呂堅(jiān)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(huì)支持的、中國航天科工集團(tuán)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(huì)暨高峰論壇在哈爾濱盛大開幕。

法國國家技術(shù)科學(xué)院呂堅(jiān)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(bào)告。                                       

“增材制造作為美國制造計(jì)劃的五大元素之一，增材制造和價(jià)值鏈和設(shè)計(jì)、材料、工藝，這五個(gè)就是美國制造計(jì)劃的五大元素。如何能做到價(jià)值鏈最高？特別是在增材制造的這個(gè)領(lǐng)域。我們可以看到材料，比如黃金制品來講，黃金的價(jià)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(jìn)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(gè)時(shí)候價(jià)錢就是十幾倍，從這個(gè)地方來看，除了材料，除了工藝，設(shè)計(jì)也是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。總結(jié)起來，就是如何能夠達(dá)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(gè)特質(zhì)。”法國國家技術(shù)科學(xué)院呂堅(jiān)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(bào)告中開場(chǎng)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(gè)可以看到，從產(chǎn)業(yè)鏈來講，從95年的時(shí)候才30個(gè)億，2010年左右開始大幅度的增加，從去年已經(jīng)到了600個(gè)億了�！�

呂堅(jiān)院士1994年就開始做3D打印，1998年到2002年領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)歐盟的項(xiàng)目，表面與應(yīng)用工程的設(shè)計(jì)，3D打印里面一個(gè)核心的問題，就是材料預(yù)應(yīng)力，怎么把它們直接考慮進(jìn)去，就是歐盟項(xiàng)目最主要的研究方向。第二，如何縮短設(shè)計(jì)的進(jìn)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(shí)候同時(shí)考慮制造，同時(shí)考慮材料的選擇，同時(shí)考慮整體結(jié)構(gòu)的變形。第二個(gè)最重要的東西，就是技術(shù)數(shù)據(jù)交換，因?yàn)槟阕鲆粋�(gè)飛機(jī)也好，做一個(gè)航空設(shè)計(jì)也好，它可能有幾百個(gè)、上萬個(gè)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(jìn)行快速的交換，而又沒有錯(cuò)誤的信息，因?yàn)?D打印，如果設(shè)計(jì)師的軟件和制造的是不匹配的，那么它這些結(jié)果都是錯(cuò)的。另外一個(gè)歐盟項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)，建立從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的圖紙到網(wǎng)格，到計(jì)算，到壽命預(yù)測(cè)，整體的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，才能夠真正的縮短這些制造和研發(fā)的過程。

學(xué)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(jì)。我們做不同的新型的設(shè)計(jì)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?cè)谧鲆恍┯蓄嵏残缘墓ぷ鳌?br />
第一，就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)里面能夠做一些什么？航空發(fā)動(dòng)機(jī)大家知道，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展實(shí)際上有三個(gè)比較大的方向。第一個(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)的使用溫度又提高150到300度。

第三個(gè)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(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)，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(gè)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(gè)合金的形成，而這個(gè)合金的形成由于它的多向性，同時(shí)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(jì)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(xué)都是非常重要的。

第二，新型合金的設(shè)計(jì)，3D打印跟我們平常用的打印機(jī)一樣，每一個(gè)打印機(jī)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(jī)本身的5到20倍，那么做粉，做材料，可能比做3D打印機(jī)自己會(huì)有更多的利潤(rùn)。

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(gè)很簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，如果能夠打印完了它是一個(gè)軟的，然后通過加溫讓它形成一個(gè)陶瓷的話，比如說形成復(fù)雜形狀的這個(gè)陶瓷，這是世界上最大的3D打印的陶瓷之一，這個(gè)技術(shù)可能做很大的陶瓷，可以做航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和其他的東西，現(xiàn)在是一個(gè)3D打印手機(jī)的殼，因?yàn)榇蠹叶贾�道下一代，第五代的手機(jī)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(gè)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(dāng)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(xué)里面最好的雜志《自然雜志》的封面文章。

我們主要的目標(biāo)就是做高強(qiáng)、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(qiáng)、高韌的材料，高熵材料為什么非常重要呢？ 因?yàn)橐院蠛娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)成分結(jié)構(gòu)只是對(duì)它這個(gè)溫度階段里面最好的，因?yàn)橥ㄟ^設(shè)計(jì)這些高傷材料，完全可以讓這個(gè)材料在我所需要的性能，在1000度工作的時(shí)候最好，或者在200度工作的時(shí)候最好。那么這個(gè)高熵材料的設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)。你必須在設(shè)計(jì)的時(shí)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(xué)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(yán)重的病，隨著人的老齡化的百分比會(huì)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(gè)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(gè)梯度結(jié)構(gòu)，首先用納米化大幅度的把這個(gè)材料的性能提高，在最表層，再加上一個(gè)超大的結(jié)構(gòu)，一般說的納米晶是小于100納米的。這個(gè)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(gè)納米，然后晶界降到兩個(gè)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(gè)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(gè)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(qiáng)度，黑的部分是6個(gè)納米，不產(chǎn)生位錯(cuò)，這是為大家提供了一個(gè)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(gè)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(gè)致密度大幅度的提高，也可以大幅度的提高這個(gè)材料的性能，一種是產(chǎn)品出來以后直接打印，這個(gè)產(chǎn)品比如說是一個(gè)假肢，能夠直接提高，如果是一個(gè)特別厚的零部件，現(xiàn)在正在考慮把這個(gè)方法直接和3D打印的機(jī)器放在一起，增加致密度，第二，可以加入比較對(duì)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(gè)金屬板，一般來講只有一個(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)，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(diǎn)都給改了的話就變成這樣的方向了，所以這個(gè)出氣口可以變得很大，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的出口，矢量發(fā)動(dòng)機(jī)它是一個(gè)很復(fù)雜的機(jī)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(gè)牛頓，而這個(gè)是幾百個(gè)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(dòng)機(jī)的一些組織結(jié)構(gòu)。因?yàn)榭梢酝ㄟ^設(shè)計(jì)這些來設(shè)計(jì)新的矢量風(fēng)管里面的一些應(yīng)用。

來源：SAMA國際論壇