3D打印在2014

　　過(guò)去一年，全球科技取得了不少突破及進(jìn)展。此前3D打印技術(shù)甚至被認為將帶動(dòng)第三次工業(yè)革命，在該領(lǐng)域突破性發(fā)展尤其豐富。而最為耀眼的當屬以下兩大突破：

　　一、NASA開(kāi)發(fā)出新型混合3D打印技術(shù)

　　去年中旬，美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗室的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新的3D打印技術(shù)，可在一個(gè)部件上混合打印多種金屬或合金，解決了長(cháng)期以來(lái)飛行器尤其是航天器零部件制造中所面臨的一大難題。除度身定制零部件外，該技術(shù)還能用于研究各種潛在的合金，研究人員稱(chēng)，新研究未來(lái)有望讓材料科學(xué)大為改觀(guān)。相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)報告》雜志上。

　　3D打印技術(shù)正方興未艾，能夠用來(lái)制造從眼鏡到植入式醫療設備的各種物件，無(wú)需模具和焊接，人們只需將模型數據輸入計算機即可得到想要的東西。但此前航天器零部件的制造，卻無(wú)法如此輕松地一氣呵成。工程師往往需要定制各種復雜的、有特殊要求(如在同一零件上使用多種不同性質(zhì)金屬)的部件，傳統的3D打印技術(shù)根本無(wú)法滿(mǎn)足這一需求。

　　例如，一個(gè)零件的一側要具備耐高溫特性，而另一側要具備低密度特性;或只能在一側具有磁性。制造這樣的零部件此前只能采用焊接的方法，先分別制造出不同的部件，然后再將它們焊接起來(lái)。但焊縫天然具有缺陷，容易脆化，在高強度壓力下極易導致零件崩潰。

　　物理學(xué)家組織網(wǎng)7月30日報道稱(chēng)，從2010年以來(lái)，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗室的科學(xué)家就一直試圖解決這個(gè)問(wèn)題。噴氣推進(jìn)實(shí)驗室材料和冶金專(zhuān)家道格拉斯·霍夫曼說(shuō)：“我們正在做一個(gè)標準的3D打印工序，讓新技術(shù)能夠兼容不同的金屬粉末，以便于制造飛行器。借助這項技術(shù)，你可以不斷地改變材料的組成。未來(lái)的太空任務(wù)可以結合使用由這種技術(shù)制成的部件，汽車(chē)工業(yè)和商用航空工業(yè)的設計和制造人員，很快會(huì )發(fā)現這種技術(shù)對他們而言同樣很有價(jià)值?！?/p>

　　NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗室技術(shù)專(zhuān)家R·皮特·狄龍說(shuō)：“借助這種新型3D打印技術(shù)，你可以順滑地從一種合金過(guò)渡到另外一種合金，此外，用它還可以研究各種潛在的合金。我們認為這個(gè)技術(shù)未來(lái)將讓材料技術(shù)大為改觀(guān)?！?/p>

　　狄龍的同事、機械工程師約翰·保羅·比格尼亞說(shuō)：“雖然梯度合金在過(guò)去的研究中已經(jīng)被開(kāi)發(fā)和創(chuàng )建過(guò)，但是將這些復雜材料制造成現實(shí)的零部件，這還是第一次?！?/p>

　　二、3D打印的火箭發(fā)動(dòng)機噴嘴點(diǎn)火成功

　　去年九月，美國國家航空航天局(NASA)成功測試了兩個(gè)迄今設計最復雜的、3D打印制造的火箭發(fā)動(dòng)機噴嘴。兩個(gè)噴嘴分別進(jìn)行了5秒鐘點(diǎn)火試飛，產(chǎn)生了2萬(wàn)磅的推力。設計的氫氧旋混幾何流型使燃燒產(chǎn)生的推力達到每英寸1400磅，溫度達到6000華氏度。測試地點(diǎn)在亞拉巴馬州的馬歇爾空間飛行中心。

　　據物理學(xué)家組織網(wǎng)9月1日報道，通過(guò)這次設計，NASA工程師推進(jìn)了3D打印技術(shù)的極限。他們先把設計方案輸入3D打印計算機，然后由打印機一層層地打出每個(gè)部分，通過(guò)激光把金屬粉末融合在一起，這一過(guò)程叫做選擇性激光熔融。

　　3D打印也叫加法制造。設計者可以用40個(gè)噴頭打印一個(gè)整體部件，而不用分別制造。他們打印的部件在尺寸上類(lèi)似小火箭發(fā)動(dòng)機噴嘴，而設計上卻類(lèi)似推進(jìn)大型發(fā)動(dòng)機如RS-25發(fā)動(dòng)機的噴嘴。RS-25發(fā)動(dòng)機是用來(lái)推進(jìn)NASA空間發(fā)射系統(SLS)火箭的，是舉重型探測類(lèi)火箭，將把人類(lèi)帶到火星上。

　　“我們不只是想測試一個(gè)噴嘴，還想證明3D打印能給火箭設計帶來(lái)變革，提高系統性能?！瘪R歇爾工程指揮部主管克里斯·辛格說(shuō)，“在測試中，這些部件表現得出乎意料的好?！比绻脗鹘y制造方法，要造163個(gè)單獨零件然后再組裝起來(lái)，但3D打印只需兩個(gè)零件，不僅節約了時(shí)間金錢(qián)，而且造出的部件能提高火箭發(fā)動(dòng)機性能，減少失敗可能性。

　　兩個(gè)火箭噴嘴分別由兩家公司打印?！拔覀兊哪繕酥皇桥c多家公司合作，為這種新的制造工藝制定標準?！瘪R歇爾推進(jìn)工程師詹森·特賓說(shuō)，“我們與行業(yè)合作，學(xué)習怎樣在航空硬件制造的每個(gè)階段——從設計到空間操作，利用這種加法制造的優(yōu)勢。我們正在把學(xué)到關(guān)于火箭發(fā)動(dòng)機部件制造的一切，應用到空間發(fā)射系統及其他航空硬件上?！?/p>

　　由于加法制造設計獨特，不僅能幫設計師制造和測試火箭噴嘴，還能使測試更快更智能。馬歇爾中心擁有室內加法制造能力，“這讓我們能看到測試數據，根據數據來(lái)修正部件或測試標準，迅速改變生產(chǎn)再返回來(lái)測試?！必撠煴敬螠y試的推進(jìn)工程師尼古拉斯·凱斯說(shuō)，“這會(huì )加速整個(gè)設計、開(kāi)發(fā)與測試過(guò)程，讓我們能以更少的風(fēng)險和成本努力改革設計?！?/p>

　　本著(zhù)降低未來(lái)發(fā)動(dòng)機的制造復雜性、節約時(shí)間、減少制造組裝成本的目的，工程師們不斷測試越來(lái)越復雜的噴嘴、火箭噴管及其他零件。對于改進(jìn)火箭設計、完成深空任務(wù)來(lái)說(shuō)，加法制造是一種關(guān)鍵技術(shù)。

　　工程師用3D打印火箭噴嘴完成了點(diǎn)火燃燒測試。一些參數的特定設計，旨在提高火箭發(fā)動(dòng)機性能。噴嘴混合了液態(tài)氧和氣態(tài)氫，燃燒溫度超過(guò)6000華氏度(約3316攝氏度)，產(chǎn)生了超過(guò)2萬(wàn)磅的推擲力。