，美國已經(jīng)形成了較為成熟的軍轉(zhuǎn)民、民轉(zhuǎn)軍、軍民兩用技術(shù)發(fā)展的體制機(jī)制，成為世界軍民一體化的典范，并培育了大批新興企業(yè)。美國在航天技術(shù)轉(zhuǎn)移政策、管理和促進(jìn)措施等方面都積累了豐富而有價值的經(jīng)驗，在軍民兩用技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化方面也取得了令世界矚目的成就。這對我國推進(jìn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，很有借鑒意義。

△《增材技術(shù)能上天入地嗎？》安世亞太“增材思維 數(shù)智未來”系列專題

本文是該系列文章的第五篇內(nèi)容，闡述DfAM設(shè)計思維解決增材制造降本增效問題，更多精彩內(nèi)容敬請期待。

NASA的技術(shù)轉(zhuǎn)移成果
自1976年美國國家航空航天局（NASA）成立以來，不斷利用技術(shù)資源，在探索和發(fā)現(xiàn)方面實現(xiàn)前所未有的飛躍。目前，NASA在航空領(lǐng)域取得了許多技術(shù)發(fā)展，并在醫(yī)療與健康，生活消費(fèi)，交通與運(yùn)輸，能源與環(huán)境，工業(yè)生產(chǎn)力，信息科技和公共安全領(lǐng)域擁有了超過2,000個衍生產(chǎn)品。

用于飛機(jī)的更耐用的聚合物復(fù)合材料，目前已成功運(yùn)用到髖關(guān)節(jié)置換物中；監(jiān)測太空中宇航員健康狀況的軟件，現(xiàn)在可以在家中監(jiān)測高危病人；獨(dú)特的聚合物——可溶性亞胺在心臟裝置中得到廣泛應(yīng)用；使用 NASA技術(shù)——乳化零價鐵 (EZVI)安全地對土壤和地下水進(jìn)行解毒；用于測量地表和軌道棲息地中的月球塵埃的空氣質(zhì)量傳感器，現(xiàn)在已改進(jìn)為Canary-S，可以監(jiān)測森林火災(zāi)排放，評估城市空氣質(zhì)量等；太空燃料電池提供深海動力；碳捕獲過程使食用油可持續(xù)，消耗CO²等廢物并更加環(huán)保；最初用于在航天飛機(jī)發(fā)射的極端條件下保護(hù)航天器和發(fā)射臺設(shè)備的減震器現(xiàn)在支撐著世界各地地震多發(fā)地區(qū)的數(shù)百座建筑物和橋梁——在地震中，這些建筑物和橋梁都沒有受到輕微損壞；得益于 NASA 在模擬流體流過火箭發(fā)動機(jī)方面的專業(yè)知識設(shè)計的心臟泵，數(shù)百名需要心臟移植的人得以存活；氣凝膠被廣泛用作海底系統(tǒng)、煉油廠、工業(yè)建筑、家庭、冰箱、夾克和鞋墊中的絕緣材料。

多年來，為太空開發(fā)的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在汽車中。從最終用于公路輪胎的航天飛機(jī)輪胎工程到有助于制造舒適汽車座椅的零重力車身姿勢研究，數(shù)十年的太空開發(fā)造就了更好的汽車。

1、多普勒激光雷達(dá)使自動駕駛汽車更安全
旨在幫助月球航天器著陸的激光可能會幫助自動駕駛汽車在這個星球上的交通高峰時段導(dǎo)航——導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)。導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)向機(jī)載計算機(jī)提供數(shù)據(jù)，結(jié)合來自攝像頭的信息，就可以識別建筑物、人員和其他車輛，它還可以檢測運(yùn)動以及物體的方向和速度，以避免沒有及時減速或停車的潛在致命錯誤。此外，來自另一輛自動駕駛汽車的激光雷達(dá)不會干擾或改變多普勒激光雷達(dá)的性能。目前，導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)正在定制用于汽車、飛機(jī)和商業(yè)航天器。它們已經(jīng)比為行星在太空著陸而開發(fā)的系統(tǒng)更小、更強(qiáng)大。

△多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)

2、NASA中性體姿規(guī)格(NBP)為舒適的汽車座椅提供依據(jù)
當(dāng)包括重力在內(nèi)的所有物理影響停止影響人體時，人體會自然呈現(xiàn)什么形式？NASA 使用美國第一個空間站 Skylab 進(jìn)行了研究，后來發(fā)布了所謂的中性身體姿勢規(guī)范（NBP）。

△中性體位圖

△Altima的座椅

2013年，日產(chǎn)在其Altima車型中首次推出了源自NASA研究的座椅，該技術(shù)不僅將應(yīng)用于駕駛員和前排乘客的座椅，還將應(yīng)用于車輛的后座。座椅將使駕駛員和乘客的長途駕駛更加愉快，因為坐在六向可調(diào)駕駛員座椅、四向可調(diào)前排乘客座椅或后排座椅上時，人的肌肉工作量會減少。

3、Flash Lidar實現(xiàn)無人駕駛導(dǎo)航
傳統(tǒng)的激光雷達(dá)通過發(fā)出激光脈沖來工作，而全球快門閃光激光雷達(dá)使用單個激光脈沖一次性獲取所有數(shù)據(jù)，生成整個地圖。脈沖由具有數(shù)千個像素的焦平面陣列接收，具有許多優(yōu)勢，其中最重要的是速度——可以在一次激光拍攝中獲得數(shù)萬個像素。

ASC的汽車閃光激光雷達(dá)運(yùn)用了相同的技術(shù)。通過降低軟件處理要求，ASC的全球閃光激光雷達(dá)可以更快地識別道路危險——在與其他司機(jī)、行人、騎自行車的人等一起在道路上行駛時，這是一項至關(guān)重要的安全優(yōu)勢。這是因為它通過每個脈沖收集 15,000 個像素，并且因為圖像是一次收集的，所以并不會因運(yùn)動而失真（圖）。

△ASC全球閃光激光雷達(dá)收集的圖像

4、空氣動力學(xué)研究徹底改變了卡車設(shè)計
NASA 工程師對車輛空氣動力學(xué)和流體動力學(xué)進(jìn)行了廣泛研究，并使用渦流發(fā)生器，從機(jī)身突出的空氣動力學(xué)表面將更快移動的空氣吸引到飛機(jī)表面并破壞飛機(jī)周圍較慢移動的邊界層空氣，從而改善飛機(jī)控制并減少阻力，在飛機(jī)應(yīng)用中增加升力。

△休閑車后部的Airtabs

Aeroserve公司的Airtab渦流發(fā)生器產(chǎn)生受控渦流，以減少卡車和拖車的風(fēng)阻和空氣動力阻力。在拖車、廂式貨車或房車的后部，Airtabs從根本上改變氣流以通過兩種方式減少阻力：將氣流模式從垂直轉(zhuǎn)變?yōu)樗�平以消除大渦流，并平滑氣流以人工模擬錐形后部車輛。事實上，Airtabs 已被證明在任何向后傾斜超過 30 度的車輛上都有效。潛在的好處遍及車輛應(yīng)用，因此可以使相當(dāng)多的車輛受益。

5、輪胎傳感器警告駕駛員輪胎漏氣
適當(dāng)?shù)妮喬�壓力對于飛機(jī)的安全著陸至關(guān)重要。NASA與NovaSensor公司的合作，為航天飛機(jī)輪胎打造了一個產(chǎn)品：一種基于 MEMS 壓阻技術(shù)的壓力傳感器，可將壓力轉(zhuǎn)換為電阻，由小電池供電，通過射頻發(fā)送讀數(shù)。該傳感器是建立在一個小的硅芯片上的，當(dāng)在芯片的一側(cè)施加壓力時，就會在硅中產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)輪胎壓力變低時，應(yīng)變就會改變，產(chǎn)生成比例的壓阻變化，產(chǎn)生微小的電量，以毫伏測量，表明存在問題。此后，該公司將傳感器經(jīng)過改進(jìn)后應(yīng)用于乘用車，最終銷售了數(shù)百萬臺設(shè)備。

3D打印在航空航天的應(yīng)用
NASA多年來一直在探索將3D打印應(yīng)用于各種航天器應(yīng)用，因為它加快了原型和新部件的開發(fā)和生產(chǎn)時間，并允許替換部件在遠(yuǎn)離地球的地方輕松制造。3D打印的獨(dú)特之處在于沒有工具，也沒有前期成本，這使得制造原型或新零件的速度更快、成本更低。

1、3D打印集成飛機(jī)零件
增材制造是逐層構(gòu)建組件，因此工程師可以將零件組合在一起成為單個組件，而不是連接多個零件。赫氏公司使用經(jīng)過NAS測試的聚醚酮酮 (PEKK)的熱塑性塑料打印了具有三個開口的風(fēng)管組件，并將用于管道。

△具有三個開口的風(fēng)管組件

2、未來的火箭發(fā)動機(jī)可能包括大規(guī)模 3D 打印
美國宇航局的工程師們正在探索一種使用金屬粉末和激光進(jìn)行3D打印火箭發(fā)動機(jī)零件（如噴嘴和燃燒室）的新方法。這種方法被稱為定向能量沉積，比傳統(tǒng)的制造方法更快、更便宜。該開發(fā)是美國宇航局快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)（RAMPT）項目的一部分。這項技術(shù)的進(jìn)步意義重大，因為它讓我們能夠以比過去更低的價格生產(chǎn)出最困難、最昂貴的火箭發(fā)動機(jī)部件。

△定向能量沉積制造的發(fā)動機(jī)噴嘴

2019年，工程師們在馬歇爾太空飛行中心試射了一個3D火箭發(fā)動機(jī)燃燒室。

△測試火箭發(fā)動機(jī)燃燒室

增材制造在不斷發(fā)展的汽車行業(yè)中發(fā)揮作用
近年來，除了在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，3D打印在汽車零部件的加工制造領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。同時，在“制造 2025”計劃提出之后，汽車行業(yè)的輕量化、智能化發(fā)展問題得到了人們的普遍關(guān)注，這也成為未來汽車制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

目前，全球汽車零部件市場的總價值超過了1萬億美元。到2030年，AM在汽車零部件方面的業(yè)務(wù)潛力將增長到200億美元，其中電動汽車零部件的生產(chǎn)約占25%。

△與AM相關(guān)的汽車零部件生產(chǎn)的預(yù)期收入($USM)
來源：3dpbm Research

汽車主要由四種類型的部件組成：車身、輔助電子產(chǎn)品、內(nèi)部和動力系統(tǒng)部件。

△汽車零部件

1、車身部件
除了在原型設(shè)計方面的明顯應(yīng)用外，AM已經(jīng)表明它可以在車身零部件市場上發(fā)揮作用。3D打印正在實現(xiàn)在某些較小和不明顯的連續(xù)制造部件，如寶馬i8跑車(使用聚合物與惠普MJF技術(shù))和封面展開打開時的敞篷混合動力跑車的屋頂(使用金屬PBF)。而電動汽車公司Local Motors已經(jīng)展示了使用LFAM復(fù)合3D打印技術(shù)進(jìn)行3D打印整個車身的能力。

2、輔助電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備
這個市場包括音頻/視頻設(shè)備、攝像機(jī)、低壓供電系統(tǒng)、儀表和儀表、點火系統(tǒng)組件、照明和信號系統(tǒng)，以及幾種不同類型的傳感器、電氣開關(guān)、線束，當(dāng)然還有電子外殼，而AM已經(jīng)在定制的電子外殼和開關(guān)的生產(chǎn)中被大量使用。

隨著內(nèi)燃機(jī)變得更加緊湊，電動汽車變得更加流線型，AM在電子零件生產(chǎn)中的應(yīng)用，尤其是在外殼和開關(guān)方面，預(yù)計將迅速增長到批量生產(chǎn)水平。采用高溫材料的聚合物3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠為幾種內(nèi)燃發(fā)動機(jī)車輛的引擎蓋下部件。對于電動汽車和一般的智能汽車，AM的采用預(yù)計將更加重要，因為溫度變得更不重要（電池之外），而且對復(fù)雜電子部件的需求增加。

3、內(nèi)飾部分
這個部分包括所有底板部件，儀表板，飾面，配件，當(dāng)然還有汽車座椅。特別是這最后一個領(lǐng)域，最近激發(fā)了一些創(chuàng)新的3D打印方法。

主要的汽車制造商已經(jīng)在探索并將3D印刷內(nèi)飾汽車零部件推向市場。迄今為止最流行的應(yīng)用之一是將AM用于汽車座椅組件。2018年，通用汽車公司（GM）和歐特克（Autodesk）采用創(chuàng)成式設(shè)計開發(fā)了一款3D打印座椅支架。座椅支架由不銹鋼制成，既整合了部分零件（從八個到一個）又減輕了重量（減少40%）。據(jù)傳，惠普還在開發(fā)一種新的汽車座椅生產(chǎn)方法，利用復(fù)雜的晶格幾何形狀來修改彈性材料(TPU和TPA)的柔韌性，用于使用多噴射聚變技術(shù)生產(chǎn)汽車座椅部分。

此外，豪華汽車制造商保時捷在2020年推出了一款全新概念車，采用3D打印車身和全桶座椅。斗式座椅是為跑車設(shè)計的，集成了膨脹聚丙烯(EPP)和由聚氨酯材料制成的3D打印晶格層。并且，3D打印層可以根據(jù)司機(jī)的舒適性偏好進(jìn)行定制。

4、動力系統(tǒng)和底盤
1、燃燒動力系統(tǒng)部件
隨著AM技術(shù)變得更加高效，3D打印可用于優(yōu)化形狀和減少復(fù)雜部件的子組件，如排氣歧管、閥門甚至活塞，同時利用幾何形狀和新材料改善集成冷卻系統(tǒng)的性能。不過除了實驗顯示模型，迄今為止還沒有直接3D打印引擎塊的案例。

2、混合動力系統(tǒng)部件
一些動力系統(tǒng)和底盤部件對于配備內(nèi)燃機(jī)的車輛和電動汽車是通用的，盡管它們可能有不同的形式。其中一些已經(jīng)以某種形式進(jìn)行了3D打印，Czinger開發(fā)了混合動力超級跑車Czinger21C，集成了許多3D打印組件，包括一個金屬底盤。

△Czinger 21C

布加迪，另一家主要的內(nèi)燃機(jī)超級跑車制造商，已經(jīng)在許多部件上使用了AM，包括革命性的鈦3D打印制動卡鉗。最近，該公司生產(chǎn)了混合動力部件，如0.5米長的輔助驅(qū)動軸，結(jié)合碳纖維和3D打印鈦合金端部配件，重量減輕了約一半至1.5千克，并由于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量降低而提高了性能。

布加迪一直走在汽車應(yīng)用增材制造的最前沿，其中Bolide可以說是布加迪迄今為止最好和最強(qiáng)大的產(chǎn)品，它也是3D打印次數(shù)最多的一個。自從一個開創(chuàng)性的全3D打印鈦制動卡鉗的發(fā)展以來，布加迪已經(jīng)越來越多地應(yīng)用仿生學(xué)領(lǐng)域的原理，使打印部件具有骨狀結(jié)構(gòu)：薄壁，中空的內(nèi)部和精細(xì)的分支。超跑Bolide的很多部件都是3D打印的，包括后翼支架、轉(zhuǎn)向柱支架、螺釘和緊固件、推桿、彈簧減振器、排氣管和制動卡鉗。

△Bolide

3、電氣化動力系統(tǒng)部件
電動汽車?yán)�用電池中�?jié)省下來的電力來循環(huán)電機(jī)，并產(chǎn)生駕駛所需的動力。因此，電動汽車不需要發(fā)動機(jī)和變速器，這是內(nèi)燃機(jī)汽車最關(guān)鍵的兩個部件。相反，電動汽車攜帶了幾個電力組件：電機(jī)、電池、車載充電器和電力控制單元(EPCU)。

最近，保時捷和SLM Solutions推出了一個項目，旨在制造一個使用3D打印的電子驅(qū)動器的完整外殼。使用增材激光融合工藝生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)-變速箱單元上的3D打印電子驅(qū)動器外殼通過了所有的質(zhì)量和應(yīng)力測試。在未來，這可能成為一種可行的生產(chǎn)方法。

△3D打印的電子驅(qū)動器外殼

如今，電動汽車使用的電池基本上是一排排的數(shù)百塊小型電池固定在一起，以增加容量。例如，特斯拉85千瓦時電池組由7104個電池組成，大約為AAs大小。借助 3D 打印，無需制造和組裝單個電池：可以將模塊設(shè)計并打印成所需的整體形狀。AM還可以改變電池的電極的結(jié)構(gòu)：多孔電極增加了能量密度，而AM 非常適合將電極材料構(gòu)建成晶格形狀，該晶格形狀具有更大的暴露表面積以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生更高效的電池。

目前，一些主要汽車制造商已經(jīng)使用AM進(jìn)行生產(chǎn)，如BMW、Daimler、Stellantis、Ford、GM、JLR、Volkswagen。

總結(jié)與展望
總體來看，航空航天技術(shù)的民用轉(zhuǎn)化不僅僅提高了這些領(lǐng)域的科技水平，還降低了民用企業(yè)的成本，也為國家增加了大量的就業(yè)機(jī)會，還極大推動了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會生活的進(jìn)步。

從航空航天起始，逐漸應(yīng)用到汽車領(lǐng)域的例子還有很多，其搭載的功能與航空航天技術(shù)的結(jié)合，可能要比其他領(lǐng)域更緊密一些。尤其在智能汽車時代，智能網(wǎng)聯(lián)、智能駕駛、材料輕量化等層面都可以為汽車帶來全新的體驗，諸如線控技術(shù)、ACC自適應(yīng)巡航與碳纖維材料，都是航空航天領(lǐng)域經(jīng)過成熟應(yīng)用帶來的便利。在很多人看來是“黑科技”的東西，最終也會走入大眾，為人們帶來普惠。

當(dāng)前，航天技術(shù)應(yīng)用在汽車上已經(jīng)不是一件新鮮事，但對于國產(chǎn)品牌來說，這個領(lǐng)域或許還有很長的路要走。

未來，我們能夠預(yù)見到的 5G、自動駕駛、智能汽車、增材制造等一系列科技的結(jié)合，會不會與導(dǎo)航定位系統(tǒng)一樣，創(chuàng)造出一個能讓歷史銘記的時間點？

答案呼之欲出。但首先我們可以確定的是，多源技術(shù)融合、各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域及不同頭部品牌之間的供應(yīng)整合型合作，勢必會讓科技“落地”的時速飆增，成為一股不可忽視的“中國制造新勢力”。

參考文獻(xiàn)
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5. 張亮.在新時期加強(qiáng)天技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的思考.航天工程咨詢北京有限公司
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