近年來，波音下屬的HRL實驗室在利用3D打印技術制備新材料方面取得了顯著成績，開發(fā)出一種稱為“自動傳布的光敏聚合物波導法”的成型技術。這種由HRL自主開發(fā)、能實現(xiàn)快速大批量生產(chǎn)原型零件的方法，是美國國防預研局（DARPA）授予的歷時10年的一項輕質、高強材料開發(fā)合同中的一部分。依靠該技術，HRL實驗室已于近期制備出超輕金屬材料和陶瓷材料。

　　基本原理及優(yōu)點

　　自動傳布光敏聚合物波導法與立體平版印刷（SLA）/數(shù)字光處理（DLP）有相似之處，但又不完全相同，其訣竅是讓紫外線穿透平板印刷掩膜上的小孔，照射到樹脂上使其固化。與此同時，設置光波導直至樹脂槽底部，使受照的軸內光線得以校準。在該方法中，由于紫外線照射會衰減，因而要依靠樹脂柱內表面連續(xù)向下反射而形成光波導，使得紫外線通過波導效應穿透液體樹脂。依靠該方法可創(chuàng)建出獨特的輕質、高強桁架結構。

　　與傳統(tǒng)3D打印方法相比，自動傳布光敏聚合物波導法從紫外線照射到形成固體材料僅需30s；而使用傳統(tǒng)的3D打印技術，如普通SLA打印機打印25～50mm高的物體，整個過程需要耗時4～8h。

　　自動傳布的光敏聚合物波導法可用于設計制造尺寸不同的微點陣結構，并可獲得不同的材料特性，如柔性、彈性、剛性以及韌性等。

　　用不同后處理方法得到不同的材料

　　盡管該方法可生產(chǎn)各種不同種類的微點陣材料，但其中也存有一些棘手的問題。首先是材料的Z軸性能嚴重受限，由于紫外線可穿透樹脂厚度的限制，材料的最大Z軸高度僅為約25mm；其次是樹脂材料在紫外線的照射下性能會產(chǎn)生退化。

　　制備超輕金屬和耐高溫陶瓷材料

　　采用不同的后處理方法，如涂層或鑄造，可以得到不同的最終材料。例如，鎳氣凝膠材料就是以電鍍的方式在樹脂微點陣結構的表面鍍上一層超薄的鎳，制成超輕鎳基微點陣材料。在制造這種超輕材料時，首先采用3D打印技術制備所需結構的微點陣模板，再利用紫外線直接照射到光反應單體樹脂上，通過成千上萬的小洞、一個掩膜和一層石英，從而形成光波導，即可制造出3D微點陣結構。在造出微點陣結構以后，在微結構表面進行化學鍍或者電鍍敷設金屬薄膜，在經(jīng)燒蝕或化學刻蝕掉樹脂微結構后，即得到超輕空心管狀微點陣金屬材料。當然，如果不用金屬來制造鍍層，用其他材料也可以制成各種不同的微點陣結構，并且將具有不同的屬性。

　　陶瓷材料用于高溫或極端環(huán)境下的發(fā)動機熱端部件、火箭噴口和頭錐等，但將其通過鑄造或機械加工制成所需形狀非常困難。近年，3D打印工藝的出現(xiàn)使得復雜幾何形狀陶瓷件的加工生產(chǎn)成為可能。

　　但是，采用傳統(tǒng)3D打印工藝打印陶瓷時，無論是沉積含有陶瓷微粒的光敏樹脂、在陶瓷微粒上噴射黏結劑，還是利用激光熔融陶瓷粉末床，都會受到生產(chǎn)速度的限制，而且經(jīng)常難以避免耗時較長的黏結劑清除過程。因而，目前3D打印出來的陶瓷產(chǎn)品往往會出現(xiàn)裂縫或材料不均勻，可靠性及強度均較低。另外，目前的大部分3D打印陶瓷可使用的材料也只有相對較低熔點的氧化物陶瓷，使零件的高溫性能受到限制。

　　HRL實驗室利用自動傳布的光敏聚合物波導法和新型聚合物樹脂配方，已驗證了快速制備高強、復雜幾何形狀陶瓷零件的能力。這種新型的聚合物樹脂由HRL實驗室的高級化學工程師Zak Eckel和資深化學家Chaoyin Zhou發(fā)明，在制造陶瓷部件時，首先將該樹脂制成具有復雜外形的零件，然后置于爐中燒制，待樹脂熱解后，材料即均勻收縮成高密度陶瓷零件。采用這種聚合物樹脂可以制造碳氧化硅陶瓷部件，具備高硬度、強度、耐高溫、耐磨以及耐腐蝕等性能。

　　在利用這種聚合物樹脂制造陶瓷前驅體單體時，HRL實驗室起初也是采用傳統(tǒng)的SLA工藝來制造復雜外形，但需要數(shù)小時甚至數(shù)天時間。為此HRL實驗室采用自動傳布光敏聚合物波導法來快速、大批量生產(chǎn)樹脂原型零件，不僅生產(chǎn)速度快，而且可以制造出微點陣結構的超輕陶瓷材料。這種方法可以制造耐溫超過1700℃的碳氧化硅陶瓷零件，其強度類似于蜂窩陶瓷材料的10倍左右，而且也可以制造其他陶瓷材料零件。

　　HRL實驗室表示，陶瓷前驅體聚合物以及聚合物衍生陶瓷研究并非剛剛興起。此類材料早在1960年代就已開發(fā)出來，當將其加熱到1000℃并處于氬氣等惰性氣體下，聚合物發(fā)生熱解，可形成許多種類陶瓷化合物，包括碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化鋁，以及各種碳氮化物等。與此同時，易揮發(fā)的化學物如甲烷、氫、二氧化碳、水以及碳氫化合物等揮發(fā)掉，即留下致密、收縮的陶瓷形狀。在HRL實驗室登載于2016年1月1日《科學》雜志的 “聚合物轉化陶瓷的增材制造” 實驗報告中，研究團隊表示在燒結過程中碳氧化硅前驅體聚合物產(chǎn)生了42%的重量損失及30%線性收縮，但其收縮“非常均勻”，因此是可以預測的，并可以據(jù)此來測算成品的尺寸。

　　目前，美國海軍實驗室已用該陶瓷制備技術制造出微尺度桁架結構，演示了多種多樣的微結構、蜂窩、凹蜂窩等，并表現(xiàn)出良好的柔性。

　　借助于新技術，HRL可制造出兩種實用的陶瓷產(chǎn)品：一種是體積大重量卻非常輕的微點陣結構，可以用于制造飛機與航天器的耐熱板和其他外部部件；另一種是小型且復雜的部件，可用于制造機電系統(tǒng)、噴氣發(fā)動機或火箭部件等。

　　新材料和新工藝的應用前景

　　HRL實驗室開發(fā)的超輕材料減重可達40%，有望用于新一代航天器。一旦HRL完成進一步的測試，那些正在通過MCMA項目來尋求小型耐高溫部件的火箭和衛(wèi)星設計者就很可能開始嘗試使用該項技術。

　　微點陣材料的成果雖然最近才見諸報道，實際其相關原理的研究在十幾年前就已開展。金屬微點陣結構被認為有可能在未來成為復合材料的強勁對手，當然復合材料也可以被做成微點陣結構，因此工業(yè)界認為復合材料在面臨強力競爭的同時也存在機遇。

　　有機硅先驅體聚合物熱解轉化法制備陶瓷材料的研究，是當前高性能陶瓷材料研究的熱點和新的生長點。利用新型3D打印技術，陶瓷材料也可利用微點陣技術而成型出新的復雜結構，進而為高溫陶瓷材料的應用開辟新的道路。