邢悅

“寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟?！碧斓?、滄海，都包含著不同的維度空間：零維空間就是一個點(diǎn);若兩點(diǎn)連成了線，便有了一維空間;兩條線構(gòu)成的面則被定義為二維空間;如果把面層層堆疊起來，有了高度上的延伸，便形成了體，這就是我們最熟悉的三維空間。天地滄海的維度之中，各項(xiàng)材料的發(fā)明影響著整個人類文明的進(jìn)步，從原始社會的石器時代到鐵器時代、蒸汽時代，再到出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的硅時代，如今我們已步入納米材料的新時代。

納米材料中最有代表性的非石墨烯莫屬。它是由碳原子組成的六角型、呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，微觀結(jié)構(gòu)中每個網(wǎng)格的交點(diǎn)便是一個碳原子。它是世界上已知最薄的材料，厚度僅有頭發(fā)絲的二十萬分之一，卻擁有最高的強(qiáng)度，領(lǐng)跑那些我們熟知的高強(qiáng)度材料。石墨烯具有最致密卻又最簡單的平面結(jié)構(gòu)，被人們稱為二維空間的鉆石。

把面層層堆疊起來就構(gòu)成了體，這便是3D打印技術(shù)的工藝原理。3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過逐層沉積的方式來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)。當(dāng)傳統(tǒng)制造工藝暴露出諸多弊端時，3D打印技術(shù)脫穎而出。它可以實(shí)現(xiàn)小批量、高復(fù)雜度的工業(yè)制造，不僅能縮短周期，降低成本，還能實(shí)現(xiàn)個性化定制，快速響應(yīng)市場。雖然很多人說3D打印可打萬物，但這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)沒有發(fā)展到如此成熟的程度，仍然有很多技術(shù)壁壘需要突破。限制3D打印技術(shù)發(fā)展主要有三大因素：首先是材料的局限性，目前市場上仍然以消費(fèi)級低端材料為主，無法滿足高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用要求;其次是設(shè)備精度的局限性，分層制造的方式存在著“臺階效應(yīng)”，而它直接影響了制件的表面精度和層間強(qiáng)度;這也導(dǎo)致了另一個問題，即3D打印工藝特性所引起的力學(xué)性能折損。這些問題，都是阻礙3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的屏障。

科技創(chuàng)新是由一次次發(fā)現(xiàn)和解決問題推動的。為了突破3D打印技術(shù)壁壘，我們首次將先進(jìn)的二維材料石墨烯引入到三維智能制造技術(shù)中。通過科研攻關(guān)，我們先后實(shí)現(xiàn)了多種關(guān)鍵技術(shù)突破，包括石墨烯改性技術(shù)，石墨烯與樹脂均勻分散復(fù)合技術(shù)，母粒、線材的生產(chǎn)工藝技術(shù)和3D打印工藝技術(shù)。我們積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、專業(yè)的打印制件。

另一大創(chuàng)新點(diǎn)是我們自主研發(fā)的新型石墨烯特種樹脂基復(fù)合材料，首次打破了3D打印制件性能衰減的魔咒，填補(bǔ)了國內(nèi)外在此領(lǐng)域的技術(shù)空白。

拋開量變談質(zhì)變是不負(fù)責(zé)任的，我們來看組數(shù)據(jù)，從已報(bào)道的研究數(shù)據(jù)來看，與未加石墨烯的同種材料3D打印制件相比，我們的3D打印制件的工藝十分優(yōu)良，同比性能最佳。石墨烯助力了特種樹脂進(jìn)一步拓展其性能邊界，不僅將折損的力學(xué)性能彌補(bǔ)了回來，還令其機(jī)械性能、熱力學(xué)性能、抗磨損性能都有了大幅的提升。不僅如此，我們材料的環(huán)境耐受度也非常高，防火阻燃達(dá)到了最高的航空級別，且兼具優(yōu)異的耐腐蝕、耐輻射、抗老化性能。大家可能想問，這些功能又有何用呢？要知道，大部分國防武器裝備的服役環(huán)境都十分惡劣，可謂“上九天、下五洋、高原馳騁、烈日為伴”，用我們材料制備的3D打印零部件已在某些國防裝備上開始試用。

放眼全球，別人都在做什么？2017年，歐洲空中客車公司推出的A350客機(jī)已經(jīng)使用了上千件3D打印的高分子零部件;2019年，牛津性能材料公司已簽署協(xié)議為波音公司定向提供3D打印復(fù)合材料管道、風(fēng)扇出口導(dǎo)向葉片和推力轉(zhuǎn)向葉柵等零部件。你是否認(rèn)為這些零部件的應(yīng)用要求會很低？其實(shí)不然！以紅框里的發(fā)動機(jī)出口導(dǎo)向葉片為例，當(dāng)飛機(jī)降落、發(fā)動機(jī)反推來實(shí)現(xiàn)減速時，這里可是要承受高達(dá)9.8萬牛頓的力。那么，為何兩大航空巨頭爭相在新機(jī)型上采用3D打印樹脂零部件呢？答案的核心是“成本”。以我們自己的試驗(yàn)件統(tǒng)計(jì)來看，3D打印樹脂零部件的裝配，可節(jié)省70%左右的制造成本和周期，單件3D打印部件較傳統(tǒng)部件可減重30%?35%，整體核算下來，每架飛機(jī)可節(jié)省上千萬的制造及運(yùn)營成本。

2020年5月5日，我國成功完成了首次“太空3D打印”，這對于未來中國空間站的建設(shè)、長期在軌運(yùn)行及發(fā)展超大型結(jié)構(gòu)在軌制造，都具有重要意義！未來宇航員可以在失重環(huán)境下自制各類工具、零部件，這將大幅提高空間站實(shí)驗(yàn)的靈活性和維修的及時性，降低空間站對地面補(bǔ)給的依賴性。說到地面補(bǔ)給，2018年，美國SpaceX的無人補(bǔ)給任務(wù)耗費(fèi)約9億元，卻僅僅搭載了2噸物資，而這樣的補(bǔ)給任務(wù)平均3?6個月就要進(jìn)行一次，造成不菲耗費(fèi)。2019年，SpaceX完成了第18次補(bǔ)給任務(wù)，與以往不同的是這次它為空間站送去了一臺3D打印 機(jī)。

3D打印技術(shù)與我們的生活也是息息相關(guān)的。3D打印的手術(shù)輔助導(dǎo)板、模型有助于醫(yī)生在術(shù)前規(guī)劃手術(shù)方案，以提高手術(shù)成功率。3D打印技術(shù)還可以精準(zhǔn)制造術(shù)后、骨科等各類康復(fù)醫(yī)療器械。3D打印技術(shù)在我國和很多西方發(fā)達(dá)國家的醫(yī)療應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，然而在我看來，它在一些落后國家和地區(qū)的應(yīng)用顯得更加耀眼。保加利亞的一位病人接受了聚合物3D打印肋骨植入體，醫(yī)生用3D打印完美地再現(xiàn)了原始肋骨的大小和形狀。中東地區(qū)，因炸彈爆炸而失去四肢的戰(zhàn)爭受害者數(shù)量驚人，當(dāng)?shù)蒯t(yī)院正在用3D打印假肢為他們提供幫助，這也為他們點(diǎn)燃了生活的希望。3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)低成本、短時效的精準(zhǔn)還原！它正在無形中悄然改變著世界，慢慢推動著人類的發(fā)展。

人類探索未來的腳步從未停止過，我們一次次地仰望星空，又一步步地探索科學(xué)的真諦，創(chuàng)造出璀璨的文明。幾百年來，“落后就要挨打”的警示深深地刺痛著每一個中華兒女的心，圓明園，就在那里??！今時已不同往日，作為軍工青年我們會肩負(fù)起時代的使命，為再造大國利器而擔(dān)當(dāng)奉獻(xiàn)。