具有军工应用潜力的几种3D打印技术一览

banwei   2023-11-12 14:28:11

3D打印的航空航天和军事用途长期以来一直是该行业的主要驱动力之一,当前,增材制造技术在军工相关各个领域得到了更广泛的部署,这在很大程度上是因为当下地区冲突使制造业成为关乎国家安全的问题,3D打印在确保军事所需关键零部件和保障供应链方面的潜力有目共睹。因此,3D打印正被用作军事装备的供应链保障技术。与此同时,增材制造所带来的尖端能力正被用来以多种方式推动军事制造,包括在前线部署临时生产的能力。

1. 电弧增材制造技术

电弧增材制造技术采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件,因以电弧为载能束,热输入高,成形速度快,适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对特殊金属结构制造成本及可靠性要求,其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展,因而该技术在大尺寸结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。与以激光为热源的增材制造技术相比,电弧对金属材质不敏感,可成形材料丰富,如对激光反射率高的铝合金、铜合金等。

2. 升级版金属沉积技术金属沉积技术,这是一种LMD金属沉积技术的升级版本,能够自动同时使用金属丝、金属粉末或同时使用这两种金属而无需更换喷嘴,该技术可成型常用的材料,如钛、钢、铜、铝、铬镍铁合金等。

用金属丝、粉末或通过将两种材料组合在同一零件中而无需更换喷嘴来制造零件,硬件的购置成本比当前市场价格低约50%至75%,并可以使用市场上任何可购买到的金属丝和粉末材料,成本降低多达10倍。从实验室研究到零件更换,可以打印从小零件到几米的大型零件,这使得该技术适应于军工、航空航天,汽车和大规模制造等各个行业。

3. 液态金属3D打印技术2022年7月,施乐液态金属3D打印机被安装在美军黄蜂级两栖攻击舰第2号舰上——这是美国海军舰艇上部署的第一台金属增材制造装备。施乐液态金属3D打印解决方案通过将铝合金焊丝熔化,借助磁场精确的将液滴沉积在构建平台上并凝固,实现零件的叠层制造。其推出的3D打印机构建尺寸为300x300x300mm,最小层厚为0.24mm,铝合金零件的致密度超过99%。这是一种基于熔融金属磁流体动力喷射的打印方法,通过利用磁场感应的压力梯度喷射液态金属液滴。3

液态金属打印中的温度梯度和冷却速率并不像基于激光和电子束的3D打印工艺中那样极端。除此之外,液态金属增材制造技术使用标准铝合金焊丝,与其他金属3D打印技术不同相比不需要金属粉末,也不需要特殊的设施改造或个人防护设备来操作机器。该工艺需要的后处理也较少,因此提供了更快的部件制造效率时间。这种按需生产可靠替换零件的能力减少了部署部队对复杂的全球供应链的依赖。

4. 桌面型碳纤维3D打印技术

碳纤维复合材料因具有优异的质量强度比而备受关注,采用3D打印技术将纤维增强材料通过连续或短切的形式与传统高分子塑料复合,可显著提高零件的强度、耐热性及抗冲击性。在航空航天、汽车和制造行业,3D打印的碳纤维部件正在迅速取代模压碳纤维和金属部件高性能原型和最终用途零件。

5. 大尺寸连续纤维复合材料3D打印技术

2021年,美国空军研究实验室(AFRL)与领先的3D打印供应商Continuous Composites公司合作,共同研究连续复合材料3D打印能否成功用于无人机机翼直接制造。Continuous Composites公司能够将连续纤维增强材料与热固性树脂技术相结合,安装在机械臂末端的执行器用于将纤维材料与快速固化的聚合物树脂一同沉积。加入了纤维的树脂在紫外线下几乎立即固化,产生具有可定制强度特性的各向异性部件。该技术可处理多种纤维类型,包括碳纤维、玻璃纤维、光学纤维和金属纤维。

3D打印可以非常精确地定位和定向连续纤维。因此,可以将纤维放置在产品内部的选定方向和位置,使其沿着指定载荷路径提供所需强度和刚度,形成内部结构的组成部分。这意味着纤维被安置在需要其发挥作用的任何位置,多条纤维甚至可以在整个零部件中形成一系列传感器。与此同时,由于3D打印不再需要工具或模具,因此它提供了一步制造方法来生产任何形状的连续纤维增强复合材料,从而取代了更复杂、耗时且昂贵的传统多步制造技术。

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