吕坚院士：3D打印+原理制备、性能集成和在航天航空重的应用

2018年1月5日，由上海市增材制造协会支持的、中国航天科工集团和哈尔滨市人民政府主办的首届中国（哈尔滨）航空航天3D打印材料及应用制备技术博览会暨高峰论坛在哈尔滨盛大开幕。

法国国家技术科学院吕坚院士做了《3D打印+原理制备、性能集成和在航天航空重的应用》的主题报告。                                       

“增材制造作为美国制造计划的五大元素之一，增材制造和价值链和设计、材料、工艺，这五个就是美国制造计划的五大元素。如何能做到价值链最高？特别是在增材制造的这个领域。我们可以看到材料，比如黄金制品来讲，黄金的价值链已经很贵了，材料本身是每克300人民币，如果把它做成金属连线，中国都是进口的，这本身就是黄金本身的好几倍了，如果做到航空航天用的金属玻璃，一些反光镜，那个时候价钱就是十几倍，从这个地方来看，除了材料，除了工艺，设计也是一个非常重要的领域。总结起来，就是如何能够达到最高的附加值，首先要有唯一性。第二，要是非常好的、最好的。第三，就是要有颠覆性，技术结论必须有这三个特质。”法国国家技术科学院吕坚院士的《3D打印+原理制备、性能集成和在航天航空重的应用》主题报告中开场说，“大家都知道3D打印从1986年开始走到今天，它的发展突然在三、五年前得到了很大的加速，这个可以看到，从产业链来讲，从95年的时候才30个亿，2010年左右开始大幅度的增加，从去年已经到了600个亿了。”

吕坚院士1994年就开始做3D打印，1998年到2002年领导了一个欧盟的项目，表面与应用工程的设计，3D打印里面一个核心的问题，就是材料预应力，怎么把它们直接考虑进去，就是欧盟项目最主要的研究方向。第二，如何缩短设计的进程，通过并行工程的研究，把研究的周期大幅度的缩短，在设置的时候同时考虑制造，同时考虑材料的选择，同时考虑整体结构的变形。第二个最重要的东西，就是技术数据交换，因为你做一个飞机也好，做一个航空设计也好，它可能有几百个、上万个零部件，现在通过3D打印大幅度的下降，但是最主要的是如何和这些供货商进行快速的交换，而又没有错误的信息，因为3D打印，如果设计师的软件和制造的是不匹配的，那么它这些结果都是错的。另外一个欧盟项目，有56家欧盟公司参加的，关于航空零部件这些数据交换的标准，建立从计算机辅助设计的图纸到网格，到计算，到寿命预测，整体的数据标准，才能够真正的缩短这些制造和研发的过程。

学校3D打印有很多，有不同的3D打印的系统，但是在不同的领域产品设计。我们做不同的新型的设计的3D打印的结构。从而有效的利用3D打印这种新型的技术来制作出不同的结构，不同的性能，来充分的做出来一些有特殊性能的材料和结构。航空航天在做什么呢？他们在做一些有颠覆性的工作。

第一，就是航空发动机里面能够做一些什么？航空发动机大家知道，航空发动机的发展实际上有三个比较大的方向。第一个方向，就是发展钛合金，现在基本上是平均全球的发展，尽全球的力量差不多平均每年两度，就是使用的温度。

第二个技术，叫热障涂层，热障涂层就是陶瓷，它又可以把航空发动机的使用温度又提高150到300度。

第三个技术就是特殊的冷却技术，特殊的冷却技术就是靠更加复杂的航空动力学、空气动力学的设计，使得它很复杂。但是如果它的结构冷却系统非常复杂，现在的制造工艺是非常困难的。局部的组织结构的控制，就是说如果能够控制这个材料的冷却熔化过程和相变的过程，那么就可以很容易的更好控制这个合金的形成，而这个合金的形成由于它的多向性，同时3D打印可以制造复杂的陶瓷结构。可以作为很复杂的几何结构，也可以完成设计师所需要的组织结构。

3D打印+制造，还有什么？

第一，高附加值的产品，航空和生物医学都是非常重要的。

第二，新型合金的设计，3D打印跟我们平常用的打印机一样，每一个打印机它整体的寿命中打印的粉料或者是打印的材料，差不多是3D打印机本身的5到20倍，那么做粉，做材料，可能比做3D打印机自己会有更多的利润。

第三，如何把所谓的打印材料和整体的成型过程做出来。

第四，4D打印，大家可能说什么叫4D打印？如果3D打印可以打印出一个很简单的系统，如果能够打印完了它是一个软的，然后通过加温让它形成一个陶瓷的话，比如说形成复杂形状的这个陶瓷，这是世界上最大的3D打印的陶瓷之一，这个技术可能做很大的陶瓷，可以做航空发动机的喷管和其他的东西，现在是一个3D打印手机的壳，因为大家都知道下一代，第五代的手机它是不能用金属壳的，现在我们用的都是金属壳，那么这个就是可以做通过4D打印出来的等复杂的结构。

关于材料的冷却速度和致密度，发明了一种新型的方法可以打幅度提高它的致密度，从而提高它的寿命。当然还有新材料的发展。新材料的发展，登在材料里面最好的杂志和科学里面最好的杂志《自然杂志》的封面文章。

我们主要的目标就是做高强、高韧材料，做两类材料，第一类材料就是叫高熵合金，高熵合金是一种新型的高强、高韧的材料，高熵材料为什么非常重要呢？ 因为以后航空发动机由于3D打印提供的灵活性，就是说现在的航空材料基本上它是不同的成分、结构用的材料是一致的，以后在一个航空发动机的每一层它可能用的材料从成分、结构上是不同的，这个成分结构只是对它这个温度阶段里面最好的，因为通过设计这些高伤材料，完全可以让这个材料在我所需要的性能，在1000度工作的时候最好，或者在200度工作的时候最好。那么这个高熵材料的设计就是给出了更多的材料可变性。如果要用传统的锻造铸造，不可能说一个材料它有这么多的梯度来做。就是说如果用激光或者是用其他的方法可以做多梯度的结构而这种新型的材料就是可以为多梯度的3D打印提供新型的材料和新型的设计。你必须在设计的时候要考虑这些材料的温度和加载情况，下一代3D打印用不同的材料，在任何材料里面用不同阶段做的东西。

医学应用方面如假肢，很多假肢比如说钛合金是不能生物降解的，在有些情况下还要做二次手术拿出来，我们现在研究的是做生物金属，就是可降解的生物金属骨科内植入材料，像骨质疏松都是很严重的病，随着人的老龄化的百分比会大幅度的增加，老人做一次手术都已经够呛了，做N次手术的话就更不适合了。那么现在发展的就是镁合金可降解的3D打印材料，或者是增材制造材料。这个材料是可以用在不同的骨板或者其他结构里面，采用的技术是一个梯度结构，首先用纳米化大幅度的把这个材料的性能提高，在最表层，再加上一个超大的结构，一般说的纳米晶是小于100纳米的。这个材料里面它不是晶界而是金属玻璃，做出来一种新型的材料，把晶体降到6个纳米，然后晶界降到两个纳米，而这种材料它的性能是非常特殊的，超纳材料，相信是在未来里面能够发展的最多的材料之一。已经做出来比普通的钛合金更好的接近超纳的钛合金。这个方法最主要的工艺是在制备的过程中，由于冷却速度的特殊，形成了一个不同的纳米晶和纳米胞的结构，这种结构它从稳定性上来讲也是非常好的，镁合金一般只有一两百的强度，黑的部分是6个纳米，不产生位错，这是为大家提供了一个新型的，新的类型的金属结构，这种材料未来也是增材制造的一个非常重要的方法。

4D打印陶瓷，可以通过3D打印制作出来很复杂的高分子，经过烧结，或者局部烧结可以得到形状不同的陶瓷结构，现在可以烧出来最大、最复杂的4D结构的陶瓷。3D打印它的致密度在很多情况下是不够的，采用新的方法，可以直接把这个致密度大幅度的提高，也可以大幅度的提高这个材料的性能，一种是产品出来以后直接打印，这个产品比如说是一个假肢，能够直接提高，如果是一个特别厚的零部件，现在正在考虑把这个方法直接和3D打印的机器放在一起，增加致密度，第二，可以加入比较对材料友好的预应力，第三，整体的疲劳性能能够得到提高。

吕院士最后介绍了正在做的变形金刚结构，所谓的变形金刚就是多稳态金属结构，什么意思呢？就是说你有一个金属板，一般来讲只有一个稳定的状态，如果你让它变形，一松手它就又回来了，弹回来了。如果你让它彻底变形，它就弹不回来了。多稳态就是说在一个结构上，可以变出来，航空航天的应用有很多，包括太阳能板的展开，包括现在的矢量发动机，气的出口完全可以控制它的，如果是高温合金，或者是超纳合金，如果所有的控制点都给改了的话就变成这样的方向了，所以这个出气口可以变得很大，航空发动机的出口，矢量发动机它是一个很复杂的机械系统，而用了这种变形金刚结构，以后很容易做出来不同形状的结构。以前航空的结构都是不可以变形的，而这种方法是可以让它第一变形；第二，可以有一定的承重能力。以前用碳纤维复合材料做的，它的承重能力是10到20个牛顿，而这个是几百个牛顿，而且是可调的。以后就可以来代替现在用的所谓的矢量发动机的一些组织结构。因为可以通过设计这些来设计新的矢量风管里面的一些应用。

来源：SAMA国际论坛