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(shí)產(chǎn)權(quán)組知識(shí)產(chǎn)權(quán)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇蘸教煨虏牧系奶剿髋c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(guó)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(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，通過其技術(shù)轉(zhuǎn)移（Technology Transfer）計(jì)劃，挖掘出在航空航天之外的實(shí)用價(jià)值，并逐漸向民用領(lǐng)域擴(kuò)散，造福民眾。目前，美國(guó)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(guó)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(jià)值的經(jīng)驗(yàn)，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(duì)我國(guó)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(jì)思維解決增材制造降本增效問題，更多精彩內(nèi)容敬請(qǐng)期待。

NASA的技術(shù)轉(zhuǎn)移成果
自1976年美國(guó)國(guó)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(shí)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(gè)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(cè)太空中宇航員健康狀況的軟件，現(xiàn)在可以在家中監(jiān)測(cè)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(jià)鐵 (EZVI)安全地對(duì)土壤和地下水進(jìn)行解毒；用于測(cè)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(cè)森林火災(zāi)排放，評(píng)估城市空氣質(zhì)量等；太空燃料電池提供深海動(dòng)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(tái)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(dòng)機(jī)方面的專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)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(shì)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(dòng)駕駛汽車更安全
旨在幫助月球航天器著陸的激光可能會(huì)幫助自動(dòng)駕駛汽車在這個(gè)星球上的交通高峰時(shí)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(jì)算機(jī)提供數(shù)據(jù)，結(jié)合來自攝像頭的信息，就可以識(shí)別建筑物、人員和其他車輛，它還可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)以及物體的方向和速度，以避免沒有及時(shí)減速或停車的潛在致命錯(cuò)誤。此外，來自另一輛自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)不會(huì)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(shí)，人體會(huì)自然呈現(xiàn)什么形式？NASA 使用美國(guó)第一個(gè)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(shì)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(zhǎng)途駕駛更加愉快，因?yàn)樽�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(shí)，人的肌肉工作量會(huì)減少。

3、Flash Lidar實(shí)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(gè)激光脈沖一次性獲取所有數(shù)據(jù)，生成整個(gè)地圖。脈沖由具有數(shù)千個(gè)像素的焦平面陣列接收，具有許多優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(shí)別道路危險(xiǎn)——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(shí)，這是一項(xiàng)至關(guān)重要的安全優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)樗�通過每個(gè)脈沖收集 15,000 個(gè)像素，并且因?yàn)閳D像是一次收集的，所以并不會(huì)因運(yùn)動(dòng)而失真（圖）。

△ASC全球閃光激光雷達(dá)收集的圖像

4、空氣動(dòng)力學(xué)研究徹底改變了卡車設(shè)計(jì)
NASA 工程師對(duì)車輛空氣動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)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(dòng)力學(xué)表面將更快移動(dòng)的空氣吸引到飛機(jī)表面并破壞飛機(jī)周圍較慢移動(dòng)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(dòng)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(shí)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�?duì)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(gè)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(gè)小的硅芯片上的，當(dāng)在芯片的一側(cè)施加壓力時(shí)，就會(huì)在硅中產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)輪胎壓力變低時(shí)，應(yīng)變就會(huì)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(cè)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(tái)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?yàn)樗�加快了原型和新部件的開發(fā)和生產(chǎn)時(shí)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(gè)組件，而不是連接多個(gè)零件。赫氏公司使用經(jīng)過NAS測(cè)試的聚醚酮酮 (PEKK)的熱塑性塑料打印了具有三個(gè)開口的風(fēng)管組件，并將用于管道。

△具有三個(gè)開口的風(fēng)管組件

2、未來的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可能包括大規(guī)模 3D 打印
美國(guó)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(dòng)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(guó)宇航局快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)（RAMPT）項(xiàng)目的一部分。這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步意義重大，因?yàn)樗�讓我們能夠以比過去更低的價(jià)格生產(chǎn)出最困難、最昂貴的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

△定向能量沉積制造的發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴

2019年，工程師們?cè)隈R歇爾太空飛行中心試射了一個(gè)3D火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

△測(cè)試火箭發(fā)動(dòng)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(shí)，在“制造 2025”計(jì)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(shì)。

目前，全球汽車零部件市場(chǎng)的總價(jià)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(zhǎng)到200億美元，其中電動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)部件。

△汽車零部件

1、車身部件
除了在原型設(shè)計(jì)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(chǎng)上發(fā)揮作用。3D打印正在實(shí)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(shí)的敞篷混合動(dòng)力跑車的屋頂(使用金屬PBF)。而電動(dòng)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(gè)車身的能力。

2、輔助電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備
這個(gè)市場(chǎng)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(diǎn)火系統(tǒng)組件、照明和信號(hào)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(dòng)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(jì)將迅速增長(zhǎng)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?yàn)閹追N內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的引擎蓋下部件。對(duì)于電動(dòng)汽車和一般的智能汽車，AM的采用預(yù)計(jì)將更加重要，因?yàn)闇囟茸兊酶�不重要（電池之外），而且�?duì)復(fù)雜電子部件的需求增加。

3、內(nèi)飾部分
這個(gè)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(gè)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(chǎng)。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(jì)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(gè)到一個(gè)）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(shí)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(jì)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(dòng)力系統(tǒng)和底盤
1、燃燒動(dòng)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?gòu)?fù)雜部件的子組件，如排氣歧管、閥門甚至活塞，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)力系統(tǒng)部件
一些動(dòng)力系統(tǒng)和底盤部件對(duì)于配備內(nèi)燃機(jī)的車輛和電動(dòng)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(dòng)力超級(jí)跑車Czinger21C，集成了許多3D打印組件，包括一個(gè)金屬底盤。

△Czinger 21C

布加迪，另一家主要的內(nèi)燃機(jī)超級(jí)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(dòng)卡鉗。最近，該公司生產(chǎn)了混合動(dòng)力部件，如0.5米長(zhǎng)的輔助驅(qū)動(dòng)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(gè)。自從一個(gè)開創(chuàng)性的全3D打印鈦制動(dòng)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(dòng)卡鉗。

△Bolide

3、電氣化動(dòng)力系統(tǒng)部件
電動(dòng)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(dòng)力。因此，電動(dòng)汽車不需要發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，這是內(nèi)燃機(jī)汽車最關(guān)鍵的兩個(gè)部件。相反，電動(dòng)汽車攜帶了幾個(gè)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(shí)捷和SLM Solutions推出了一個(gè)項(xiàng)目，旨在制造一個(gè)使用3D打印的電子驅(qū)動(dòng)器的完整外殼。使用增材激光融合工藝生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱單元上的3D打印電子驅(qū)動(dòng)器外殼通過了所有的質(zhì)量和應(yīng)力測(cè)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(dòng)器外殼

如今，電動(dòng)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(shí)電池組由7104個(gè)電池組成，大約為AAs大小。借助 3D 打印，無需制造和組裝單個(gè)電池：可以將模塊設(shè)計(jì)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(guó)家增加了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)，還極大推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)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(shí)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(yàn)，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(huì)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(duì)于國(guó)產(chǎn)品牌來說，這個(gè)領(lǐng)域或許還有很長(zhǎng)的路要走。

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

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(gè)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(shì)必會(huì)讓科技“落地”的時(shí)速飆增，成為一股不可忽視的“中國(guó)制造新勢(shì)力”。

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