機(jī)械強(qiáng)度視角下的三維打印技術(shù)

現(xiàn)有的三維打印技術(shù)多數(shù)側(cè)重于幾何形貌而忽視了機(jī)械強(qiáng)度。

1885年，英國人埃德溫?艾勃特（Edwin Abbott）寫了一本數(shù)學(xué)科幻小說《平面國》（Flatland∶ A Romance of Many Dimensions），書中描繪了一個二維國度，其中一切物體包括居民都是平面的。多邊形在居民眼中只是一條直線，他們看不見、也無法進(jìn)入多邊形內(nèi)部。生活在三維國度的居民經(jīng)常嘲笑二維國度的居民，因為對他們而言，多邊形內(nèi)部是一目了然的。這本書闡述了不同空間維度之間的關(guān)系，即可以從高維度空間進(jìn)入低維度空間物體的內(nèi)部，但無法進(jìn)入處于同一維度的物體內(nèi)部。三維打印技術(shù)正是源于這一深刻的空間維度思想，通過降低物體的維度，將無法制造的三維物體變?yōu)榭梢灾圃斓亩S物體。

三維打印的基本工藝是通過計算機(jī)切片算法，將三維物體的數(shù)值模型切割分解為一系列平行的片層，然后控制激光、電子束或紫外線等能量束，將液態(tài)或固態(tài)（粉狀或絲狀）材料逐層固化、層層堆疊形成完整的三維物體。鑒于三維打印技術(shù)具有直接制造、節(jié)省材料和可個性化定制等顛覆性特征，德國“工業(yè)4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃”和“中國制造2025”都將其列為智能制造中的關(guān)鍵技術(shù)加以重點發(fā)展。

三維打印技術(shù)的起源和發(fā)展

三維打印技術(shù)源于1983年的一個深夜，美國工程師查克?赫爾（Chuck Hull）用紫外燈照射光敏涂料制造的一個零件。2014年，赫爾作為三維打印技術(shù)創(chuàng)始人，與愛因斯坦、愛迪生、喬布斯等一起名列發(fā)明家名人堂。經(jīng)過30多年的發(fā)展，三維打印技術(shù)已形成包括粉床選區(qū)燒結(jié)、激光凈成型、樹脂光聚合、熔融沉積、等離子沉積、墨水直寫和雙光子成型等在內(nèi)的眾多種類，并廣泛用于機(jī)械、電子、醫(yī)療、建筑和藝術(shù)等領(lǐng)域。

近年來，三維打印的新技術(shù)和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。2015年4月，上海極臻三維設(shè)計公司三維打印的“盛唐”雕塑燈獲米蘭設(shè)計周衛(wèi)星沙龍一等獎。2015年7月,美國Local Motors汽車公司利用碳纖維復(fù)合材料打印出電動汽車。2016年4月，三維打印和增材制造解決方案的領(lǐng)跑者Stratasys公司發(fā)布可打印36萬種顏色和不同軟硬度樹脂的工業(yè)級多材料三維打印機(jī)。此外，三維打印技術(shù)連續(xù)3年（2013－2015年）入選《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）“十大科技突破”。這些令人振奮的成果凸顯了三維打印技術(shù)巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景?；仡櫲S打印技術(shù)的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)打印精度和速度、應(yīng)用領(lǐng)域和打印方式都有長足的發(fā)展。但是，多數(shù)現(xiàn)有的三維打印技術(shù)側(cè)重于幾何形貌而忽視了機(jī)械強(qiáng)度，其結(jié)果是打印產(chǎn)品的機(jī)械性能不能滿足工業(yè)要求。利用三維打印技術(shù)直接制造產(chǎn)品還有很長的路要走，我們只是站在三維打印技術(shù)的起跑線上。

三維打印技術(shù)當(dāng)前遇到材料機(jī)械強(qiáng)度的問題并不奇怪。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國百廢待興，設(shè)計建造了大量的橋梁，但很多橋梁通車后不久就發(fā)生了坍塌。這引起了力學(xué)家和材料學(xué)家的關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)微裂紋等缺陷引發(fā)的疲勞斷裂是導(dǎo)致橋梁事故的原因，這直接促進(jìn)了斷裂力學(xué)的誕生和發(fā)展。歷史再一次重演，同樣是由于缺陷，力學(xué)家和材料學(xué)家這次面對的是革命性的三維打印技術(shù)。解決了強(qiáng)度問題，三維打印技術(shù)將能夠直接打印終端工業(yè)產(chǎn)品，在智能制造中獨自承擔(dān)關(guān)鍵的一環(huán)。

機(jī)械強(qiáng)度制約其應(yīng)用

早期的三維打印技術(shù)，采用光敏樹脂（立體光固化成型技術(shù),SLA）、塑料（熔融沉積成型技術(shù)，F(xiàn)DM）甚至紙張（分層實體成型技術(shù)，LOM）等材料打印的物體強(qiáng)度較低（低于100兆帕），通常用于側(cè)重幾何外形而對機(jī)械性能要求不高的藝術(shù)品、產(chǎn)品模型和模具等的制造。

1989年，美國得克薩斯大學(xué)的卡爾?德卡德（Carl Deckard）博士發(fā)明了金屬激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS），打印的金屬零件機(jī)械性能有了顯著提高，其彈性模量達(dá)到105兆帕，屈服強(qiáng)度達(dá)到102兆帕，比塑料的性能分別提高了4個和1個數(shù)量級。金屬激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)被有一定強(qiáng)度要求的骨科植入物臨床醫(yī)療所接納。2011年6月，荷蘭進(jìn)行了首例三維打印鈦合金人工下頜骨移植手術(shù)。2014年，中國工程院院士戴尅戎采用三維打印鈦合金骨盆假體，成功實施了骨盆重建手術(shù)。2015年8月，愛康醫(yī)療公司的金屬三維打印人工髖關(guān)節(jié)成為中國首個獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）上市許可的骨科內(nèi)植入物。2016年6月，全球醫(yī)療設(shè)備公司（K2M）的三維打印鈦金屬脊柱植入物獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）上市許可證。

三維打印技術(shù)應(yīng)用的真正挑戰(zhàn)來自航空航天飛行器的承力結(jié)構(gòu)部件。2012年，北京航空航天大學(xué)教授王華明有效解決了激光快速成型過程中變形開裂的問題，打印的飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)部件的力學(xué)性能優(yōu)于鍛件，在我國多型飛機(jī)生產(chǎn)中得到實際應(yīng)用。2015年，澳大利亞莫納什大學(xué)打印了用于概念驗證的金屬噴氣式發(fā)動機(jī)，并與法國宇航企業(yè)賽峰集團(tuán)正式進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。2016年9月，美國通用電氣公司（GE）收購了德國Concept Laser三維打印公司，期望借助打印零部件實現(xiàn)在2020年交付超過1萬臺商業(yè)航空發(fā)動機(jī)。這些突破性進(jìn)展表明，金屬三維打印產(chǎn)品已基本能夠滿足嚴(yán)苛的航空航天業(yè)的機(jī)械性能要求，并初步具備了直接打印終端產(chǎn)品的能力。

三維打印零件的機(jī)械性能

影響三維打印零件強(qiáng)度的因素

金屬和工程塑料是生產(chǎn)生活中應(yīng)用較為廣泛的材料，這兩類材料三維打印器件的機(jī)械強(qiáng)度是研究的重點。

金屬激光選區(qū)燒結(jié)的基本工藝是在惰性氣體保護(hù)和低于粉末熔點的環(huán)境溫度下，鋪粉滾筒將金屬粉末平鋪到粉床上，用激光束將截面輪廓內(nèi)粉末逐點熔化燒結(jié)，并與下方已成型部分黏結(jié)，粉床下降再鋪粉燒結(jié)，如此循環(huán)直至形成三維部件。影響金屬激光選區(qū)燒結(jié)打印部件機(jī)械性能的因素眾多，如金屬粉末的合金成分、粒度分布、球形度和表面形貌等材料因素，以及鋪粉密度和厚度、激光功率、光斑直徑、掃描速度和掃描方向等工藝因素。此外，激光微熔池溫度隨時間和空間變化極大，快速冷卻可能引起的非平衡片狀馬氏體、有特定取向的微觀組織、溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋、層間脫黏或翹曲變形。激光產(chǎn)生的局部高溫使金屬瞬間熔解氣化并產(chǎn)生極強(qiáng)的高壓，影響金相組織結(jié)構(gòu)并引發(fā)孔隙和裂紋等缺陷。這些因素都將降低打印部件的拉伸強(qiáng)度、疲勞性能和斷裂韌性等機(jī)械性能。目前，研究人員通常采用熱處理的方式來降低或消除材料的微結(jié)構(gòu)特征、孔隙、裂紋和殘余應(yīng)力。激光燒結(jié)過程對打印材料的影響亟待科學(xué)的解釋，需要采用蒙特卡洛、相場動力學(xué)、有限元等模擬方法并結(jié)合大量實驗，系統(tǒng)研究高溫微熔池傳熱傳質(zhì)過程、金相組織演化以及溫度應(yīng)力場導(dǎo)致的翹曲開裂等過程。激光逐點燒結(jié)實際上提供了一種逐點控制、設(shè)計金屬材料微結(jié)構(gòu)的方法，從而有可能獲得超越傳統(tǒng)冶金工藝的優(yōu)異機(jī)械性能。

1988年，美國人斯科特?克倫普（Scott Crump）發(fā)明了FDM，其原理是將熱塑性線材加熱熔化后由小孔擠出，按預(yù)定規(guī)劃路徑填充截面輪廓，然后層層疊加直至形成三維結(jié)構(gòu)。FDM技術(shù)的強(qiáng)度缺陷分為切片平面內(nèi)（XY面）和層間（Z軸）兩類。由于線材的橫截面為圓形，相鄰線材間存在大量孔隙。常規(guī)的解決方法是在每層采用不同的打印方向，從而提高XY面內(nèi)的拉伸強(qiáng)度。由于孔隙的存在，層間黏結(jié)強(qiáng)度較弱，所以Z軸強(qiáng)度通常只有材料強(qiáng)度的1/3。FDM打印部件的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于注塑部件的性能。研究人員通過減小線材間距以降低孔隙率，能在一定程度上改善Z軸靜態(tài)拉伸強(qiáng)度，但無法提高疲勞斷裂性能。筆者的研究組通過改進(jìn)硬件設(shè)計和打印算法，消除了孔隙缺陷，使得打印部件的強(qiáng)度接近材料強(qiáng)度。FDM打印機(jī)構(gòu)架簡單、成本低廉并采用工程塑料，消除缺陷后的FDM打印技術(shù)將能獲得新生。

仿生原理給出新思路

通過研究三維打印工藝和機(jī)理可以降低缺陷的影響，提高打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。除此之外，仿生學(xué)可以提供另一種改善打印性能的方法。天然生物材料如貝殼、骨骼和牙釉質(zhì)等，其基本成分是礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)類有機(jī)物。這些生物材料通過生物礦化過程可以形成多級結(jié)構(gòu)，例如貝殼具有類似磚墻的結(jié)構(gòu)。這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了生物材料的斷裂韌性通常比其礦物質(zhì)組分的斷裂韌性高幾個數(shù)量級。因此，通過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們可以利用性能較差的材料，獲得優(yōu)異的機(jī)械性能。

美國麻省理工學(xué)院的材料學(xué)教授馬庫斯?比勒（Markus Buehler）利用光固化三維打印技術(shù)設(shè)計打印了仿生結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)打印部件的強(qiáng)度和延展性得到了明顯改善。這種仿生學(xué)設(shè)計方法可以應(yīng)用于采用金屬、塑料等材料的多種三維打印技術(shù)，以改善打印部件的機(jī)械性能。