工业和学术合作如何推动增材制造

增材制造（AM），通常被称为3D打印，正在彻底改变包括航空航天、汽车和医疗保健在内的各个行业的产品设计和制造方式。

这项技术最显著的优点之一是它能够制造轻质材料。了解先进的增材制造如何有助于减轻重量，包括探索其设计能力、材料效率和创新工艺。

增材制造本质上是一种材料效率高的工艺。与传统的从固体块上切割材料的减法方法不同，它一层一层地构建组件，从而最大限度地减少浪费。

这种效率有助于轻量化设计，只使用结构所需的材料，创造出满足性能要求的轻量化部件，而不会产生多余的重量。

它还可以采用先进的材料，如高强度聚合物和金属合金，专为轻量化应用而设计。与传统材料相比，这些材料通常具有优越的性能。

增材制造可以将多个部件集成到单个组件中，从而减少了对紧固件和接头的需求。这种整合导致更少的接口，减少了设计中的重量和潜在故障点。更少的连接可以产生更健壮、更轻量的结构。增材制造可以生产复杂的组件，而传统上需要多个组件单独制造。这种复杂性可以导致更轻的整体设计。

有了增材制造，零件可以很容易地为特定的应用或负载定制。这种适应性使工程师能够根据特定的性能要求设计具有不同密度或材料成分的部件，从而能够创建保持必要强度的轻质结构。

快速生产和测试原型的能力允许迭代设计过程，从而导致更高效和轻量级的最终产品。

埃克塞特大学增材层制造中心（CALM）是该领域的一个前沿组织，这是一个领先的独立研究中心，专注于支持先进高性能聚合物的开发，推动创新，并围绕增材制造的材料和工艺创造新的知识。

自2010年代中期与Hosokawa Micron（总部位于利物浦城市地区的science - tech Daresbury）进行首次互动以来，合作关系已发展成为旨在开发用于增材制造的先进材料的开创性举措。

双方的合作始于CALM需要分包机械研磨服务，将高性能聚合物转化为适合3D打印的粉末，使用粉末融合工艺。

到2017年，埃克塞特大学（University of Exeter）开始研究新的多功能材料，并开始组建一个包括威格斯（Victrex）等主要行业参与者在内的联盟，威格斯是PEEK（聚醚醚酮）材料的领导者。

鉴于埃克塞特和威格斯之前都有与细川美光合作的经验，后者成为这个雄心勃勃的项目的明显选择。此次合作旨在开发新型纳米复合材料，以增强其轻量化、导电性和热性能等性能。

该提案于2017年底提交给Innovate UK，并于2018年6月启动，涉及一个令人印象深刻的合作伙伴联盟，包括Qioptic Limited（现为Excelitas Technologies）、Versarien Technologies Limited、Haydale Limited、Thales和Airbus。

该项目的核心是石墨烯与PEEK的整合，PEEK是一种高性能材料，以其卓越的机械和耐化学性而闻名，特别是在高温环境中。由于两种材料所提供的特性的结合，将石墨烯加入PEEK是一种有前途的新先进应用途径。这种纳米复合材料可以用作轻型加热装置、航空航天和土木工程中的除冰材料、卫星部件的导电塑料和海底管道。石墨烯还可用于改善PEEK材料的摩擦学性能，如磨损性能，并可促进骨骨整合和骨再生

该项目的一个关键挑战是有效地将纳米材料分散在PEEK中，并将其研磨成粉末形式，用于粉末床熔融工艺。传统的方法涉及熔融聚合物，由于PEEK的强度，这带来了困难，导致研磨设备损坏。

为了克服这个问题，研究小组求助于细川的机械融合系统。这项创新技术通过机械化学反应促进干燥颗粒到颗粒的融合，从而创造出适合3D打印的新型纳米复合材料。

这种紧凑而完全独特的设备专门用于促进干燥颗粒到颗粒的融合，增强颗粒性能，通过使颗粒呈球形或扁平来控制颗粒形状，精确分布和精细混合颗粒，并通过在两种或多种有机或无机物，金属，陶瓷或其他材料之间产生机械化学反应来创造无限数量的新功能材料。

使用Haydale HDPlas等离子体工艺（Haydale， UK）获得正确的PEEK等级和功能化。在美国，机械融合工艺能够开发出具有优化形状、尺寸和成分的材料，用于增材制造。为了制造等离子体功能化的纳米材料，将工艺气体引入旋转真空室。施加一个电势，气体就被分解成它的组成部分。从工艺气体中分离出来的离子轰击纳米材料，产生共价键合在纳米材料表面的化学基团。

由此产生的多功能材料提供了显著的好处，特别是在航空航天领域。它们轻巧而坚固的特性使其适用于从机舱部件到除冰材料的各种应用。此外，电导率的提高为卫星部件和国防应用开辟了道路。

粉末床融合技术的特点是其精确的层构建-大约0.1毫米厚-允许复杂的设计和精确的尺寸控制。该技术与新材料相结合，为高性能组件提供了独特的解决方案，消除了对支撑结构的需求，并实现了复杂的内部设计。

这种复杂的项目需要对材料和过程的相互作用有深刻的理解，以优化系统的各个方面。埃克塞特大学提供的学术严谨性确保了深入的研究，而细川美光等行业合作伙伴则为商业应用和扩展提供了实用的见解和指导。

这种合作体现了英国制造业和工程领域的核心创新。通过弥合学术界和工业界之间的差距，这种伙伴关系挑战了传统做法，促进了知识共享，并产生了令人兴奋的新想法。

埃克塞特大学和细川美光之间的合作证明了跨学科合作伙伴关系在推动增材制造技术方面的力量。随着他们不断探索和开发先进材料，他们的工作有望改变行业，为未来的创新铺平道路。

随着增材制造技术的不断进步，制造更轻材料的潜力将会增长。打印速度、材料配方和设计软件方面的创新将增强增材制造的能力，使其成为跨多个行业轻量化设计的基石。

总之，先进的增材制造通过优化设计自由度、材料效率、组件集成以及创新技术和材料的使用来创造轻质材料。这种变革性技术正在重塑制造业格局，并在比以往任何时候都更需要的时候，为更可持续、更高效的产品做出贡献。

kathryn Hipkins细川美光有限公司技术运营总监

Paul McCutchion，埃克塞特大学埃克塞特技术集团经理

刘亚安博士，英国埃克塞特大学博士后研究员