近年來，波音下屬的HRL實(shí)驗(yàn)室在利用3D打印技術(shù)制備新材料方面取得了顯著成績(jī)，開發(fā)出一種稱為“自動(dòng)傳布的光敏聚合物波導(dǎo)法”的成型技術(shù)。這種由HRL自主開發(fā)、能實(shí)現(xiàn)快速大批量生產(chǎn)原型零件的方法，是美國國防預(yù)研局（DARPA）授予的歷時(shí)10年的一項(xiàng)輕質(zhì)、高強(qiáng)材料開發(fā)合同中的一部分。依靠該技術(shù)，HRL實(shí)驗(yàn)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(diǎn)
       自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)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(shí)，設(shè)置光波導(dǎo)直至樹脂槽底部，使受照的軸內(nèi)光線得以校準(zhǔn)。在該方法中，由于紫外線照射會(huì)衰減，因而要依靠樹脂柱內(nèi)表面連續(xù)向下反射而形成光波導(dǎo)，使得紫外線通過波導(dǎo)效應(yīng)穿透液體樹脂。依靠該方法可創(chuàng)建出獨(dú)特的輕質(zhì)、高強(qiáng)桁架結(jié)構(gòu)。
       與傳統(tǒng)3D打印方法相比，自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)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(shù)，如普通SLA打印機(jī)打印25～50mm高的物體，整個(gè)過程需要耗時(shí)4～8h。
       自動(dòng)傳布的光敏聚合物波導(dǎo)法可用于設(shè)計(jì)制造尺寸不同的微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，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(diǎn)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(yán)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(huì)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的表面鍍上一層超薄的鎳，制成超輕鎳基微點(diǎn)陣材料。在制造這種超輕材料時(shí)，首先采用3D打印技術(shù)制備所需結(jié)構(gòu)的微點(diǎn)陣模板，再利用紫外線直接照射到光反應(yīng)單體樹脂上，通過成千上萬的小洞、一個(gè)掩膜和一層石英，從而形成光波導(dǎo)，即可制造出3D微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在造出微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以后，在微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行化學(xué)鍍或者電鍍敷設(shè)金屬薄膜，在經(jīng)燒蝕或化學(xué)刻蝕掉樹脂微結(jié)構(gòu)后，即得到超輕空心管狀微點(diǎn)陣金屬材料。當(dāng)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，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(dòng)機(jī)熱端部件、火箭噴口和頭錐等，但將其通過鑄造或機(jī)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(fù)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(shí)，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(jié)劑，還是利用激光熔融陶瓷粉末床，都會(huì)受到生產(chǎn)速度的限制，而且經(jīng)常難以避免耗時(shí)較長的黏結(jié)劑清除過程。因而，目前3D打印出來的陶瓷產(chǎn)品往往會(huì)出現(xiàn)裂縫或材料不均勻，可靠性及強(qiáng)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(duì)較低熔點(diǎn)的氧化物陶瓷，使零件的高溫性能受到限制。
       HRL實(shí)驗(yàn)室利用自動(dòng)傳布的光敏聚合物波導(dǎo)法和新型聚合物樹脂配方，已驗(yàn)證了快速制備高強(qiáng)、復(fù)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(shí)驗(yàn)室的高級(jí)化學(xué)工程師Zak Eckel和資深化學(xué)家Chaoyin Zhou發(fā)明，在制造陶瓷部件時(shí)，首先將該樹脂制成具有復(fù)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(qiáng)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(qū)體單體時(shí)，HRL實(shí)驗(yàn)室起初也是采用傳統(tǒng)的SLA工藝來制造復(fù)雜外形，但需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天時(shí)間。為此HRL實(shí)驗(yàn)室采用自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)室表示，陶瓷前驅(qū)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(dāng)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(shí)，易揮發(fā)的化學(xué)物如甲烷、氫、二氧化碳、水以及碳?xì)浠衔锏葥]發(fā)掉，即留下致密、收縮的陶瓷形狀。在HRL實(shí)驗(yàn)室登載于2016年1月1日《科學(xué)》雜志的 “聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷的增材制造” 實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，研究團(tuán)隊(duì)表示在燒結(jié)過程中碳氧化硅前驅(qū)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(yù)測(cè)的，并可以據(jù)此來測(cè)算成品的尺寸。
       目前，美國海軍實(shí)驗(yàn)室已用該陶瓷制備技術(shù)制造出微尺度桁架結(jié)構(gòu)，演示了多種多樣的微結(jié)構(gòu)、蜂窩、凹蜂窩等，并表現(xiàn)出良好的柔性。
       借助于新技術(shù)，HRL可制造出兩種實(shí)用的陶瓷產(chǎn)品：一種是體積大重量卻非常輕的微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，可以用于制造飛機(jī)與航天器的耐熱板和其他外部部件；另一種是小型且復(fù)雜的部件，可用于制造機(jī)電系統(tǒng)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭部件等。
       新材料和新工藝的應(yīng)用前景
       HRL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的超輕材料減重可達(dá)40%，有望用于新一代航天器。一旦HRL完成進(jìn)一步的測(cè)試，那些正在通過MCMA項(xiàng)目來尋求小型耐高溫部件的火箭和衛(wèi)星設(shè)計(jì)者就很可能開始嘗試使用該項(xiàng)技術(shù)。
       微點(diǎn)陣材料的成果雖然最近才見諸報(bào)道，實(shí)際其相關(guān)原理的研究在十幾年前就已開展。金屬微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)被認(rèn)為有可能在未來成為復(fù)合材料的強(qiáng)勁對(duì)手，當(dāng)然復(fù)合材料也可以被做成微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，因此工業(yè)界認(rèn)為復(fù)合材料在面臨強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)也存在機(jī)遇。
       有機(jī)硅先驅(qū)體聚合物熱解轉(zhuǎn)化法制備陶瓷材料的研究，是當(dāng)前高性能陶瓷材料研究的熱點(diǎn)和新的生長點(diǎn)。利用新型3D打印技術(shù)，陶瓷材料也可利用微點(diǎn)陣技術(shù)而成型出新的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為高溫陶瓷材料的應(yīng)用開辟新的道路。