近日，ExOne获得美国国防部一份合同，以开发一个完全可操作的3D打印移动“工厂”。该工厂将被安置于约12米长的运输集装箱中，可通过陆、海、空直接部署在野外，支持战区、灾难救济或其他远程零件制造任务。 美国在全球80个国家/地区拥有1000多个军事设施，占全球基地总数的95％，将增材制造用于装备维护被美军格外重视。2012年，美军快速装备部队就率先交付了首个移动远征实验室；2013年，美军在阿富汗战区又实地部署了第2个移动远征实验室。除了基于激光的3D打印工艺，美军致力于引入更多的新型制造技术和维修工艺，而这次为什么是ExOne？ 脱脂烧结炉也将集成于移动方舱内部 该公司首席执行官介绍，由于速度、材料的灵活性和易用性，粘结剂喷射3D打印是军事用途的关键制造技术。ExOne的3D打印机支持20多种金属、陶瓷或复合材料零件生产，能够直接制造最终产品或工具。ExOne正在开发一种特殊的军用3D打印机，升级后的装备将具有独特的机身样式和其他功能，使其成为强大的军事级产品。 毫无疑问，从现在开始的几年里，ExOne的技术将在迅速满足关键需求方面发挥重要作用。 军用3D打印移动方舱的好处 使用3D打印工艺现场制造零件，军队可以将车辆或其他装备（如坦克等）的停止运行时间从数周、数月减少到几天或更少，同时还可以降低军事成本。 理想情况下，维修人员可在不到48小时的时间内使用3D打印制造损坏的零件，并在没有全套工具的情况下完成加工。这种方法将节省关键时间（传统机械加工通常需要4到6周时间），同时还可以减少浪费以及在危机地区进行昂贵库存的需求（好战之国，驻军之地必有备品库存）。 ExOne的粘结剂喷射3D打印具有更少的机加工后处理需求 这份价值160万美元的合同由美国国防后勤局（DLA）于2020年8月授予，该合同将专门致力于提高ExOne商用粘结剂3D打印机在各种工作条件下的耐用性，同时保持高品质的最终零件质量。此外，该项目的目标还包括通过软件和培训来简化对该技术在现场使用的能力要求，因此只需很少的技术知识就可以使用移动方舱。 在任务执行过程中，后勤人员不必再携带各类具体的零件备件，只需要携带相关的3D打印材料和零件的数字文件。如果一些较旧的零件缺乏数字文件，工作人员也可以在现场轻松地进行3D扫描或数字化设计，并根据需要进行3D打印。至于材料，在战时任务中，只需要一定强度的替代品，而无需寻求具体零件的原始制造材料。 ExOne和Rapidia推出适用于办公室的桌面型3DP打印机和烧结炉 为了加快移动方舱的开发，ExOne将与具有该项目特殊工程专业知识的多个伙伴合作。包括专门从事材料工程、复合材料制造和DoD武器系统的德国Dynovas公司，为航空、国防和太空市场提供复杂复合材料组件的智利Applied Composites公司，以及可为3D打印方舱设计和制造提供助力的AC-SD公司。 延伸阅读：我国航空部件机动式增材制造方舱交付XXX机务大队使用 2019年12月，由原西安空天能源动力智能制造研究院第二事业部（现西安空天机电智能制造有限公司）、空军工程大学、解放军5702工厂、北京易加三维科技有限公司、西安交通大学等单位研发的航空部件机动式增材制造方舱正式交付XXX机务大队使用。该增材制造方舱将粉末床增材制造技术、智能监控技术和移动方舱创新性结合，为国内首创。 由西空智造推出的3D打印移动方舱（来源：西空智造官网） 名称 单位 数值 最大零件 成型尺寸 mm 258×258×350 装备作业 就绪时间 min ≤15 装备转场 就绪时间 min ≤15 装备外场连续作业性 天 15天 方舱规格 m 6.06×2.44×2.54 底盘承载 t ≥7 上装空间 m ≥6 零件材料 适应性 不锈钢、模具钢、钛合金、镍基高温合金、钴铬合金、铜合金、铝合金等 底盘 军用底盘/民用底盘 主要技术参数（来源：西空智造官网） 产品特点 1. 外场作业环境适应性强，可夜间作业，也可在恶劣环境下工作； 2.道路行驶设备自适应性，车辆行驶稳定性好； 3.模块化设计，优化主副设备布置； 4.打印设备搭载增材过程监控系统，实时监测生产过程中关键过程数据； 5.方舱密封严密，保温效果好； 6.四级安全防护及预警机制，良好的人员作业安全性； 7.适合公路、铁路、海运、空运等多种进场方式； 8.超大工作空间和维修空间，作业和保养方便； 9.高海拔作业，适应战时保障作业的海拔高度条件。 该装备采用车载方舱和增材制造技术相结合，实现“从计算机模型到实物”的快速制造和再制造，对装备维修保障中的小批量零件快速制造和结构损伤快速修复具有极佳的适用性，实现“在哪里需要、在哪里保障、在哪里应急制造”。此外，该装备还搭载我国自主研发的激光增材过程监控系统，实现零件加工质量可控，并生成制造过程数据包以便回溯，提高外场生产制造零件的质量、效率、性能和可靠性。 已交付的3D打印移动方舱（图片来源：西安空天能源动力智能制造研究院有限公司） 据相关人员介绍，小批量（引进、停产）航空装备的备件应急保障是世界各国空军的共性难题。航空装备对应急制造的零件实效性、质量、精度和稳定性要求很高。此次交付的增材制造方舱，解决了制造过程实时智能监控、车体稳定性、平台紧固防震与可移动性匹配、恶劣环境下粉末床成形工艺优化、电磁环境兼容等大量关键技术难题。 未来增材制造方舱将坚持“技术创新为根，价值产品为本”的理念，以“自动化、智能化、信息化”创新技术为牵引，以更为积极的状态研制航空保障装备。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.从塑料到金属，3D打印走进我国三军装备保障体系的应用案例 2.金属3D打印在线监控——为什么一定要有完全自主可控的增材制造监控系统 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.外军：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能

至2020年，波士顿动力的Atlas人形机器人已经经过了11年的发展史，如今，该公司的所有机器人已经可以集体出道。这些世界上最先进的机器人集成了世界上最先进的技术，可以实现高度多样化和灵活的运动。在所有先进技术中，3D打印为Atlas的零件赋予了跳跃和翻腾所需的最佳强度/重量比。 2012年，美国国防高级研究计划启动了一项机器人挑战赛，旨在推动救灾机器人技术在当前的基础上向前迈进一大步。这项计划极大推动了美国机器人水平的发展。Atlas和SpotMini也在这项计划的帮助下，经过多次迭代，从开始的蹒跚学步，到如今健步如飞，甚至貌似还学会了中国功夫和跳舞，可谓让人目瞪口呆，电影里的画面似乎要成真。 SpotMini机械狗多年来实现飞速进化，从无手臂到安装单支机械喙，再到安装双仿生手臂，使这个25公斤的机器人可承载14公斤的有效载荷，且能够更加灵活的执行更加复杂的操作。 最新型号的Atlas高约1.5米，重80公斤，完全动力自主（在30-60分钟之间运行，取决于活动），并拥有28个自由度，强度、密度也已提升到与人类相近的程度。 然而，无论Atlas还是SpotMini，这些复杂功能和灵活性的实现，离不开3D打印技术的使用。尤其是Atlas，3D打印赋予了它跳跃和翻腾所需的强度/重量比。接下来，让我们再来学习3D打印如何帮助这些世界上最先进的机器人减重、提高空间利用率并提升效率。 Atlas的高级控制系统可实现高度多样化和灵活的移动 1. 3D打印定制非标部件 当机器人的体积越来越小，小到人类规格的时候，市面上便很难找到适用于它的高性能伺服阀。研究团队自行开发，采用3D打印制作了比航天使用的更小巧、更轻质的伺服阀，新的伺服阀拥有多种模式，阀门响应时间短，旁路泄露极低。这也是3D打印参与Atlas非标部件制造的典型案例。 借助3D打印制造的伺服阀 2. 3D打印优化结构设计，减轻机器人肢体惯性 无论对于人还是足式机器人，两足行走都是自然界非常高效的运动方式。不论加速还是减速，机器人系统的大部分动力都消耗在腿部的摆动上，由于其本身重量较高，肢体惯性便成为步行机器人的大问题。为解决这一问题，研究团队对Atlas的腿部进行了优化设计，使其更轻、更紧凑、更加集成。 从结构图可以看出，Atlas腿部采用了仿生设计，具有高强度/重量比的晶格以及类似人类骨骼的多孔结构，既保证强度又减轻质量，这种结构也只有3D打印能够制造。 腿部结构细节，集成多种部件 然而找寻到这种结构却并非易事，研究人员还需要将歧管、液压管路以及执行器都集成进腿部结构里面，这么多部件的集成也为结构设计带来困难。其封闭处理步骤之多，甚至足以抵消增材制造 (对比传统机械制造) 的部分优势。最终，3D打印技术使有限的空间得到更加高效的利用，Atlas的肢体惯性得到了有效降低。 波士顿动力为Atlas3D打印的液压歧管 3. 3D打印液压动力单元（HPU）实现更高效率 液压动力单元其中一个很重要的优势就是具有极高的功率重量比—极小规格尺寸的单元可以传递很高的功率。采用3D打印来制造液压动力单元，可以制造紧凑、轻量型阀块，极大减轻重量并提高空间利用率。 3D打印参与Atlas液压动力单元制造 Atlas使用3D打印零件来赋予其跳跃和翻腾所需的强度/重量比 波士顿动力将3D打印应用于制造Atlas机器人的液压动力单元（HPU），并具有相当的可扩展性。HPU位于机器人的中心位置，3D打印用于制造收集电力并输出液压动力所涉及的稳态控制器、传感器、过滤器、排污阀等部件，有效利用了原本剩余的空间。 Atlas使用的3D打印轻量化零件 另外，Atlas的歧管有18个阀门，实现机器人上半身功能，通过结构有机设计和3D打印减轻了压力下降的问题，并淘汰了大量过剩的组件。最终，整个结构的重量仅为5千克，功率达到5千瓦。设计人员介绍，如果没有先进的设计技术和3D打印，这不可能实现。 Atlas腿部采用的仿生设计提供了最佳的强度/重量比 END 从3D打印助力Atlas和SpotMini机器人制造来看，3D打印不仅仅是用来制造，设计也不仅仅是设计，两者的有机结合再加上深入应用，将发挥重要作用。可以想象，这两个机器人如果在月球或者火星表面行走，这不就是我们一直说的外星人吗？ 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.新一代群组协作3D打印机器人 2.人工智能和3D打印：满足制造业的未来 3.3D打印 | 一体式构建人工智能（AI）驱动设计的火箭发动机新型结构 4.美借助3D打印实现十年前的先进仿生结构制造

随着Covid-19持续爆发，旅游业尚未收到复苏信号，全球各大航空公司深受负面影响，波音公司正在应用更多的先进技术，通过VR虚拟模拟帮助训练飞行员，减少实际执飞的飞行培训时间。同时应用AR-Augmented Reality (增强现实) 技术来帮助航空工程师；并使用3D打印技术快速迭代飞机零件。 VR-Virtue Reality（虚拟现实）可以让使用者沉浸在可交互的世界中，同时消除我们在危险的现实世界中可能面临的风险。如今，虚拟现实已经远远超越了单纯的游戏范畴，已经被制造业、航空业、医疗应急服务等高风险行业所接受。 图 | 索尼的PS VR 已经被市场广泛接受，占有率很高 近日，美国俄克拉荷马州州长视察波音公司的高级可视化和沉浸式发展中心；这家位于美国俄克拉荷马州的航天巨头十分重视3D打印技术和AR/VR等尖端数字技术在航空业的应用。 图 | 飞机维护副总监NancyAnderson带领俄州州长Kevin Stitt参观 在技术快速发展的时代，波音公司已经开始运用最新数字技术。通过3D扫描和3D打印，波音研发团队能够直接制作飞机中的数百万个零部件，迭代飞机组件；利用沉浸式体验的AR模拟器，波音公司可以测量飞行升力和阻力并实现飞行序列的完全模拟，即使在飞行员未升空的情况下，飞行员也能熟悉飞机操作。 VR技术帮助训练飞行员 飞行员的训练一直是一项重大课题；以美国空军为例，要想成为一名合格的飞行员至少要完成2000小时以上的飞行训练，而每小时的综合飞行成本就超过4万美元，而在中国，如果想要成为一名合格的战斗机飞行员，至少要在航校接受长达8年的训练，然后只有完成超过上千小时的飞行任务的飞行员才有资格驾驶三代机，另外像歼-20这样的重型隐形战斗机，其对飞行员的要求会更高，相应训练成本就会更大。所以有专家指出，中国战斗机飞行员的训练成本至少约为1亿人民币。 波音公司的传统飞机模拟舱 传统上，飞行员对技能和信心要求很高，飞行经验只能在空中获得。AR和VR彻底改变了这一培训过程。而使用VR技术，可以与传统飞行模拟舱结合，将人的经验与大数据分析融合一体。 可以肯定的是，各国空军和各大航空公司都对飞行员实施了VR培训，以减少培训时间，增加知识保留率，提高安全标准——与此同时减少了潜在的飞行事故-损失高达数百万美元的风险。 图 | 美国空军使用VR训练飞行员 图 | 员工展示VR模拟飞机内部环境和维护操作 利用沉浸式体验的VR模拟器，波音公司可以测量飞行升力和阻力并实现飞行序列的完全模拟，即使在飞行员未升空的情况下，飞行员也能熟悉飞机操作。 使用VR/AR培训飞机工程师 航空航天器制造过程的精密性，要求工程师必须经过高强度的培训，甚至连一些老师傅也不得不随时查阅资料。将AR技术结合入培训行业，已经不是什么新鲜事。航空航天行业中，传统的操作指南以文档式的方式来静态表示，常为2D图形。而增强现实技术，在生产现场，建立增强现实的三维操作指南，把“虚”与“实”有效结合，把操作要求与立体画面叠加到加工实体上，使操作人增强对虚拟信息的理解，并将虚拟信息现实化，给操作人直观而真实的体验，提升其认知力，更有效地发挥操作指南的作用。 图 | 波音公司开发的AR布线试验系统 航空工程师在喷气式发动机和涡轮机等复杂结构上的学习实践不多。采购飞机的部件用于培训是费时的，而且成本非常高。大多数学员只有在飞机送来维修时才有机会上手。而随着飞机技术变得越来越可靠--实习工程师的机会变得越来越少。VR弥补了实习工程师和他们使用飞机进行物理训练之间的鸿沟。 图 | 航空工程师接受TrentXWB航空发动机的虚拟现实培训 在波音公司的高级可视化和沉浸式发展中心的反馈表明，VR技术是一种可行的学习工具，不仅可以提高航空维修的效率和熟练程度，还可以直接并以成本效益高的方式使飞行员和工程师更有信心、更有能力；从而使飞机更安全、更可靠。 3D打印快速迭代飞机部件 除VR/AR的大量使用外，波音公司还运用3D扫描和3D打印技术对飞机部件进行进一步研究和测试，并能够短时间内做出相应的技术调整。通过3D扫描和3D打印，波音研发团队能够直接制作飞机中的数百万个零部件，迭代飞机组件在迭代部件最终运用前，波音团队能够不断对其进行测试和改进，而Raise3D Pro2打印机把这些数字设计打印成实体组件。 Artec Space Spider扫描仪可以在几分钟内捕获三维图像，然后用Pro2系列打印机打印 图 | 波音公司高级可视化和沉浸式发展中心员工向俄克拉荷马州州长Kevin Stitt介绍Pro2 系列打印机 航空航天行业之所以是3D打印技术的重要舞台，原因有以下两点：第一，航空航天设备往往具有“多品种、小批量”的特点，尤其在试制阶段许多零部件都需要单件定制，若采取传统工艺则周期长、成本高，3D打印则可以实现低成本快速成型。 第二，“减重”是航天器迭代的永恒主题，出于减重与强度要求，航空航天设备中复杂结构件或大型异构件的比例越来越高，若采用传统的“锻造+机加工”方式，则所需工序繁多、工艺复杂，甚至根本无法直接加工，而3D打印在复杂部件加工方面具有明显优势。 图 | 2017年中国商飞购买的功勋机型N2 Plus 不仅在美国，在国内，3D打印也已经进入民航领域，中国商飞也购买了N2 Plus 3D打印机，协助进行零件研发/迭代工作。3D打印和VR/AR技术不断推动着航空航天业的发展；无论是波音、空客还是中国商飞，作为航空业巨头，在如今疫情大环境下，他们都会不断应用最新数字技术，以备战未来市场复苏后的竞争，推进航空制造业的发展。

继2018年采用3D打印制造了轰动一时的钛合金卡钳后，布加迪在3D打印技术应用方面又有新动作。近日，布加迪发布消息称，其新开发的3D打印中空推杆（底盘区域的压力加载连接杆）重量仅为100克，却可传递高达3.5吨的力，使3D打印在结构设计、轻量化应用方面更推进一步。该项目由布加迪博士生Henrik Hoppe领导，他自2017年以来一直在开发创新的金属材料和制造工艺。其硕士论文就是关于钛合金制动卡钳，3D打印将已经高度优化的生产部件进一步减轻了43%的重量，同时保持了其良好的机械和制动性能。在其博士论文的研究中，Henrik Hoppe更进一步的研究了汽车制造用功能性3D打印金属部件的商业和技术潜力，并通过针对特定零件的应用来予以证明。在此前，这些类型的部件主要用于航空航天领域。 布加迪最新型Bolide跑车 3D打印复杂的类骨骼结构 结构优化在汽车制造领域非常普遍，但采用3D打印则可以打破传统的设计局限，实现更为复杂的三维结构。布加迪运用仿生学原理，使3D打印的部件具有骨骼般的结构：薄壁、中空内部和精致细节。这种组合使部件既轻便又具有极高的刚性。 中空、内部填充网格的结构（示意） 在新型跑车的设计过程中，研究团队继续减轻汽车重量，同时在每一个可以想象的领域增强创新。项目负责人Henrik Hoppe解释，从构思到生产，再到安装，工程师需要设计、规划各个步骤并进行所有计算，同时还包括评估生产组件的商业可行性。尽管布加迪在材料、制造工艺和零部件方面要求最高的质量标准，但必须在商业上可行。简单的说，无论设计如何创新，都不能显著增加成本。 在布加迪最新型Bolide跑车中，这种薄壁、中空的骨骼结构被大量使用。 3D打印的连接杆，实现“2两”拨千斤 在布加迪Bolide跑车中，3D打印的连接杆尤为突出。尽管尺寸狭长，但其内部采用支撑拱形结构，仅重100克。受力加载的钛合金连接杆位于底盘区域，根据操纵情况，连接杆可传递的力高达3.5吨，可谓2两拨千斤并不夸张。 3D打印的连接杆 该连接杆也是布加迪有史以来第一个在长度范围采用变壁厚的实例。根据3D打印技术参考找到的视频介绍，零件两端壁厚小并向中心增加，总体在0.4-1mm之间，这意味着该部件同时针对局部应力和重量进行了优化。布加迪甚至已经为该结构申请了专利。 280mm长、0.5mm厚、不到750g的排气尾管外壳 排气尾管是由3D打印的钛合金外壳和陶瓷制成的混合组件，已经重量优化的钛合金排气尾管已被系列生产。这种部件的长度超过280mm，壁厚一致只有0.5mm，重量不到750克。陶瓷材料的导热系数远低于钛合金，将其内置于钛合金外壳中，可以保证在高温废气下不会损伤外壳。混合组件与此前批量生产的组件相比，其重量减轻了约50％ 3D打印的钛合金外壳和陶瓷制成的排气尾管 此前布用于加迪凯龙的3D打印排气尾管外壳 以325g的身躯，抵挡1.8吨的力 Bolide跑车的前机翼安装支架也采用了3D打印的钛合金，同样具有空心的内部空间，壁厚为0.7mm，仅重600g，可承受800公斤的空气动力。 后机翼的下压力在时速320公里时可达到1.8吨，通过中央碳纤维翅片传导压力，机翼与翅片之间则通过3D打印的钛合金零件连接，其重量也仅有325g。此外，工程师还使用钛合金打印了转向柱的安装支架，一个部件集成了仪表板支架、转向柱支撑环以及车内的两个通风口。所有构件均设计为轻质空心结构，平均壁厚0.5mm。 转向柱支架 在其他方面，3D打印的钛合金还被布加迪用于制造前轴运动部件以及控制摇杆支架，后者壁厚仅0.4mm，重量为95g。使用布加迪内部开发的特殊热处理工艺，所有3D打印的钛合金零件强度达到1250Mpa，高断裂应变至少为19%。 END 尽管布加迪在Bolide跑车上应用了大量的钛合金3D打印零件，然而唯有连接杆的开发让他们尤其认为成就巨大。然而笔者并未查询到关于该部件的专利信息，只能猜测其内部结构可能较为复杂。通过本文也可知道，采用3D打印减轻车辆重量，很多部件不仅可以优化形状，还可做成中空或内置点阵结构，潜力巨大。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.详述：主流汽车制造商正在如何使用增材制造技术 2.宝马故事：还在专注锻造？不，它早已将3D打印规模化应用在日常生产中 3.嘀！你有一条来自宝马增材制造中心的视频邀请 4.布加迪极限测试3D打印制动卡钳 为批量生产铺路

清华新闻网1月21日电近日，清华-伯克利深圳学院(TBSI)精准医学与公共健康研究中心马少华副教授、黄来强教授团队在3D打印技术制造的类器官研究中取得重要成果，成功建立了类器官均一化、自动化、高通量培养平台，制备的人源和鼠源的正常组织和肿瘤类器官，形态结构均一，忠实地保留了源组织/肿瘤从基因分子细胞到组织生理病理的特性、对药物和治疗的反应功能。其中肿瘤类器官高度保持了源肿瘤的异质性和患者之间的异质性，为肿瘤的发病机理研究、药物和疗法的筛选和评价、个体化精准治疗，以及再生医学的研究和开发提供了优良的技术平台和疾病模型。 肿瘤类器官制备及应用路线图 类器官在生物医学医药研究、个性化治疗以及再生医学领域具有广阔的应用前景。其中基于癌症病人肿瘤组织在体外三维培养的肿瘤类器官，作为肿瘤疾病模型，在癌症药物、疗法、个性化精准治疗的研究和开发中具有巨大的应用潜力。但是，目前类器官研究还存在诸多问题：类器官形态及组成的可控性差；同批次类器官个体之间，以及不同批次类器官样本之间均存在显著差异；建模周期长（培养周期需要4-6周），而且建模过程缺乏自动化操控，耗时费力。 针对这些问题，研究团队以微流控联动3D打印技术快速制造、培养和自动化操控建立正常组织和肿瘤类器官，全过程均一可控，可高通量规模化。通过微流控液滴技术将含有细胞的Matrigel剪切成直径约500微米的均一化微球并将其作为细胞活动的结构模板，经过1周培养熟化（细胞自组织）即可形成类器官。利用这个平台成功培养了小鼠肝、肺、肾等正常组织的类器官，癌症病人肺、肾、胃、直肠等多种肿瘤的类器官。 类器官制备技术平台示意图 3D打印技术参考查询了清华-伯克利深圳学院的有关信息，发现该校曾于2016年购买上普博源(北京)生物科技有限公司的高级生物3D打印设备。经查询，该公司专门从事3D生物打印和制造先进生物打印产品，拥有创新的3D生物打印系统、新型生物墨水和先进的3D细胞模型，并应用于个性化组织工程和癌症治疗、医疗器械、药物测试和新药研发。 目前，该公司官网显示的生物3D打印机有五种类型，包括两型入门级和专业级的桌面生物3D打印机，两型旗舰级的生物细胞3D打印机和多功能生物3D打印机，以及一型低温沉积组织工程支架3D打印机。 上普生物开发的生物3D打印机 以旗舰级四喷头多功能桌面级生物3D打印机为例，该设备通过数种喷头与功能模块相互之间的自由搭配，可以组合出诸如水凝胶细胞打印、多材料复合打印、转轴管腔打印、近场直写打印等数十种打印工艺。一台设备即可涵盖绝大多数生物3D打印使用场景，完全胜任仿生组织器官构建、高端医疗器械、细胞研究与治疗、先进材料开发等多方面应用。 上普生物3D打印机应用领域 仿生组织器官 ·脊髓打印 ·心脏打印 ·皮肤打印 组织工程支架 ·骨修复支架 ·半月板支架 ·骨-软骨支架 细胞研究与治疗 ·细胞免疫研究 ·胚胎干细胞打印 ·神经细胞打印 个性化药检模型 ·器官芯片 ·个性化肝癌模型 ·神经药物筛选的类脑模型 高端医疗器械 ·抗HPV病毒蛋白缓释支架 ·心脏支架 ·血管支架 ·人工心脏瓣膜 先进材料拓展应用 ·人造肉 ·导电材料打印 ·磁性材料打印 ·4D打印 BioMaker提供多种打印喷头，从细胞打印喷头到光固化喷头，从制冷喷头到高温喷头，每种喷头都搭载上普特色打印技术，保证擅长材料可以顺畅打印 ‍ 随着生物打印技术的发展，在生物学中使用生物打印的努力只会越来越多-从开发来模仿生物学动态特性的新生物墨水到与生物学复杂性相匹配的新生物打印机和生物打印方法。为了进一步增加广泛采用，工程师正在继续简化生物打印技术以改善自动化，以减少操作员所需的经验。 未来，生物打印可能会取得进展的一个特定领域是形态发生，其中涉及复杂的细胞，生化和生物物理动力学，这些动力学雕刻出了活生物体及其组成器官的形状和组成。这些复杂性可以通过生物打印的构造以某种形式概括，包括与快速扩展的类器官工程领域合并。因此，生物打印的未来将为广泛的生物学问题提供巨大的潜力。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.最新研究：生物3D打印的人类心脏实现泵血功能！ 2.3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨 3.生物组织工程技术的变革—体积打印技术 4.浙大团队：轴向光刻3D打印技术在生物组织工程中的应用和优缺点 --广告--

由于金属3D打印具有复杂的物理冶金过程，现行的技术手段很难确保加工工艺的可重复性和质量一致性，这一点极大限制了激光增材制造的广泛应用，尤其是航空航天领域的高附加值零部件的批量生产。 质量保证和过程监控一直以来都是金属3D打印技术的热门研究，有效、可靠的质量保证手段是增材制造用户最重要的需求。 目前行业领先的增材制造设备商均采用过程监控技术解决这一问题， 如EOS的EOSTATE模块，SLM solutions的QAS模块，Renishaw的InfiniAM模块，以及Concept Laser的QMmeltpool模块等。质量监控过程会生成海量的数据，然而目前已经有技术可以将1T的数据压缩成几十KB，这样发送起来非常容易。对于保障航空航天等高安全需要的制造任务，国内一定要有完全自主可控的增材制造监控系统。 金属3D打印在线监控系统的特征和功能 目前，国内设备商对打印过程的监控实际上还多停留在设备状态的监控上，对材料成型过程的数据采集也不充分，反馈机制上更不如人意，面对大量的数据也缺乏分析能力。在如此艰难条件下，西安空天机电智能制造有限公司（以下简称“西空智造”）秉承“成型过程看的见、质量缺陷测的出、工艺过程控的住”的理念与目标，研制过程监控产品“激光增材过程监控系统（AM&IM-PMS）”，目前已经推向市场。 粉末床监控模块 粉床监控模块主要用于实时监视、分析、评估和控制激光选区熔化设备的铺粉质量。自动抓取激光扫描和铺粉结束时刻的图像，智能识别各类铺粉缺陷，诊断铺粉异常（包括传动故障、送粉量不足、刮刀损伤、过烧等）；采取相应的闭环控制措施（重铺粉、重扫描、停机报警等），确保打印过程中的铺粉均匀性和稳定性，提高零件成型质量。 粉末床监控模块 粉末床在线监控软件是一款金属3D打印过程质量监控软件。它通过实时监控分析打印过程中每层粉末床铺粉情况，及时反馈粉末床上存在的缺陷问题，提醒操作人员调整打印参数避免错误积累，提高打印件的成品率，减少工作人员的观察工作量。实现打印过程可监控，缺陷分析智能化。软件特点： ▪ 实时监控记录过程关键点状态 ▪ 粉床缺陷智能检测，缺陷标记提醒 ▪ 过程历史数据便捷查看，全过程数据可追溯 粉末床在线监控软件技术指标： 数据存储 工程存储 历史回放 可逐层查看 数据导出 可逐层导出 显示效果 缺陷三维重构 特征识别 刮刀跳动振纹、刮刀拖拽、不完全铺粉、零件露出、过烧黑斑缺陷 分辨率 100um 数据处理 当层同步 缺陷漏检率 <5% 层结果显示 特征标注显示 熔池监测模块 熔池监控模块主要用于实时监视、分析和评估SLM设备熔池信息。高速采集打印过程中熔池等离子体辐射和熔池形貌数据，结合激光扫描路径形成二维热图；通过熔池特征分析、提取，实现模型和缺陷三维重构，是工艺开发、质量追溯、缺陷分析的重要资源。 功能： ▪记录熔池的辐射强度和熔池形貌 ▪记录熔池打印过程 ▪捕捉熔池的异常数据 ▪加工过程热量可视化 熔池监控模块一方面可以实时监测熔池是否失稳，另一方面可作为工艺策略优化的定量化指针以及熔池熔化凝固的热力学/动力学分析工具。此外，在线监控也是打印过程闭环控制以及智能化的基础。 技术指标： 采集速率 最大100K（熔池辐射强度）、3KHz（熔池几何） 采集信息 熔池辐射、激光开关、层功率变化、加工X/Y位置 数据查看 逐层查看 数据导出 逐层导出（包含原始数据和二维云图） 在线监测 实时显示采集信号，层分析结果，打印状态等 参数设置 设置采集配置参数及算法分析参数 任务列表 显示各任务状态 操作日志 显示用户操作日志 离线分析 精细化分析历史数据，可供数据及结果的导入导出 熔池形貌 显示实时熔池形貌及分析结果 特点： ▪快速记录数据 ▪还原打印过程 ▪方便数据分析、异常分析及异常处理 应用： ▪逐点记录加工数据 ▪优化工艺的数据参照 ▪工艺缺陷识别 ▪多激光工艺状态对比监测 ▪零件3D质量报告…

国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队利用电弧熔丝增减材一体化制造技术，制造完成了世界上首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件，在整体制造的工艺稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均实现重大技术突破。 10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 10米级超大型铝合金环件是连接重型运载火箭贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的关键结构件。该样件重约1t，创新采用多丝协同工艺装备，制造工艺大为简化、成本大幅降低，制造周期缩短至1个月。目前，采用增减材一体化制造技术成功完成超大型环件属国际首例。 大型铝合金构件的直接制造有着重要需求 随着航空航天技术的不断发展，对飞行器的性能提出了越来越高的要求。采用高性能铝合金结构件尤其是大型整体铝合金主承力结构件仍然是减轻飞行器结构重量，提高运载能力和飞行速度的重要技术途径之一。因此高性能铝合金的材料制备和零件制造新工艺、新方法始终是研究的热点。 一些民用干线飞机用材结构比例（%） 近年来，美国、欧洲的航空设计部门发现，采用大型整体式铝合金构件替代传统的组合式铝合金构件，可减重15-20%，并且构件寿命及可靠性明显增加。明显可以感觉到，大型客机、战略运输机、战斗机的机翼主翼梁、翼身对接肋、机身承受力框等对铝合金的高性能化、构件大型化的要求越来越突出，总的来说，在航空航天领域，铝合金材料重新受到重视。 随着我国航空航天事业不断发展，对运载火箭、空间站等大型化、整体化制造提出了更高需求。为抢占世界增材制造科技战略高点，满足我国航天事业发展需要，卢秉恒院士团队潜心研发，克服了多路打印的运动控制、大尺寸结构件打印的变形与应力调控等难题，成功实现了大型航天铝合金回转体构件整体增减材制造成形、组织性能精确调控等关键技术突破，为我国航天型号工程的快速研制提供了技术支撑，亦让我国深空探测装备硬件能力得到大幅提升（延伸阅读可查看国家增材院的相关课程）。 卢院士等人与10m级高强铝合金重型运载火箭连接环 据笔者了解， 2020年第四届中国（西安）国际3D打印博览会暨高端论坛期间，一款名为「大型金属制件增锻减装备」被发布，该设备是齐重数控为西安增材制造国家研究院有限公司开发的大型筒体电弧增材制造装备（国家重点研发计划项目）。3D打印技术参考猜测，本次成功一体化制造的10m级高强铝合金重型运载火箭连接环很可能就是采用该设备制造。 采用激光能量沉积直接制造铝合金构件的瓶颈 当前以SLM技术为主的铝合金3D打印工艺自然无法满足大型构件的制造需求，而激光能量沉积技术为什么没能用于大型整体高性能铝合金关键金属零件的直接制造呢？究其原因，主要有以下几点关键技术难题未能有效解决： （1）与钢和钛合金相比，铝合金的导热率更高，而铝本身的激光吸收率低、反射激光率高，在铝合金激光直接沉积过程中，会有更多的能量通过基体的热传导损失掉，降低铝合金零件成形效率； 激光沉积用于修复 （2）钢的热膨胀系数是铝合金的一半，铝合金激光直接沉积过程中的变形和应力都较大，需要采取零件变形开裂预防措施； （3）铝合金在激光直接沉积过程中极易与氧发生反应生成熔点高（2050℃）、相组织稳定、密度相对较高、难以去除的Al2O3。Al2O3氧化层会在后续沉积过程中形成夹渣、未熔合等缺陷； （4）铝合金密度低，激光沉积过程中易受到激光轰击产生粉尘飞溅，一方面使制品产生缺陷，另一方面造成成形腔室粉尘飞扬，影响打印环境； 激光沉积用于修复 （5）铝合金在熔融的状态下，氢在铝合金中的溶解量会大幅度增加，同时由于良好的导热性，在熔池快速凝固的情况下，氢难以逸出，滞留在熔池中形成气孔； （6）铝合金在激光直接沉积过程中可能造成低沸点合金元素（如Zn、Si等元素）烧损，造成合金成分的变化，影响零件的组织和性能。 无须高能热源、不需气体保护，一种高速成型的铝合金3D打印技术 3D打印技术参考曾介绍过一种被称为搅拌摩擦增材制造的新技术，它完全不基于高能热源，也不需要保护气氛，还能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整体构件。美国公司Meld Manufacturing公司采用该技术打印出了直径3.05米的铝合金零件。 3D打印的直径3.05米的零件 搅拌摩擦增材制造的基础是搅拌摩擦焊技术，它利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。这样的焊接方式没有经过金属的熔化与凝固，只是经过塑性软化和轴向的挤压，连接处在材料性能上存在一定的优势。对于大型铝合金增材制造具有相当的优势。 Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造过程 铝合金棒材在进料过程中通过与搅拌针摩擦生热，发生塑性软化，然后再通过两者的挤压，实现增材过程。在这样的过程中，材料并未经历熔化与凝固而一直保持固态，且过程中的挤压又起到“锻造”作用，最终得到的是性能良好的细晶组织。细晶组织具有良好的机械性能和疲劳性能，且能改善材料的延展性，这也是材料提高强度等性能的原因。 Meld Manufacturing采用搅拌摩擦增材制造的部件 此外，由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加。 END 通过本文我们可以知道，大型铝合金构件虽采用主流的激光沉积制造存在问题，但新型的搅拌摩擦增材制造以及电弧增材制造却均取得了极大成功。 而国家增材制造中心自2016年开始建设，2020年元月份经过了能力的验收，可以提供面向各行业产品开发的解决方案。目前已开展了重大装备的开发，有八款新的增材制造装备研发成功，其中包括“五轴激光增减材复合制造装备”，有望成为国产工业级别的商用机。 注：本文内容来自3D打印技术参考，转载请注明来源。主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.铝合金激光能量沉积技术为何难以实现应用，目前的突破有哪些 2.重磅：国家增材制造创新中心推出“激光增减材复合制造装备” 3.国家增材院课程：金属熔丝高效低成本增减一体化制造技术及应用 4.无须高能热源、不需气体保护，能以10倍速度成型的金属3D打印技术

陶瓷材料在生物医学领域具有极大的吸引力，它们易于灭菌且具有较高的机械强度和耐磨性，在植入体内后也并不会引发过敏，具有生物惰性和较低的导热性，在CT或磁共振成像（MRI）中更不会产生伪影。 3D打印可以实现针对患者的解决方案，包括可吸收和永久性植入物、牙科植入物、牙冠和牙桥、医疗设备部件和手术工具等。骨骼本身可以被认为是高级的陶瓷基复合材料，原则上可以通过3D打印制造。实验表明，这种3D打印的人工骨具有高度的骨再生能力，甚至可以作为液体生物制剂的载体。 当前生物医学应用的重点是新结构，而不是新材料。与传统制造的钛和聚醚醚酮（PEEK）相比，由于减少了机械加工，因此可以预见到3D打印可以减少手术的复杂性，改善植入物的生物学反应并降低成本。 3D打印的陶瓷植入物 当前生物医疗领域使用陶瓷3D打印面临的挑战 医疗行业面临的挑战是需要验证3D打印生产的陶瓷零件。实际上，对于任何临床上可接受的生物材料，都必须满足几个要求：细胞相容性、生物相容性，功能性、手术友好性、可制造性以及成本效益和监管接受度。 生物陶瓷广泛使用3D打印技术的主要障碍包括： ▪ 要求临床医生在制造的所有阶段都参与进来；▪制造过程相对缓慢；▪3D打印的零件需要标准和协议来鉴定和验证；▪对每个零件都有检查的要求。在开发和修改标准方面需要付出巨大的努力，而这些标准应建立在与国际标准组织和药品监督管理部门的合作以及整个生产验证的基础上。然而，到目前为止甚至没有关于生物墨水的通用定义，如生物墨水是否必须包含细胞。 对于零件检验， CT的使用和解释存在疑问，而CT已成为3D打印零件缺陷检测的重要工具。具体问题包括陶瓷中可发现的缺陷类型、使用CT将3D打印生产的零件与其他成形技术进行比较的方法/协议，以及验证关键缺陷尺寸和形状等特征的标准。为了有效的验证，3D打印制造商和用户需要掌握计量指导和标准，以及更好地将陶瓷、3D打印和医疗器械设计整合起来，临床医生也须积极参与3D打印陶瓷产品的开发和验证。 生物陶瓷3D打印的材料种类 1. 羟基磷灰石 羟基磷灰石( HA) 作为骨骼、牙齿的主要无机成分，并在各种组织和细胞之间表现出优异的生物相容性，使其成为应用广泛的人工骨替代材料。但HA强度低、脆性大、易碎，因而对HA制件抗压性、增韧性等力学性能的研究也从未间断。当前实验已经验证了3D打印制备的多孔羟基磷灰石植入人体具备可行性，制件的抗压强度和孔径要求满足作为植入体的要求，且能够实现细胞的粘附和生长。 3D打印的羟基磷灰石(HA)植入物 2. 磷酸三钙 磷酸三钙( TCP)具有良好的生物相容性和可降解性，是目前应用比较多的人体硬组织修复材料和骨组织工程支架材料，但通常由外科医生从实体块手动雕刻成所需的植入物形状。国外Particle3D公司使用由磷酸三钙粉末和脂肪酸制成的“生物墨水”，进行相关植入物的直接打印，通过猪和小鼠的试验显示，在短短八周后，植入物中就出现了新的骨髓和血管。 Particle3D打印的β-TCP植入物 3. 氧化锆 3D打印义齿所使用的陶瓷材料通常是氧化锆，经过对患者牙模的数字化扫描与建模、三维设计、3D打印、脱脂烧结、上釉等工艺加工而成。这种氧化锆义齿的尺寸精度和通透性都较高。国内有公司利用陶瓷3D打印技术制作出氧化锆陶瓷义齿和全冠，产品在2017年通过我国药品监管部门的机械性能和生物学检验，获得上市许可。 3D打印的氧化锆陶瓷牙冠 在医疗中应用陶瓷还有氧化铝、氮化硅等，可用于生产永久性植入物及义齿等医疗器械，目前也已可以通过3D打印进行制造。 生物陶瓷3D打印的应用案例 1. 心脏起搏器泵 维也纳科技大学和维也纳医科大学的研究人员选择LCM 工艺作为心脏起搏器泵的制造方法。研究项目专注于心内泵的生产，该心脏泵旨在支持手术（如心脏病发作）后心脏的抽吸能力，以在关键的愈合阶段缓解心脏压力。 由高纯度氧化铝制成的心脏起搏器泵的部件（注：图中部件比实际放大了10倍以上） 2. 定制接骨板 林茨开普勒大学医院的项目是应用LCM工艺生产患者特异性骨缝合板。骨缝合板用于手术修复骨折部位，以便将骨折端固定在一起，同时固定骨折部位。传统产品由金属材料制成，并且必须由外科医生在手术室中适当弯曲调整。通过3D打印技术就可以生产适合于患者自身的接骨板，大大缩短了操作时间。同时，与常规使用的材料（如钛合金）相比，使用具有高耐磨性和最高弹性的氧化锆可以防止金属颗粒的磨损。   3D打印的陶瓷定制接骨板   3. 用于骨增强的可再吸收植入物 严重创伤或肿瘤切除后的骨替换仍然是医生的主要挑战。一方面，需要尽快恢复骨骼的稳定性和保护功能，另一方面应实现对身体自身骨细胞的良好愈合和定植。为此目的，使用可生物吸收的陶瓷（如磷酸三钙），可以制造患者个性化植入物，例如用于严重颅脑损伤后的颅骨植入物、用于骨结构的支架。这是由奥地利组织再生机构、路德维希玻尔兹曼实验研究所、临床创伤学/ AUVA联合研发项目。 由磷酸三钙制成的植入物，在插入牙科植入物之前进行颌骨增强 用于治疗骨缺损的磷酸三钙颅骨植入物 2018年2月，西京医院骨科开展了3D打印支架长段骨缺损修复的临床试验。3D打印支架由西安点云生物科技有限公司采用无丝3D打印技术为患者量身定制，材料为生物相容性的陶瓷复合材料，能够在诱导患者自身新骨生成的同时逐渐降解，最终被患者的新生骨组织完全替代，无需二次手术取出，降低植入物在体内长期存在的潜在风险。 中国科学院深圳先进技术研究院医工所转化医学研究与发展中心利用先进的低温3D打印技术，制备了乙交酯-丙交酯共聚物/磷酸三钙可降解多孔支架，通过3D打印赋予此产品理想的促成骨仿生结构，孔隙之间具有很高的连通率，这种结构特征在组织学具有理想的骨传导作用，可提高骨细胞粘附、增殖和迁移，促进骨组织的生长。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.航空航天领域应用陶瓷3D打印面临的挑战 2.现在及未来，那些将受益于陶瓷3D打印的行业 3.Fraunhofer开发多材料喷射系统：可同时打印陶瓷、金属等四种材料 4.陶瓷3D打印技术汇总

粒子加速器作为一种广泛应用于化学、物理和生物研究中的实验设备，一直是各国科学家研究的重点。当前世界上最大的粒子加速器——欧洲大型强子对撞机，位于瑞士和法国交界侏罗山地下100米的位置，环形隧道的长度达到27公里，横跨了瑞法两国边境。在粒子对撞实验过程中，为了提高实验的分辨率，必须采用越来越敏感的传感器。而在最新的实验要求中，需要将一条长140m的光子检测条冷却至-40°C，才能提供所需的灵敏度。欧洲核子研究组织的设计和制造人员为此花费了数年时间，终于借助3D打印技术实现了技术要求。 欧洲大型强子对撞机实验装置 -40°C冷却条件的极端设计要求 由于检测条的宽度小于2mm，冷却组件必须在非常有限的空间内均匀地散发大量热量，因此需要极高的设计精度和散热效率。在此背景下，欧洲核子研究组织与3D打印机制造商3D Systems以及荷兰国家亚原子物理研究所合作，采用3D打印技术制造了壁厚仅为250μm的复杂高精度冷却回路组件，成功提高了粒子的监测能力。 44个冷却组件阵列 将长达140m的光子检测条均匀冷却，需要一个与传感器直接接触的冷却系统，它同时需要充当机械支撑，并具有微米级的精度。传感器的对准对于图像重建至关重要，否则会导致生成的照片变形。因此，冷却系统必须温度均匀，而且机械稳定性非常好，其精度是毫米级的数百倍。研究人员最初在尝试解决此问题时虽取得了一些成果，但所设计的冷却系统制造过程既繁琐又复杂，以至于花了一个多星期仅制造了一个元件，而设计的总数量达300个。之后，研究团队的成员提出尝试3D打印技术。 在实验洞穴中安装新的传感器 荷兰国家亚原子物理研究所的团队所构思的系统具有非常严格的要求：通过液体冷却，就要使制冷剂尽可能靠近传感器，因此内壁的厚度必须非常薄，同时又不能泄漏。一旦安装，单个传感器就将无法修复，如果泄漏就会损坏整个检测器。3D打印成为克服该项目带来的技术挑战的关键。在对3D打印市场进行了调查之后，研究团队选择了3D Systems共同开发。 制造精度问题 3D打印面临的第一个问题是确定工件的打印方向。3D Systems所面对的是一个由许多组件组成的设计，研究团队需要从3D打印的角度出发考虑功能和整体设计，不能仅考虑成本，而且要消除由于多个组件相互连接而造成的泄漏风险。对3D Systems制造团队来说最大的挑战是来自对管壁厚度和结构平面度精度的要求，这促使他们重新考虑组件的设计，以及3D打印过程中的方向，而方向是增材制造过程中最重要的方面。因此，有必要了解如何在制造过程中确定工件的方向，以便能够符合非常严格的项目规范，如平面度必须在零件长度上具有50微米的精度。 3D打印面临的第一个问题是确定工件的打印方向 3D Systems的团队通过测试对原有设计进行了迭代，并与欧洲核子研究组织共同合作修改了冷却结构的设计，以满足制造和最终功能的要求。 经优化设计的冷却棒结构具有以下特点： ▪ 极端壁厚：其内部有两个平行的管道进行冷却液循环，0.25mm的壁厚提供了最大的换热效率，而这需要调整工艺参数以达到熔池的稳定性和宽度。▪密封性：对密封性的要求使制造团队选择了Ti6Al4V ELI（23级）。▪平整度：零件必须在263mm的高度上具有50μm的精度。这是通过3D Systems应用工程师针对增材制造策略进行的各种设计以及诸如垂直方向的构建策略建议来实现的。通常，以这种精度水平进行3D打印需要留很多加工余量，然后再进行铣削加工。但壁厚太小，铣削很可能造成厚度减小，从而导致制冷剂泄漏，因此这种方案并不可行。采用垂直方向打印，使零件在平面度方面获得了最高的精度。此时的挑战是确定可实现最高分辨率和精度的激光参数，以确保壁厚厚度为250μm，制造团队通过调整工艺参数达到了熔池的稳定性和宽度要求。 材料的重要性和钛合金的选择 3D Systems建议使用特殊的钛合金制造冷却棒，但是即使材料本身选择也不容易，并且导致了自己要克服一系列的技术挑战。理想情况下，冷却组件使用的材料是铜，但在该项目中，由于设计方面的限制，这不是一个可行的选择。双方团队也尝试采用不锈钢进行打印，但却无法保证冷却组件的密封性，因此最终选择了钛合金。 一旦找到了正确的材料，纠正了设计并改进了制造工艺，3D打印便可以快速进行批量生产。对于欧洲核子研究团队来说，3D打印最大的优势在于，在原型制作阶段之后，通过3D打印可以在三天内生产44个零件，而传统加工在一周内只能制造出一个组件。为了最大程度地提高生产效率，制造团队将完整的冷却杆设计分成两部分，以更好地利用3D打印机的成型空间，最后通过焊接将其链接。最终300个元器件被分为600个组件，总共花费了大约一年的时间制作完成。 3D Systems从原型到生产的过渡和扩展的系统化方法确保了零件打印的简化途径： ▪ 设计策略：最终的冷却棒被一分为二分别相同的两部分，之后通过焊接形成一个完整的零件。这使欧洲核子研究组织能够以最少的组装获得所需的功能、尺寸和质量。▪打印方向：根据设计的几何形状，3D Systems的工程师采用了垂直方向，以便使零件尽可能具有自支撑。▪零件清洁：经过重新设计的冷却棒结构具有平行的冷却通道，可确保在后处理过程中100％去除粉末。 装有传感器的冷却棒。该结构不是连续的，而是像被切成了四个部分，这使它们彼此之间保持一定的柔韧性。检测器必须非常接近冷却棒，定位要求探测器能够轻微变形而不断裂 在实验室中，冷却棒连接到再循环系统 在该项目的实施过程中，3D Systems也增强了对工艺技术的理解。当时之所以选择钛合金，是因为它是制造团队理解最为深入的材料，他们也因此了解到如何使用钛合金满足诸如壁厚或水密性等要求。 将传感器安装在冷却装置上进行实验发现，冷却温度可以已达到-40度。而根据压力测试，冷却棒的使用寿命至少可以达到十年。由于3D打印减少了组件数量，因此冷却棒的结构将更加可靠。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.超制造预期12个月，毅力号火星车的3D打印组件制造有多困难 2.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 3.SpaceX 龙飞船3D打印推力室中的增材设计思维和规则 4.由GE赞助，排名第一的散热器有怎样的结构设计和材料布局 --广告--

截至2021年1月3日，中国“天问一号”火星探测器飞行里程已突破4亿公里，按计划将在一个多月后实施近火制动，进入环火轨道，准备着陆火星。而美国"毅力号"探测器，则规划于2021年2月18日上岸火星。两枚探测器对3D打印技术的应用都是规模性的，此前已有报道“天问一号”安装使用了超过100个3D打印定制的零部件，其中包含相当数量的金属3D打印零件。"毅力号"上采用的金属3D打印零件也有11个，本期我们介绍的重点就是其中5个金属零件的制造过程，它们的制造时间超过预期12个月，攻关团队获得了丰富的经验教训，同时也认识到即使是增材制造也面临着可制造性的挑战。X射线光谱仪（PIXL）位于毅力号2米长机械臂的末端不考虑制造可能性，全力优化设计在毅力号火星探测器上，NASA使用精密X射线光谱仪（PIXL）帮助寻找岩石中古代微生物的生命迹象。其位于毅力号2米长机械臂的末端，如饭盒一般大小，是火星车上的七种仪器之一。航天器任何结构的设计都需要承受发射时的超重，对于毅力号来说也是如此，而且它还要经受硬着陆以及火星巨大的温差导致的金属膨胀和收缩。对于PIXL来说，其外壳结构设计必须能够承受这些冲击。NASA喷气推进实验室（JPL）的工程师在设计仪器套件时，就将100％的精力集中在组件的功能上，并没有考虑在传统技术下的制造可能性。在团队确定了实现所需功能的最佳设计后，他们才考虑如何生产组件，而最终发现，这些设计的某些特征只能通过3D打印技术予以实现。PIXL安装在悬臂的末端，将用于分析火星表面岩石的化学成分X射线光谱仪（PIXL）的外壳结构共由五个3D打印件组成X射线光谱仪的外壳结构共由五个3D打印件组成：大尺寸薄壁前盖、纵深薄壁后盖、具有空心箱形梁结构的安装框架，以及用于X光机的工作台和工作台支架，均是空心薄壁结构。这些零件的壁厚在1-1.1毫米之间，复杂的表面在某些区域向外凸出，而在其他区域则向内凹进，保证PIXL实验包内外的仪器保持间隙。NASA要求供应商交付至少三套产品，一套飞行组件、一套试验台组件以及一套或多套附加组件，以供进行破坏性试验分析。所有组件都必须保持在最大绝对重量以下，否则探测器将无法发射。关键仪器上的任何超重部件都可能导致其他实验失败，因此在权衡整个过程中可能的设计变更时，质量管理一直是头等大事。PIXL外壳由五个3D打印组件组成美国Carpenter Additive公司通过增材和减材生产技术以及创新的表面处理技术，为关键的PIXL组件制定了生产计划。为了制造零件，Carpenter Additive选择使用了电子束粉末床熔融技术（EBM）。激光粉末床熔融技术（SLM）通常被认为在薄壁、精细特征和零件表面质量方面表现更好，而EBM则在较大/较重和较厚的零件打印方面表现出色，这些工艺优势促使团队选择了后者。由于EBM 技术需要高温预热，因此电子束腔室在为期数天的构建过程中，将组件保持在高温粉末中，并在12小时内缓慢冷却，从而有助于消除可能使精细特征变形的残余应力。此外，由于粉末床本身是通过该过程进行半烧结的，因此它可以在构建过程中充当支撑结构。对于PIXL组件，这消除了添加支撑的需要，同时也避免了非常严格的公差风险。Carpenter Additive增材制造技术总监戴维斯表示：“通常当我们评估这两种技术时，在制造上似乎很容易判断哪种技术更好，但这是一场激烈的竞争，EBM技术可能会以非正式的52/48的优势胜出。”基于复杂的零件受力及质量要求，NASA和Carpenter Additive选择使用高强度和低密度的钛合金作为外壳材料，并使用Ti6Al4V 5+级以改善其机械性能。该材料的较高强度和良好的延展性，可保证薄壁零件在高度受力情况下具有至少930MPa的屈服强度和至少15％的延伸率。在零件3D打印完成后，还需要经过热等静压处理，再进行开孔和支撑去除、超声波粉末去除、化学研磨、机械精加工以及最终加工。3D扫描检查对于团队在每个过程步骤之后验证结果至关重要。Carpenter Additive制定了制造计划，该计划将增材制造和减材制造工艺以及各种其他技术结合在一起，并在每一步进行检查戴维斯解释道：“机械加工的过程非常漫长，由于每种后处理的作用都非常明显，需要时常进行检查，制作人员必须知道是否或在多大程度上偏离了最终的零件模型，从而确定后续的处理步骤。热等静压可以使微观结构均匀化，但这是一个高温过程，可能会使零件变形，所以将不得不重新进行三维扫描。去毛刺和喷砂会使表面光滑，但也会改变尺寸特征，因此仍然需要重新测量。”制造人员对每个过程步骤及其可能导致偏离规格的理解以及每个步骤如何影响下一步骤至关重要，这对于零件的成功构建至关重要。比例因子的重要性电子束粉末床熔化过程是一个加热、膨胀、熔化、固结、凝固和收缩的复杂过程。然而，这并不是一个线性过程，制造团队必须确定比例因子，将其作为完成尺寸与模型尺寸比较的平均值。构建温度在初始层中会下降，在构建期间会恢复，而在高层构建中顶层温度将继续升高，这会导致整个构建腔中零件温度的变化。如果不完全理解这些比例因子，并且牢记这一点设计零件，零件在打印过程中的结构特征可能会偏离模型并超出公差范围。由于零件需要旋转以获得最佳打印方向，因此其在每个正交轴上均未均匀地“缩放”。组件上的一个轴的尺寸是打印机中多个轴的组合，因此X、Y和Z的多个比例因子有助于提高尺寸精度。与通常使用电子束熔化制成的组件相比，PIXL外壳零件的薄壁产生的热量非常低，在重新缩放时，初始零件往往被“过度缩放”并且打印得太大。但是，一旦掌握规律，制造团队就可以将其应用于其他组件，从而加快迭代过程。为确保组件满足无故障要求，制造团队需要交付几套零件，这两个前盖组件正要进行热等静压处理支撑的重要性永久性和半永久性的刚性支撑是整个开发过程中许多实验的重点。在粉末床熔融过程中，支撑起到热分流的作用，可以散发热量并促进熔池快速凝固；同时可以防止零件因热应力而移动或变形，对于EBM技术来说，其支持悬垂特征。半永久性支撑在多项后处理操作中可以保护零件，如防止在热等静压过程中薄壁结构变形，在加工关键表面时进行夹紧以及在化学处理过程中悬挂零件等。半永久性支撑结构已添加到PIXL框架中，它可以在后处理中起到重要作用框架的箱形梁存在打印挑战，因为无论如何旋转，总有一根梁完全水平，因此需要设计内支撑顶面。但是，该设计仅允许开设5毫米的孔以倒出内部粉末。在对可移动选项进行了大量试验之后，只能设计永久性支撑，因此使质量增加了几克。经过试验和优化后，在框架的一条腿上打印了晶格结构，以确保它能在打印、加工和火星任务中幸存下来。通过对箱形梁进行实验确定的结果对于更大的框架部件非常重要，这再次使团队可以通过汲取的经验教训来加快迭代速度。X射线图像显示了框架箱形梁内的晶格尺寸和结构的几种变化去除中空结构中的粉末提取任何残余粉末对于避免引入异物损伤（FOD）的潜在来源至关重要。空心X射线台架只设计了一些小孔，孔的尺寸或位置不可改变，因此需要先进的粉末提取技术。利用超声波粉末提取技术，组件上的传感器可以发现内部粉末饼（EBM技术因加热导致粉末间固结）的固有频率，能够将其分解并去除。在制造团队已经清理了绝大部分粉末之后，借助超声波技术又去除了156克粉末。然而，超声过程具有自身的挑战，因为粉饼的自然频率会随着其破裂而不断变化，因此需要重新调整以跟踪固有频率，直到所有粉末被分解并清除。化学研磨有多种用途，如改善表面质量和减薄壁厚，还可以冲洗中空部件，以确保去除所有残余粉末。ENDPIXL组件是Carpenter Additive制造团队遇到的最具挑战性的3D打印任务。零件无法重新设计，并且由于关键的质量管理而无法更改公差。最终，在7.26千克的结构中增加了22克以提高可制造性。除了需要3D打印过程具有高精度外，精加工过程也需要确保精度。最终零件具有0.127毫米真实位置公差和0.8μm的表面粗糙度Carpenter Additive的团队成功地在定义的参数范围内开发了最终装配组件，在此过程中进行了多次迭代，原计划6个月完成的任务最终花费18个月才完成。制造团队通过反复尝试，并在每个阶段适时改进，在经验教训的总结中不断获得进步，由此可见制造任务的困难程度，也使其更深刻的认识到，即使增材制造也面临着可制造性的挑战。后期，我们将介绍“天问一号”上面的金属3D打印应用情况。注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读：1.SpaceX正在招聘增材制造工程师，职责和要求有哪些？2.创新设计：NASA借助AI和3D打印制造spider行星着陆器3.金属3D打印的最佳实践(二)：NASA新材料3D打印工艺开发备忘录4.航空发动机中整体金属构件的增材制造技术应用与发展趋势--广告--