美空軍研究實(shí)驗(yàn)室不斷探索增材制造技術(shù)

　　增材制造(又名“3D打印”)是美空軍正在精心探索的一個(gè)充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)材料和制造局的研究人員認(rèn)為，增材制造可以成為快速創(chuàng)新的有力工具，最終將成為研究整個(gè)材料領(lǐng)域制造的全新方法。

　　材料和制造局增材制造負(fù)責(zé)人米勒稱，增材制造對(duì)美空軍來說是一個(gè)巨大的機(jī)遇。從根本上說，將允許美空軍重新定義制造的概念。

　　傳統(tǒng)制造方法形成于工業(yè)革命時(shí)期。許多工藝都要求材料從較大的外形開始模制或碾模，進(jìn)而形成特定的設(shè)計(jì)。增材制造則與之相反，它是由美國(guó)材料和試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM International)定義的、在3D模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上將材料逐層累加連接在一起的工藝。增材制造不僅提高了設(shè)計(jì)的可能性，還為創(chuàng)新提速、利用更少的限制條件制造更接近工程師可能需要的物體提供了一種替代方案。

　　早期發(fā)展

　　美空軍對(duì)增材制造的研究始于20世紀(jì)80年代，與工業(yè)上的快速原型概念同時(shí)發(fā)生。當(dāng)時(shí)的重點(diǎn)是制造功能性的原型或接近所需零部件的對(duì)象，但材料缺乏必要的最低強(qiáng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以此構(gòu)建剛性的塑料部件。其它基于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(jì)90年代初，科學(xué)家們了解到，這種增材制造工藝可用于生產(chǎn)金屬物體。但依靠當(dāng)時(shí)技術(shù)制造出的未加工大型部件其表面不盡人意。直到21世紀(jì)末期，激光技術(shù)發(fā)展足夠成熟，才得以推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域真正向前邁進(jìn)，并進(jìn)一步形成了今天整個(gè)航天工業(yè)都在追求的3D打印革命。

　　向功能性應(yīng)用延伸

　　隨著過去幾十年增材制造業(yè)發(fā)展成熟，該領(lǐng)域已經(jīng)超越了塑料和金屬零部件。材料和制造局負(fù)責(zé)功能性材料增材制造的主管貝里根表示，目前正在探索利用增材制造工藝將功能嵌入結(jié)構(gòu)的方法，例如通過在非傳統(tǒng)表面上添加電子電路或天線等等。增材制造工藝能夠使研究人員以任意形狀或任意柔性柔軟的形狀參數(shù)制造電子設(shè)備，貝里根的團(tuán)隊(duì)正在尋找不同的方法來制造電路，使其能夠彎曲或粘附到新的表面或幾何形狀上。對(duì)3D打印的電子來說，導(dǎo)電材料被分成數(shù)百萬個(gè)小塊并懸浮在液體中，然后從打印機(jī)中分配，打印之后，這些獨(dú)立的導(dǎo)電塊必須保持接觸，以使電子通過電路移動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生能量。這樣做的目的是獲取低成本、靈活的電子設(shè)備，這些直接寫入的增材制造工藝提供了其他工藝無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)能力。

　　面臨的挑戰(zhàn)

　　盡管增材制造工藝經(jīng)歷了多年發(fā)展和研究，但AFRL研究人員仍要解決許多難題，以便使美空軍從當(dāng)前和未來的技術(shù)上獲得更大收益，這些挑戰(zhàn)最終歸結(jié)于材料加工的問題。另一個(gè)問題是基本材料的兼容性，在增材制造中有很多不同的接口，確保材料彼此粘附或零部件能夠承受一定的壓力及溫度，這些都是AFRL需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。