航空制造领域3D打印钛合金的原理与发展

引言

航天制造工业是一个大国最高精尖的制造技术的体现，是一个国家探索太空领域的技术与产能的基石。20世纪70年代以来，中国航天制造事业迅速发展，随着科研投入的不断增加，时至今日，各项航天技术壁垒不断被突破，中国航天制造技术走向了新的高度[1-5]。其中，3D打印技术就被广泛应用于工业制造和航空航天制造领域。

3D打印技术又称三维打印技术、增材制造技术、积层制造技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状材料（如金属或非金属）等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，最早于20世纪80年代末出现。3D打印机如图1所示。

3D打印是将计算机技术生成的三维物体进行二维化，结合数控技术，利用层端口法将二维图像转换为三维模型，再逐层制造。3D打印制造技术是一门新兴的制造技术，与其他制造技术相比，具有加工时间短、成型速度快、加工精度高、节省原材料等优点[6-9]。

这是对“方法”的一种新的尝试。最终目标是通过将手机对周围环境和能量状态特征的“感知”融入技术[10]，实现完全的智能化和自动化。随着中国科学技术的快速发展，3D打印技术不断被应用于工业制造和航空航天制造领域，并取得了显著的成果[11-17]。

1、3D打印技术原理与分类

3D打印机就像日常打印设备一样工作。它们由计算机和印刷材料进行数字控制和分层。然而，3D打印机打印材料不同于日常打印机，其使用的是专用材料，如陶瓷、金属、印刷砂和塑料等。简单来说，3D打印机是一种可以以逼真的三维状态“打印”物体的机器，设计师可以设计自己构思的物体，并将其打印出来，实现所想即所得。常用的印刷材料有铝合金、镀银、尼龙玻璃纤维、不锈钢、石膏材料、钛合金、耐用尼龙材料、镀金、橡胶材料等。根据成型工艺的不同，3D打印可分为颗粒、线控、挤压等，3D打印技术具体分类如表1所示。

图1　3D打印机

2、3D打印技术的发展

国际上，3D打印发展相对较早，商业原型出现在20世纪90年代，1986年美国科学家查尔斯赫尔开发出第一台商业3D打印机。1993年，麻省理工学院获得了3D打印技术专利。1995年，美国ZCorp公司获得了麻省理工学院颁发的一次性许可证，并开始开发3D打印机。2005年，ZCorp成功开发了Z510，这是市场上第一台高清3D彩色频谱打印机。2010年11月，美国团队JimKor制造出了世界上第一款由3D打印机制造的汽车，如图2所示。

图2 3D打印的汽车

2011年7月，英国研究人员研制出世界上第一台3D巧克力打印机。2011年8月，南安普顿大学的工程师开发出世界上第一架3D打印机制造的飞机。

2012年11月，苏格兰科学家首次使用人体细胞3D打印机打印出合成肝脏。2013年10月，一款名为“小野之神”的3D打印产品被售出，这是世界上首次出售的3D打印产品。2013年11月，位于德克萨斯州的Vein的3D打印机Solidcontigs生产出了金属材料的枪械。2018年12月，俄罗斯宇航员在国际空间站上使用3D生物打印机在零重力下打印实验大鼠的甲状腺。2019年1月，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）和加州大学洛杉矶分校（UCLA）在Nature杂志上发表了首个复制中枢神经系统脊柱的3D打印研究成果。

当植入神经干细胞时，会植入脊髓受到严重损伤的动物，从而能够获得他们的运动技能。该系统试图模仿中枢神经系统的特性。该中枢神经脊柱是圆形的，只有2mm厚，其构成的框架为h型。支架周围是数十个直径约200μm的麦克风，用于引导植入的神经干细胞和轴突沿十字交叉。2019年8月，美国研究人员在《科学》杂志上发表了一项研究成果，通过Hoendenden将水冰应用到“模具中”，成功地生产出胶原蛋白3D打印“骨细胞”，这是3D打印全尺寸成人心脏的一次技术上的突破。

国内3D打印技术的发展较为落后，但是发展却十分迅速。在大学的创新课程中也已经开始讲解3D打印技术。

Bar将3D打印的优势与机械学习的优势分析相结合，描述了3D打印在机械设计中的应用，开发用于生产机械控制装置的3D打印技术[18-20]。

3、3D打印材料简介

根据印刷材料的不同，印刷材料的性能也不同。目前，用于塑料印刷的印刷材料主要分为普通塑料、工程塑料和生物塑料。

1）通用塑料。通用塑料是一种效率高、价格低、力学性能差、应用广泛的塑料。它通常不用作结构材料[21]。广泛使用的浓缩通用塑料有ABS、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，但由于通用塑料质量差，不能满足3D打印的材料性能要求，所以通用复合材料的制造一般都是合成的。

2）工程塑料。工程塑料是一种广泛用作建筑材料的热塑性材料，它具有高强度、抗老化、高硬度和抗冲击等特点[22]，被广泛用于3D打印。最常用的工程塑料有ABS工程塑料、尼龙塑料和聚碳酸酯。其中，ABS塑料具有较好的韧性、抗冲击性和耐腐蚀性，但耐候性和收缩变形较差；聚碳酸酯具有强度高、抗冲击性好、耐火、收缩率低等优点，但熔融后

黏度高、流动性低；尼龙塑料机械性能高，耐磨性强，拉伸性能好，韧性优良，但吸水率和尺寸稳定性较差；聚醚醚酮（PEEK）具有强度高、韧性好、导热系数低、易于加工等优点，但具有化学惰性。现阶段，专家们也在通过不断的实验和分析对各种工程塑料进行优化，以保持其优势，减少其劣势，提高其性能[23-33]。

3）生物塑料。随着环保要求越来越高，绿色产品不断出现。生物塑料是可生物降解的聚合物塑料。这种聚合物可以被天然微生物化学分解并降解成无污染的材料。使用最多的生物塑料主要是聚己内酯、PLA、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1和4-环己烷二甲酯[21]。其中，PLA相容性好，降解性好，热稳定性和力学性能高，但抗拉强度低，脆性大；聚己内酯无毒、熔点低、生物相容性好、可生物降解，但力学性能较差；聚对苯二甲酸乙二醇酯-1和4-环己烷二甲酯具有优异的韧性、透明度和生态相容性。聚对苯二甲酸乙二醇酯-1 无毒，但韧性低，收缩率高；4-环己烷二甲酯黏度低，液体流动性好，瞬间光固化，感光度高，韧性低，收缩率大。在选择3D打印制造的原材料时，要考虑待加工零件的应用条件，然后选择合适的打印材料。

4、结语

综上，研究组介绍了3D打印技术的原理、发展历程、优缺点以及几种打印材料，并分析了3D打印技术的未来发展，从几个角度对3D打印技术进行了阐述。

随着计算机技术、材料科技、机械制造技术的不断发展，3D打印技术的发展之路也越走越快。结合最新热门的智能制造，将会使3D打印设备变得更便于操作与使用，未来3D打印技术将会应用得更加广泛。

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