科技日报记者 金凤
传统的3D打印往往要先设计结构,再选择材料,确定加工工艺,最终打印成形,但因材料、结构和工艺等多因素耦合规律复杂,3D打印的零部件想精确成形需反复试错,想实现金属构件的高性能甚至多功能比较难。
南京航空航天大学材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授团队,联袂德、美、英等国学者,建立了一种新的3D打印模式,能在复杂整体金属构件内部,同步设计、打印多种材料和多类结构,实现构件的高性能和多功能。
5月28日,这一研究以《材料–结构–性能一体化激光金属增材制造》之题,登上国际著名学术期刊《科学》。
受访者供图
激光增材制造,即3D打印技术,是当前世界科技强国竞相发展的一项战略性关键核心技术,可满足现代工业对难加工金属构件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。
“传统的3D打印遵循'串联式路线’,即结构设计–材料选择–加工工艺–实现性能。这种路线需要反复试错,周期较长,成本较高。”论文的第一作者和通讯作者顾冬冬说,基于这一挑战,他和研究团队提出了一种新的3D打印模式,即“材料–结构–性能一体化增材制造”的并行模式。
通俗地说,这种模式在设计和打印产品结构时,考虑在零件的不同部位,哪种材料、哪种结构更适合,再确认加工工艺路线,最后打印出来,以确保产品的高性能和多功能。
“人们越来越希望金属零件能同时满足多种需求,即使一个零件,也能在不同位置,用不同的材料,打印不同的结构,实现不同功能,例如有的部位能耐热,有的部位能承载受力,而这种3D打印模式可以实现。”顾冬冬说。
如何证明这种制造方式更合理?研究团队以“下一代空间探测器着陆器系统的整体化和多功能化发展趋势”为例,反复验证“并行模式”的金属整体结构3D打印的可行性。
高性能金属构件是航空、航天、交通、能源等现代工业的基石,且高端装备的服役性能很大程度上取决于构件的高性能。但这些构件多用于极端严苛的环境,对构件的选材、制造工艺、性能、功能均提出了严峻挑战。
“在论文中,我们设定了一个目标,试图让探测器的着陆器能隔热、防热,能减震、抗冲击、抗空间辐射。”顾冬冬说,在研究之初,自然界一些昆虫、动植物的特殊结构,便引起他们的关注,他们学习自然界天然优化的结构,强调生物启迪、仿生设计,并将之用于空间着陆器系统的“大底”构件的设计。
“材料–结构–性能一体化”3D打印的特征之一:适宜材料打印至适宜位置。受访者供图
进入研究团队视野的3种生物结构,是鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝。“鳞脚蜗牛生活在海底的热泉附近,蜗牛壳是一种层状复合结构,外壳非常硬,我们'大底’构件外层设计成鳞脚蜗牛壳结构,让着陆器能坚固地像盔甲一样,可以隔热防热;水蜘蛛在水下构筑住所,其水泡形住所由蛛丝连接水草而成,能长时间承受不同流速、不同方位水流的冲击,具有优异的韧性和抗冲击能力。我们据此设计了'大底’内部的减震结构,这些结构中'蛛丝’纵横交错,能让着陆器减震抗冲击;我们在'大底’的表面,附上了一层类似于多孔蜂窝的高温结构材料,能让着陆器与大气摩擦时防止烧损。”顾冬冬介绍。
在设计结构的同时,研究团队根据航空航天的需求,还选择了陶瓷、碳纳米管和铝合金相融合的复合材料。“铝合金很轻,所以在航空航天领域应用较广,但熔点只有600多度,在着陆器着陆时耐受不了这么高的温度,于是我们添加了熔点接近3000度的二硼化钛陶瓷。又例如碳纳米材料具有很多神奇的力学性能和物理化学功能,所以我们又设计了碳纳米管增强金属基复合材料来应对3D打印零件多功能化的需求。”
顾冬冬说,研究最大的难点,莫过于将适宜的材料打印到适宜的位置,“目前,单一材料的3D打印已经比较成熟,但多种材料的打印,还有较大挑战,也是研究热点。例如每打印一层,都需要设计不同的结构,打印不同的材料,还要调试激光参数、扫描模式等。从原子尺度的3D打印材料显微组织调控,到打印成看得见摸得着的成品零部件,还要考虑到打印时的变形、开裂等问题。”所以,在实验验证时,他们反复进行多种材料、多类结构的激光3D打印实验,并开展了热传导实验、抗冲击实验等功能验证。
顾冬冬在南航3D打印实验室。受访者供图
最终,团队从合金和复合材料内部多相布局、二维和三维梯度多材料布局、材料与器件空间布局3个复杂度层级,揭示了多材料构件3D打印的科学内涵、成形机制与实现途径。
同时,他们实现了“独特结构打印创成独特功能”,揭示了拓扑优化结构、点阵结构、仿生结构3D打印的本质,分别是将优化设计的材料及孔隙、最少的材料、天然优化的结构打印到构件内最合适的位置,提出了基于鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝三类典型结构的创新设计,及利用3D打印实现轻量化、承载、减震吸能、隔热防热等多功能化的原理、方法、挑战及对策。
这一成果获得当期《科学》主编的评价,认为“激光增材制造有望变革零部件的设计方式。顾等人建议将串联式设计和成形构件的增材制造策略,变革至更为整体性的方法来优化金属构件。这种更为综合的方法将有助于减少制造所需的工序数量,并扩大可用于最终应用零部件的结构类型。”
南京航空航天大学博士生石新宇、德国亚琛工业大学Fraunhofer激光技术研究所Reinhart Poprawe教授、美国德州大学奥斯汀分校David L. Bourell教授、英国卡迪夫大学Rossitza Setchi和西北工业大学朱继宏教授也参与了论文撰写。
编辑:张爽
审核:朱丽
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