分析美國空軍3D列印技術的應用機遇與挑戰

OFweek3D列印網訊 近期，美國空軍對其增材製造技術的發展應用及挑戰進行了分析，指出增材製造雖然已經發展了幾十年，但是在工藝實施方面還存在著很多的挑戰需要解決。

增材製造是材料科學家的「夢想」，卻是工程師的「噩夢」

美國空軍實驗室材料製造局的科學家和工程師將增材製造（3D列印）視為一種強大的快速創新工具

傳統製造工藝的最大問題就是時間問題，而增材製造則提供了低成本和快速交付能力

增材製造的發展

20世紀80年代，美國空軍開始了對增材製造能力的研究。同一時期，快速原型概念在工業界興起。早期的快速原型技術，是在工程師有了想法之後，通過印表機使用塑料材料進行目標原型列印，而這種原型側重的是創建功能原型。

早期的增材工藝是通過特定區域的光化學反應構建剛性的塑料部件，隨著技術的進步，逐漸演化出熔絲模塑成型，其材料仍然採用塑料絲線。此外，基於粉末的激光熔融塑料成型技術逐漸出現。20世紀90年代初，科學家開發出了採用金屬材料的類似增材工藝，但是，限於當時的技術水平，製造部件的表面非常粗糙。直到21世紀，激光技術的足夠成熟終於使得增材製造工藝發生了質的變化。而這帶動了整個航宇工業所追求的增材製造革命。

增材製造向生產型部件的應用發展

激光和粉末冶金工藝的經濟性提升，促進了科學家們對金屬增材製品的研製。

增材製造從開發原型應用向實際生產方法的演化，為美國空軍帶來了很多好處和應用機會。

定製部件及獨特、複雜幾何形狀部件的小批量製造有助於對老化機隊的維護。

定製工具、發動機部件和輕質部件的應用可以實現更好的飛機維護並延長壽命。

飛機後勤對增材製造的應用潛力很大。

對幾十年前生產的、目前少量難供應的部件快速生產非常有價值。

對增材製造的一致性、高質量材料的開發仍是一種挑戰。

增材製造向功能材料的擴展

（1）應用研究

當前的增材製造材料應用已經超越了塑料和金屬部件。

AFRL材料製造局的功能材料增材製造領軍人士Dan Berrigan博士，正在探索如何使用增材製造工藝將功能材料嵌入到結構中，例如在非傳統表面添加電子電路或天線。隨著對有源跟蹤器及性能監視器等柔性設備需求的增加，通過這種工藝方式對這些有源設備進行有機供電非常有必要。

增材製造工藝可以實現任意形狀或柔性的電子器件沉積， Berrigan博士正在研究在圓頂或補丁表面粘附電路的方法，以期在已有結構表面實現新的功能。

（2）主要挑戰

3D列印電子產品，不像傳統工藝那樣要對一系列導電層和絕緣層進行層壓而形成剛性電路板，導電材料在3D列印工藝中要被分成數百萬個小塊並懸浮在液體材料內，然後從印表機中進行分配，並且在印刷之後，還要保持這些獨立的導電片相互接觸，以使電子能夠在電路中運動而生電。

標準生產工藝的缺乏、質量保障方法、重大的材料變化以及材料性能的降低是AFRL研究人員需要克服的部分因素，例如增材製造電路的電子特性可能比傳統製造工藝的電子特性差

掌握零件的安全性、可靠性和耐用性對飛機至關重要，目前對增材製造部件的這些屬性還沒有掌握

基本的材料兼容性問題。確保材料的彼此粘附，或者使部件能夠支持一定的應力或承受一定的溫度，這些都是需要解決的挑戰。

MQ-9「死神」無人機的嵌入式天線將使用增材製造技術進行製造。此外，柔性線圈、嵌入式天線以及感測器都將探索採用增材製造技術進行制