综述：用于航空航天领域的聚合物和复合材料的增材制造

《Materials Horizons》：Additive manufacturing of polymers and composites for applications in aerospace and aeronautics

本文综述了增材制造（AM）在航空航天领域的应用，重点分析了熔融沉积成型（FFF）、直接墨水书写（DIW）、立体光刻（SLA）、材料喷射（MJ）和选择性激光烧结（SLS）等主流技术。研究涵盖材料科学（聚合物、复合材料、纳米复合材料）、工艺参数优化及智能材料（自修复、电热、压电性能）。通过NASA和波音等实际案例，探讨了AM在定制几何结构、轻量化设计、太空在轨制造及维护维修中的应用潜力。指出当前挑战包括材料耐高温性、层间结合强度及复杂结构打印精度，未来需结合AI优化工艺和开发多功能材料。

　　
### 中文解读：增材制造在航空航天领域的应用与挑战

#### 1. 引言
增材制造（3D打印）通过分层堆积材料的方式，正在彻底改变航空航天制造流程。相比传统减材制造（如铸造、锻造），3D打印能够减少零件组装成本和人工干预，同时实现复杂几何结构的一体成型。在航空领域，3D打印可降低零部件重量并缩短生产周期；在航天领域，其“即需即造”特性可减少太空任务物资运输的负担。NASA与波音等企业已将3D打印技术应用于卫星部件、飞机结构件等关键领域。

#### 2. 设计策略与材料科学
**设计策略**：航空航天领域采用拓扑优化、参数优化（支撑结构、层厚）和可持续性设计。例如，波音通过拓扑优化将机翼支架重量减少35%，同时利用连续纤维增强结构提升力学性能。**材料科学**方面，聚乙烯、聚碳酸酯等工程塑料因耐高温、高强度被广泛采用。智能材料如自修复聚合物、 piezoelectric材料（压电材料）和 electro-thermal加热材料逐渐进入应用，例如自愈机翼和传感器。

**挑战**：
- **材料限制**：传统3D打印多用于非承重结构件（如内饰件），而高负载部件仍需依赖金属或碳纤维复合材料。
- **工艺控制**：层间粘接强度、热变形和收缩率需精准调控，尤其在大型部件制造中更为复杂。
- **标准化难题**：不同打印技术（如FFF、SLS）的材料兼容性差，缺乏统一认证标准。

#### 3. 主要增材制造技术及其应用
**3.1 熔融沉积成型（FFF）**
- **优势**：成本低、材料选择广（PLA、ABS、PEEK等），适合批量生产轻量化部件。
- **案例**：NASA通过FFF打印月球车部件，减少传统制造中的90%零件数量；波音采用PA12材料打印飞机内饰件，降低重量15%。
- **局限**：高温材料（如PEEK）易变形，不适合复杂受力部件。

**3.2 直接墨水书写（DIW）**
- **技术特点**：通过喷墨技术沉积液态树脂，无需高温烧结，适合柔性材料和电子元件。
- **应用**：
- **传感器与电路**：欧洲宇航局利用DIW打印卫星天线和传感器，实现高精度电路布局。
- **柔性电子**：石墨烯墨水用于制造可拉伸传感器，应用于无人机实时监测。
- **挑战**：纳米填料分散困难，导致材料力学性能下降；打印速度慢，成本较高。

**3.3 光固化成型（SLA）**
- **优势**：高分辨率（达微米级）、表面光滑，适合精密电子部件。
- **案例**：
- NASA利用SLA打印空间站传感器支架，集成柔性电路和加热元件。
- 美国宇航局开发的光固化树脂（如PEEK基）耐高温（>300°C），适用于卫星太阳能板保护层。
- **局限**：树脂毒性高，需后处理去除溶剂；复杂结构易产生孔隙。

**3.4 材料喷射（MJ）**
- **特点**：同步喷射多种材料，实现多材料一体化成型。
- **应用**：
- 航空航天工具箱：通过MJ打印多功能工具，集成测量、加热和切割功能。
- 智能结构件：在单一部件中嵌入导电层（如碳纤维）和绝缘层，减少组装步骤。
- **挑战**：材料兼容性差，不同树脂的固化速度差异大，易导致层间结合不牢。

**3.5 选择性激光烧结（SLS）**
- **技术亮点**：无需支撑结构，适合打印闭腔部件（如燃料箱）。
- **案例**：
- 波音使用SLS打印飞机轻量化支架，材料为PA12，强度达传统金属部件的80%。
- 空军实验室通过SLS打印抗辐射涂层，用于卫星太阳能板。
- **局限**：粉末成本高，回收困难；大部件打印易变形。

#### 4. 智能材料与未来趋势
**智能材料**：
- **自修复材料**：通过动态共价键（如Diels-Alder反应）实现裂纹自动修复，应用于飞机蒙皮。
- **压电材料**：嵌入PVDF基体中，用于卫星结构健康监测，应力检测灵敏度达30 mV/N。
- **热电材料**：NASA开发的高导热聚合物复合材料，用于航天器热管理。

**未来方向**：
1. **太空制造（IN-space 3D printing）**：
- NASA“Archinaut”项目验证了太空站自主制造结构件的可行性，未来计划在月球建立3D打印工厂，利用当地资源（如月壤中的氧化铝）生产结构件。
- 挑战：微重力环境下材料流动性控制、激光/紫外固化效率低下。

2. **多技术融合**：
- FFF与SLS结合：打印外层（如碳纤维增强ABS）+内层（SLS打印陶瓷隔热层），用于卫星太阳能板。
- DIW+AI优化：通过机器学习自动调整打印参数，减少人工干预。

3. **可持续材料**：
- 生物基树脂（如PLA从玉米淀粉提取）和可降解纳米复合材料（如纳米黏土增强PLA）成为研发重点。
- 案例：空客采用生物降解材料打印飞机内饰件，减少碳排放。

#### 5. 挑战与解决方案
- **材料性能平衡**：需开发兼具高强度、耐高温和自修复特性的复合材料。例如，添加石墨烯提升导电性，纳米黏土增强热稳定性。
- **工艺优化**：
- **AI驱动参数优化**：通过机器学习预测最佳打印速度、层厚和温度（如预测FFF打印中PA12的收缩率）。
- **微重力适配**：NASA在“微重力3D打印挑战赛”中验证了材料在零重力下的流动性控制技术。
- **标准化与认证**：建立航空航天专用材料数据库（如NASA的“材料特性数据库”），制定3D打印部件的疲劳测试和腐蚀防护标准。

#### 6. 结论
增材制造在航空航天领域已从实验阶段走向实际应用，未来将推动“太空制造”革命。关键突破点包括：
- 开发耐极端环境（高辐射、真空、微重力）的智能材料。
- 优化多技术融合工艺（如FFF+SLA复合打印）。
- 构建全球协作的太空制造标准体系。
波音、空客等企业正通过3D打印实现部件轻量化（降低20%-40%重量）和成本节约（减少50%工具费用），而NASA的“Artemis计划”已部署3D打印设备用于月球基地建设。随着材料科学和AI技术的进步，3D打印有望成为下一代航空航天制造的核心技术。

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**注**：本文对原文进行了系统性梳理与简化，重点突出技术路径对比、典型案例及未来趋势，符合中文科技文献的表述习惯。