长三角G60激光联盟导读

波兰克拉科夫技术大学、瓦尔米亚马祖里大学、越南芽庄大学及德国弗莱贝格工业大学研究团队报道了水下激光增材制造应用的文献综述以及实际应用案例研究。该研究以“Additive Manufacturing in Underwater Applications”为题发表在《Applied Sciences》上。

增材制造(AM)，俗称3D打印，是一种应用前景广阔的技术。它是在自动化建造施工过程中广泛应用的最可行方案，尤其是在水下等恶劣环境中。该技术的一些当代应用已在水下环境中进行了测试，但仍有许多问题有待解决。本研究侧重于水下应用3D打印技术的当前发展，包括技术本身所需的改进以及新材料。此外，还提供了有关通过 AM 制造部件的水下应用的信息。文章以文献综述为基础，辅以实际应用案例研究。主要研究结果表明，在水下应用中使用增材制造技术可以带来许多优势。例如，提高工作安全性、减少环境负担和提高效率。目前，该技术仅开发出了几个原型应用。然而，水下增材制造技术是可用于开发新的、更大规模的有效应用。该技术本身以及所使用的材料仍需要开发和优化。

关键词：增材制造;3D 打印;水下;海洋应用

Scopus 数据库中的研究结果显示有1051篇文献(图1)。研究团队对这些文献进行了核对，并选择了最相关的已发表文献进行综述。

图1. Scopus 数据库中的搜索结果：(a) 按年份分列的已发表文献;(b) 按学科领域分列的已发表文献。

文献分析表明，水下增材制造主题非常新颖。第一篇论文发表于2009年，在2015年之前，该领域每年发表的论文不到10篇。2019年开始迅速增长。这表明该研究领域颇具创新性，在过去几年中得到了深入发展(图 1a)。根据有关主题的文献统计，可以看出该主题具有明显的多学科性质。排在前两位的是工程学和材料科学，但也有大量其他学科(图1b)。根据文件类型，最多的是原创文章，占所有出版物的 66%以上。评论文章占 15.5%，会议论文占 14.2%。其他类型包括书籍、书籍章节、笔记、简短调查报告等。对于一个相对较新的研究领域来说，这是一个相当典型的比例。值得注意的是，大多数文献是由来自中国和美国的团队发表的，中国发表了449篇，美国发表了226篇。与其他国家之间的差距很大：排名第三的是英国，仅发表了64篇论文。在创新技术方面处于领先地位的国家占据了主导地位。

根据3D打印技术所用材料的类型，技术可分为三大类：固体、粉末和液体。

1.基于固体长丝的技术

这类技术是应用最广泛的3D打印技术。这类技术包括熔融沉积建模(FDM)、层叠物体制造(LOM)和线弧增材制造(WAAM)。在水下应用方面，已经对 FDM 技术进行了一些研究。这些研究证明了在水下使用该技术进行聚合物打印的可能性。不过，这些试验并不具有科学性;它们只是显示了这一解决方案在进一步研究方面的潜力。此外，还研究了 FDM 和其他基于浆料挤压的技术，用于制造人工鱼礁和原位建造海洋基础设施。

另一项试验是开发胶凝材料系统。该技术主要与机械臂连接，在水下逐层打印混凝土材料。这使得将设计图纸直接转化为真实的基础设施元素成为可能。目前，专门用于水泥基材料水下研究的设备多位于空气中，只有一个喷嘴可在水下工作(图2)。

图2.在实验室进行水下 3D 打印材料测试时使用的技术方案。

这种应用于设备的技术方案意味着，与改进水下3D打印有关的主要工作集中在喷嘴结构上。所介绍的解决方案(图 2)建立在混凝土材料 3D 打印的传统技术基础上，该技术基于喷嘴挤出糊状物。第一步，预混合合适的成分，然后通过软管泵送至料斗。材料从料斗输送到喷嘴，喷嘴位于水下环境(水箱)中。离开喷嘴后，材料与水环境直接接触，各层材料在水环境中连接，以获得适当形状的打印元件。材料在水中固化。

2.基于粉末的技术

第二类重要的基于粉末沉积增材制造技术的解决方案，其中有激光金属沉积(LDM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)。

这类技术通常用于使用金属粉末的高要求应用领域。这种系统是保护工艺的最后一部分不被水浸入，并将其放入一个装有空气的特殊腔室(图3)。这种解决方案以前曾用于水下焊接工艺，在这一领域有着深厚的基础。

图3.试验装置。(a) 水下打印系统示意图;(b)水下激光与材料相互作用过程示意图;(c) 水下 LMD 的实际制造过程。

3.基于液体长丝的技术

另一类基于液体的技术包括立体光刻(SLA)、材料喷射(MJ)、数字光处理(DLP)等。作为一种打印材料，这种技术通常使用一种液体树脂，在不同的作用下(例如紫外线)硬化。这组材料尚未在水下环境中进行原位打印技术测试。不过，它已被用于制造一些水下应用元件，如水下工作的监测元件外壳、水处理系统膜或其他先进解决方案，如基于水下磁性纳米流体液滴的发电机(旨在将流体液滴的机械能转化为电能)，其灵感来自鲨鱼皮肤。在这一领域，Phillips证实了在海上移动船只上使用 SLA 技术的可能性。由于应用了被动稳定技术来支持 SLA 打印，因此可以制造出完全坚固且不透水的高分辨率模型，用于水下应用，包括密封外壳。这种方法有利于支持海洋工程开发，特别是舰船维护，以及其他需要快速修复海洋应用(包括水下应用)非典型元件的应用。