本期，3D打印技术参考总结2022年3D打印技术值得关注的十项重要科研成果，涉及金属3D打印过程精益控制、缺陷类型及造成的影响和如何消除、金属3D打印的关键机理、通过新手段开发超高性能材料，以及体积3D打印和新的具有更高效率的树脂3D打印工艺。关于金属3D打印的研究甚至可以构成一个体系，来深入理解这项工艺。同时需要注意的是，这些研究中有很多国内研究机构的身影，每篇都值得深入学习与思考。

1. 精益控制金属3D打印的过程不稳定性，获得高一致性和增强机械性能

在激光粉末床熔融3D打印工艺中，激光与粉末相互作用的不稳定性导致了各种缺陷的产生，特别是较大的飞溅，容易造成夹杂、形成大的颗粒，甚至出现卡刀的情况。工艺人员一直在通过调整参数的方式减少飞溅的产生，但改变材料却是另一种行之有效的途径。

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28649-2

2月，来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员发表了题为《Controlling process instability for defect lean metal additive manufacturing》的文章，报道了一种通过使用纳米粒子来控制激光-粉末床相互作用的不稳定性从而消除大飞溅物的方法。研究人员揭示了两种机制协同工作以消除所有类型的大飞溅：（1）纳米粒子对熔池波动的控制消除了液体破裂引起的大飞溅；(2) 纳米粒子对液滴聚结的控制消除了液滴碰撞引起的大飞溅。同时得出结论，纳米粒子能够同时稳定熔池波动和防止液滴聚结，为减少金属增材制造中的缺陷提供了一种潜在方法。

2.顶刊综述：金属增材制造过程中的缺陷种类、产生原因、对性能的影响及控制方法

金属增材制造技术按照其送料方式不同可分为粉床熔融式(PBF)和直接能量沉积式(DED)增材制造。PBF技术主要代表有激光选区熔化成形(SLM)及电子束选区熔化成形(EBM)。DED技术主要可分为激光近净成形(LENS)、送丝激光(WLAM)/电子束(WEBAM)增材制造。其中，DED技术直接将熔融金属沉积在下层已凝固金属表面，不受成形尺寸限制，在成形大尺寸构件方面具有独特优势，但成形精度、表面质量均较差，需二次后续加工。PBF技术因其具有较高的精度和表面质量常用来成形具有较高质量要求的复杂异形结构部件，是目前主流金属增材制造技术。

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3月，香港理工大学、西北工业大学和香港中文大学的研究人员提出了粉末基增材制造金属和合金中多尺度缺陷的类型、形成机制、危害以及控制方法。PBF金属部件内部缺陷可根据尺寸分为三类：(1) 尺寸缺陷；(2) 表面质量缺陷；(3) 显微组织缺陷；(4) 成分缺陷。为进一步提升PBF金属部件机械性能及表面质量，需对缺陷形成机理及缺陷对成形部件性能影响进行深入探究。相关研究以《Multi-scale defects in powder-based additively manufactured metals and alloys》为题发表。

3. 体积3D打印再次登上《Science》封面

源于从微光学器件到用于化学合成和生物分析的微流体系统对玻璃的尺寸、几何形状、表面粗糙度和机械强度要求的发展，传统的加工方法受到挑战。4月，来自美国加州大学伯克利分校、劳伦斯利弗莫尔国家实验室以及德国弗莱堡大学的研究人员以《Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography》《Science》以封面文章发表采用轴向光刻3D打印石英玻璃的研究，这是体积3D打印技术至少第二次发表在该期刊，此前还有研究发表于《Nature》。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6459

基于全息曝光、正交叠加、层析照相以及后烧结，研究人员制造了内径150μm的三维微流体、表面粗糙度仅6nm的复杂形状微光学元件，以及最小特征尺寸为50μm的复杂高强度桁架和晶格结构。作为一种高速、无层纹数字光制造工艺，轴向光刻3D打印可加工具有高固含量和高几何自由度的纳米复合材料，从而为新的设备制造提供空间。

4. 科学家对金属3D打印中的缺陷形成有了新认识，能充分控制熔池稳定性

对于激光粉末床熔融工艺（LPBF），深入了解激光与材料之间的相互作用对于开发该工艺的潜力至关重要。然而，高功率激光束产生的热量通常会导致部件中形成气孔，这些缺陷对零件的密度有害，并导致结构的整体机械性能较差。在零件性能至关重要的关键行业中，孔隙还可能限制可打印的零件类型。因此，需要开发更好的缺陷检测技术，并避免在打印过程中产生缺陷。

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z

5月，赫瑞瓦特大学、清华大学（赵沧教授）、弗吉尼亚大学和阿贡国家实验室的科学家组成的团队使用先进的成像技术，研究了金属3D打印过程中的材料状态，使激光与金属粒子相互作用时存在的所有物质状态之间的相互作用实现了可视化，从而为缺陷形成的方式和原因提供了新的见解。相关研究以《The interplay between vapour, liquid, and solid phases in laser powder bed fusion》发表。

5. 热力学指导增材制造合金成分及工艺设计，获得无缺陷零件

3D打印的许多合金和工艺开发仅考虑材料的整体成分。这些研究通常涉及大成分和工艺参数集的实验筛选。一些研究已经报告了凝固过程中局部成分变化对整体材料性能的重要性。然而，很少有研究遵循与分离和分配现象相关的清晰的热力学和动力学规则。因此，迫切需要为3D打印工艺制定考虑非平衡溶质分配特征材料开发指南。

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31969-y

7月，来自德国马普所的研究人员近日发表了一项题为《Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturing》的研究，通过整合、计算和利用元素分配，提出了一种热力学指导的3D打印合金设计的方法。研究结果可用于指导在相同基础合金上进行进一步的3D打印试验，经过适当的成分和工艺调整，可以获得无缺陷的零件。

6. Nature：3D打印完美性能组合的金属材料获突破

3D打印通常会产生具有高度不均匀晶粒、亚晶粒位错结构和化学偏析微观结构，这在钴基或镍基高温合金、铝合金、钛合金以及高熵合金中较为常见。共晶高熵合金是一类很有前途的多主元素合金，具有双相片层状异构组织，从而为实现优异的机械性能提供了巨大潜力。采用传统凝固路线获得的层片厚度通常在微米或亚微米范围内，限制了共晶高熵合金可达到的强度。相比之下，3D打印的大温度梯度和快速冷却的特点能够产生纳米层状相并使材料表现出高强度，但通常以牺牲延展性为代价。

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8月，由美国马萨诸塞大学、佐治亚理工学院、橡树岭国家实验室以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室等七家研究机构联合发表的《Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys byadditive manufacturing》一文获得了国内外多领域媒体的广泛报道。在这项研究中，研究人员利用激光粉末床熔融（L-PBF）的极端打印条件和高熵化合金的有利成分效应，获得了一种非平衡态的相组织，实现了让人震惊的性能提升。

7.莫纳什大学等：3D打印超强钛合金，达到现有3D打印金属最高比强度

9月，澳大利亚莫纳什大学增材制造中心的研究团队联合上海理工大学、中科院金属所、澳大利亚国立大学、澳大利亚迪肯大学以及美国俄亥俄州立大学利用3D打印技术实现了现有商用钛合金（BetaC合金，国内牌号TB9）力学性能的大幅提升，使其达到现有所有3D打印金属中最高的比强度。

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01359-2

研究人员对SLM制造的钛合金进行了两种不同温度的直接时效热处理，（480°C和520°C热处理），实现了惊人的强度。经过480°C后热处理后，极限抗拉强度达到了1611MPa ，并保持了5.4%的均匀伸长率。这种强度高于迄今为止报道的所有3D打印钛合金、钢、铝合金以及镍基高温合金。此外，这种合金的强度和延展性可以通过调整热处理方案来调控，从而满足特定应用需求。相关研究成果以《Ultrastrong Nano-twinned Titanium Alloys through Additive Manufacturing》为题发表在Nature materials上。

8.使用多机器人进行空中增材制造

9月，《自然》杂志以封面文章的形式发表了一篇工程学论文，涉及一种采用飞行机器人3D打印空中结构的技术。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

研究人员借助黄蜂筑巢的原理，提出了一个可扩展的多机器人3D打印和路径规划框架，使机器人数量和任务能够适应整个建筑任务中打印几何形状的变化。多机器人制造框架允许在人类监督下进行自主3D打印、实时评估打印几何图形和机器人行为适应。这项研究为未来在偏远或难以抵达的地点提供重要基础设施的建造提供了支持。

9.iCLIP工艺将CLIP树脂3D打印技术的速度再提高10倍

9月，3D打印技术参考注意到，知名期刊Science Advances发表了斯坦福大学的一项重要研究。这篇题为《Injection continuous liquid interface production of 3D objects》的文章提出了一种新的被称为iCLIP的新技术，它在Carbon提出的CLIP技术的基础上，将树脂3D打印的速度又提高了10倍，并且能够打印多材料、高粘度树脂。

文章显示，研究人员首先通过CAD软件在零件上设计了微流控管道，通过这些管道将将树脂注入相应区域。来自注射的正压力能够显著降低粘附力，并能够消除基于CLIP的常见缺陷。同时，树脂注入管道能够显著降低吸力，从而极大提高iCLIP的打印速度。测量发现，通过一条中央管道注入树脂，可以观察到最大可实现打印速率比CLIP增加了5到10倍。研究人员演示了快速打印碳纳米管填充复合材料、长度范围跨越几个数量级的多材料特征组件以及具有可调模量和能量吸收的晶格结构。

10. 清华大学赵沧教授：阐述金属激光增材制造关键机理

迄今为止，学术界对激光-物质相互作用的认识还不够深刻，对激光熔化模式的定义仍然很模糊、尚未达成共识。这使得制造无缺陷、微观结构可控的构件仍有困难，限制了激光粉末床熔融增材制造行业的进一步突破。

https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.94.045002

10月，清华大学机械工程系赵沧助理教授在国际物理学界权威期刊《现代物理评论》发表了关于金属激光增材制造激光熔化模式的综述论文《Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing》。作者首先阐述了金属激光粉末床熔融增材制造中的一般物理过程，着重强调了两个关键耦合现象：熔化和汽化，匙孔前壁液态突出物和匙孔失稳。这些物理现象驱动了熔池和匙孔的形貌演化，是激光熔化模式定义的基石。

END

3D打印技术的进一步应用和发展离不开实验科学的进步与研究人员的努力，本文所列举的研究成果更是对现有制造不足进行的改进尝试，它们可能在很长一段时间内无法实现落地应用，但却为技术的发展积蓄着力量。3D打印技术参考在汇总研究成果的过程中发现，对金属3D打印技术的微观机理研究发生了重大进步，几项研究甚至可以构成系列来阐述过程问题及如何解决问题；此外，借助新的手段开发出了几款重量级的材料，同样值得关注。

本文仅能遴选万千技术研究的极小部分进行展示。未来，这些技术将在改变人们生活和生产方面继续发挥更大的作用。