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当4D打印遇到发动机 未来可期

核心提示: 4D打印的概念是2013年美国TED大会上,麻省理工学院计算机系科学家Skylar Tibbits提出的,是在3D打印基础上发展起来的增材制造技术。

4D打印的光致驱动智能结构

4D打印的水凝胶花

飞行器鱼鳞片柔性蒙皮结构

其实,4D打印也不算是啥稀罕物,直白些,就是在3D打印基础上发展起来的增材制造技术。通常的3D打印技术偏重于强调打印结构材料,而4D打印技术,则是希望打印出具有功能性或可以变化的构件。4D打印的概念是2013年美国TED大会上,麻省理工学院计算机系科学家Skylar Tibbits提出的,是在3D打印基础上发展起来的增材制造技术。

目前关于4D打印的概念有三种定义。第一种认为4D打印是基于智能材料的增材制造技术,也就是说是用增材制造技术打印智能材料,即“4D打印=增材制造+智能材料”。其核心在于制造工艺是传统的增材制造技术,原材料为形状记忆合金等智能材料。所用到的材料主要包括形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷等。第二种认为4D打印应当更为宽泛,即只要在3D打印技术基础上引入其他要素(3D+)就可定义为4D打印,可以是“3D打印+特殊材料”,也可以是“3D打印+其他工艺”,还可以是“3D打印+特殊性能”。持这类观点的学者们认为,引入新的要素是4D打印的核心所在。第三种认为4D打印是所打印构件具有时间、空间、性能或功能变化的增材制造技术,即利用增材制造实现的产品在时间或空间纬度下具有形状、性能或功能的改变能力,这一类的制造技术可称为4D打印技术。虽然目前尚没有4D打印的规范定义,但其能与传统材料结合使用及对现有材料进行改性的特征是很明显的,这也是4D打印技术的关键与基础。

4D打印技术可以打印什么材料呢?4D打印技术可以打印各种形状记忆材料,既可以打印铜、钛、铁系形状记忆合金,又可以打印热致、电致、光致形状记忆聚合物,还可以打印黏弹性、马氏体相、铁电性以及铁磁性形状记忆陶瓷。形状记忆简单理解,就像是橡皮筋一拉就伸长一松就缩回。只是这里的形状记忆材料可以是温度、电或者光等不同介质驱动它发生变形。同时它也可以打印高弹性橡胶或者超弹性合金或者超材料等等能想象得到的各种好玩的材料。

航空领域科学家分析,在未来4D打印技术在航空领域或将大有可为。一是它可以用于智能变体飞行器。智能变形飞行器是一种从科幻走向现实的飞行器,就是采用智能材料、智能传感器和智能作动器实现飞行器尺度和形状实质性的改变,可以对流动、噪声以及气动弹性性能实行智能控制,并适应多种任务模式以大幅度提升飞行器性能。目前制约变体飞机结构工程化应用有自适应柔性蒙皮、连续可变主动变形骨架结构、蒙皮与骨架协调匹配与驱动控制三方面的关键技术。就一个自适应柔性蒙皮的构型就复杂到使用传统制造技术基本上无法实现制造,4D打印或将解决这方面的难题,同时采用4D打印技术可以拓宽结构设计领域,有可能出现许多更加高效率的新概念结构。

二是它可以用作新型热防护结构。高超声速飞行器具有作战响应快、战场生存力强、察打效能高、慑战一体等能力,是快速侦察和精确打击的重要武器装备,引发全球研究热。高超声速飞行器正朝着水平起降、重复使用和快速响应特征方向发展。这三种服役工况对热防护结构提出严峻挑战。而利用4D打印技术从全新的技术视角研制精巧的热防护结构,实现结构随服役环境需求的自适应变化,可以有效解决现有热防护结构在环境适应性、防热效率、寿命特性等方面的矛盾,根据服役的实时需求改变热防护结构的内部特征,通过时间维度化解热防护结构多约束应用的难题,可能给热防护技术领域带来颠覆性应用效果。

三是新一代隐身技术。隐身技术是新型战机的核心技术之一。目前主要的隐身方式包括外形隐身、材料隐身、等离子体隐身等。未来智能隐身技术或将大展宏图。智能隐身具有感知和信息处理能力,可通过自我指令对环境做出最佳响应,以达到降低信号特性,与背景匹配、融合的目的。它模仿“变色龙”具有自动适应环境变化的特点。可以有效弥补上述隐身技术的不足,能显著降低军事目标被探测、发现、识别及攻击的概率,提高装备的战场生存能力和作战效能,军事意义重大。4D打印独特的时间相关性与智能隐身技术结合,可使隐身结构根据外界环境变化调节自身的结构和性能,并对环境作出最佳响应,为智能隐身结构物理实现提供了一种全新的思路,它将有力地推进智能隐身技术的工程化应用。

说了这么多,4D打印技术与发动机有什么关系呢?有资料介绍自适应循环发动机(ACE)将是满足第六代战机的航空发动机,其中智能化、智能结构、主动控制技术是其三项关键技术,这三项关键技术的突破对于攻克先进航空发动机技术瓶颈,提高航空发动机经济可承受性水平有异乎寻常的意义。GE航空的自适应循环发动机(ACE)的设计,可增加20%的战斗飞机推力,提高燃料消耗率25%,并提供更多的飞机散热能力。GE已与美国国防部联手,采用节约成本的设计,自2007年开始制造和试验这一革命性的理念,并计划通过自适应发动机过渡计划(AETP)继续提高ACE设计。于2016年6月30日,美国国防部与GE和普惠同时签订了AETP合同。美国空军已经明确表示,自适应发动机是第六代战机唯一动力,智能材料等自适应结构和形状记忆合金调节器将会应用到其中的主动控制技术。利用形状记忆合金的特性发展一种新型压气机叶尖间隙智能密封技术,可以根据发动机工作状态自适应地控制压气机叶尖间隙;同时也可以利用形状记忆合金控制燃气涡轮发动机压气机叶尖间隙。在智能推进控制(IPC)计划中,NASA正在发展和验证一种用于高压涡轮的可变间隙传感器;除此之外,NASA格林研究中心对高温记忆合金(HTSMA)展开了研发,该合金能承受500℃的高温,并在加热时可自动恢复原始形状,可用于主动间隙控制系统中的位移执行机构。4D打印技术则可以实现打印形状记忆合金和智能材料,可以推断或将是未来航空发动机研发中的重要技术之一。

当4D打印技术与航空发动机相遇,未来将值得期待。

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责任编辑:实习编辑 张攀