機械強度視角下的三維打印技術

現有的三維打印技術多數側重于幾何形貌而忽視了機械強度。

1885年，英國人埃德溫?艾勃特（Edwin Abbott）寫了一本數學科幻小說《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、也無法進入多邊形內部。生活在三維國度的居民經常嘲笑二維國度的居民，因為對他們而言，多邊形內部是一目了然的。這本書闡述了不同空間維度之間的關系，即可以從高維度空間進入低維度空間物體的內部，但無法進入處于同一維度的物體內部。三維打印技術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為可以制造的二維物體。

三維打印的基本工藝是通過計算機切片算法，將三維物體的數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，將液態或固態（粉狀或絲狀）材料逐層固化、層層堆疊形成完整的三維物體。鑒于三維打印技術具有直接制造、節省材料和可個性化定制等顛覆性特征，德國“工業4.0”、美國“工業互聯網規劃”和“中國制造2025”都將其列為智能制造中的關鍵技術加以重點發展。

三維打印技術的起源和發展

三維打印技術源于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創始人，與愛因斯坦、愛迪生、喬布斯等一起名列發明家名人堂。經過30多年的發展，三維打印技術已形成包括粉床選區燒結、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的眾多種類，并廣泛用于機械、電子、醫療、建筑和藝術等領域。

近年來，三維打印的新技術和新應用不斷涌現。2015年4月，上海極臻三維設計公司三維打印的“盛唐”雕塑燈獲米蘭設計周衛星沙龍一等獎。2015年7月,美國Local Motors汽車公司利用碳纖維復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跑者Stratasys公司發布可打印36萬種顏色和不同軟硬度樹脂的工業級多材料三維打印機。此外，三維打印技術連續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巨大的發展潛力和應用前景。回顧三維打印技術的發展歷程，可以發現打印精度和速度、應用領域和打印方式都有長足的發展。但是，多數現有的三維打印技術側重于幾何形貌而忽視了機械強度，其結果是打印產品的機械性能不能滿足工業要求。利用三維打印技術直接制造產品還有很長的路要走，我們只是站在三維打印技術的起跑線上。

三維打印技術當前遇到材料機械強度的問題并不奇怪。第二次世界大戰結束后，各國百廢待興，設計建造了大量的橋梁，但很多橋梁通車后不久就發生了坍塌。這引起了力學家和材料學家的關注，研究發現微裂紋等缺陷引發的疲勞斷裂是導致橋梁事故的原因，這直接促進了斷裂力學的誕生和發展。歷史再一次重演，同樣是由于缺陷，力學家和材料學家這次面對的是革命性的三維打印技術。解決了強度問題，三維打印技術將能夠直接打印終端工業產品，在智能制造中獨自承擔關鍵的一環。

機械強度制約其應用

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

1989年，美國得克薩斯大學的卡爾?德卡德（Carl Deckard）博士發明了金屬激光選區燒結技術（SLS），打印的金屬零件機械性能有了顯著提高，其彈性模量達到105兆帕，屈服強度達到102兆帕，比塑料的性能分別提高了4個和1個數量級。金屬激光選區燒結技術被有一定強度要求的骨科植入物臨床醫療所接納。2011年6月，荷蘭進行了首例三維打印鈦合金人工下頜骨移植手術。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。2015年8月，愛康醫療公司的金屬三維打印人工髖關節成為中國首個獲得國家食品藥品監督管理總局（CFDA）上市許可的骨科內植入物。2016年6月，全球醫療設備公司（K2M）的三維打印鈦金屬脊柱植入物獲得美國食品藥品監督管理局（FDA）上市許可證。

三維打印技術應用的真正挑戰來自航空航天飛行器的承力結構部件。2012年，北京航空航天大學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，打印的飛機鈦合金大型主承力結構部件的力學性能優于鍛件，在我國多型飛機生產中得到實際應用。2015年，澳大利亞莫納什大學打印了用于概念驗證的金屬噴氣式發動機，并與法國宇航企業賽峰集團正式進行商業化生產。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在2020年交付超過1萬臺商業航空發動機。這些突破性進展表明，金屬三維打印產品已基本能夠滿足嚴苛的航空航天業的機械性能要求，并初步具備了直接打印終端產品的能力。

三維打印零件的機械性能

影響三維打印零件強度的因素

金屬和工程塑料是生產生活中應用較為廣泛的材料，這兩類材料三維打印器件的機械強度是研究的重點。

金屬激光選區燒結的基本工藝是在惰性氣體保護和低于粉末熔點的環境溫度下，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粉末逐點熔化燒結，并與下方已成型部分黏結，粉床下降再鋪粉燒結，如此循環直至形成三維部件。影響金屬激光選區燒結打印部件機械性能的因素眾多，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、溫度應力導致的裂紋、層間脫黏或翹曲變形。激光產生的局部高溫使金屬瞬間熔解氣化并產生極強的高壓，影響金相組織結構并引發孔隙和裂紋等缺陷。這些因素都將降低打印部件的拉伸強度、疲勞性能和斷裂韌性等機械性能。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構特征、孔隙、裂紋和殘余應力。激光燒結過程對打印材料的影響亟待科學的解釋，需要采用蒙特卡洛、相場動力學、有限元等模擬方法并結合大量實驗，系統研究高溫微熔池傳熱傳質過程、金相組織演化以及溫度應力場導致的翹曲開裂等過程。激光逐點燒結實際上提供了一種逐點控制、設計金屬材料微結構的方法，從而有可能獲得超越傳統冶金工藝的優異機械性能。

1988年，美國人斯科特?克倫普（Scott Crump）發明了FDM，其原理是將熱塑性線材加熱熔化后由小孔擠出，按預定規劃路徑填充截面輪廓，然后層層疊加直至形成三維結構。FDM技術的強度缺陷分為切片平面內（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面內的拉伸強度。由于孔隙的存在，層間黏結強度較弱，所以Z軸強度通常只有材料強度的1/3。FDM打印部件的強度遠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軸靜態拉伸強度，但無法提高疲勞斷裂性能。筆者的研究組通過改進硬件設計和打印算法，消除了孔隙缺陷，使得打印部件的強度接近材料強度。FDM打印機構架簡單、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理可以降低缺陷的影響，提高打印結構的強度。除此之外，仿生學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、骨骼和牙釉質等，其基本成分是礦物質和蛋白質類有機物。這些生物材料通過生物礦化過程可以形成多級結構，例如貝殼具有類似磚墻的結構。這種內部結構導致了生物材料的斷裂韌性通常比其礦物質組分的斷裂韌性高幾個數量級。因此，通過仿生結構設計，我們可以利用性能較差的材料，獲得優異的機械性能。

美國麻省理工學院的材料學教授馬庫斯?比勒（Markus Buehler）利用光固化三維打印技術設計打印了仿生結構，結果發現打印部件的強度和延展性得到了明顯改善。這種仿生學設計方法可以應用于采用金屬、塑料等材料的多種三維打印技術，以改善打印部件的機械性能。