本文内容来源：3D科学谷。 尽管较大的工业热交换器仍采用传统的制造技术，但大多数时候，对热交换器的需求朝向尺寸越来越小，结构越来越紧凑的趋势发展。 金属3D打印-增材制造助力实现越来越小巧的热交换器，在更紧凑的设计中找到了越来越多的应用，例如电子设备、可再生能源应用、制冷循环、燃料电池，ICE电动汽车。本期内容将带领大家一起来领略通往这些更高效、更集成的热交换器3D打印的设计之路。 3D打印-增材制造技术提供的主要好处是增加了设计自由度，这允许更有效的传热，同时减少所需零件的数量。这带来更少的空间占用和更少的材料，从而使设备的重量更轻，且同时可以管理更高的热负荷和功率密度。 CAD建模-更智能 有多种方法可以利用增材制造优势获得更高效的热交换器。到目前为止，最常见的是通过使用点阵晶格结构，针状鳍片和微通道来增加可用于热交换的表面。 胞元填充方面，可以尝试nTopology的nTop平台，在这里通过创成式算法来完成复杂的设计。nTop平台的一大优势是可以实现看智能化的点阵结构自动圆角。当通过点阵技术减轻零件重量时，从DfAM（增材思维）角度看，在点阵晶格和外蒙皮之间建立牢固的连接非常重要（以防止分层）。传统的3D建模过程首先需要选择所有交叉点，然后才能尝试在所有位置创建回合。 软件工程师知道这会带来非常痛苦的工作量，更不用说当新的圆角值根本无法重建时，重建错误的加剧会带来沮丧的情绪。通过启用nTop平台的高级计算方法，可以通过输入圆角值（包括较大的圆角值），消除了对模型故障的担心。 点阵结构填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。对设计进行修改的时候，例如仅在节点，横梁和连接体之间应用圆角或倒圆角所涉及的工作量在使用传统软件工具的时候往往变得“浩瀚无边”。这种低附加值的工作会延缓工程流程，抑制真正的创新，并扼杀组织保持竞争优势的能力。 圆角应用的答案在于自动化，nTop平台提供了自动圆角化的解决方案。由于nTop 平台中3D模型背后的底层数据结构，传统上被视为有风险或脆弱的操作在nTop平台中可以轻松得以实现。 来源：additivalab 除了点阵的应用，针状鳍片的设计几乎总是有益的：虽然圆形和椭圆形鳍片带来的改进或许很小，但金刚石、翼型和矩形鳍片带来的改进很明显。 所有这些特征允许更高的热传递，不过如果不适当地设计，由于与流体流动相反的阻力增加，尤其是点阵晶格结构会损害系统的整体效率。 CAE仿真-驱动设计 仿真驱动设计在热交换器的设计方面体现得尤为明显，利用众所周知的流体动力学公式，对于每个模型都可以追踪总热交换和热交换系数。再次注意到，随着网状结构的密度增加，压力损失和热交换增加。而且，在制冷剂侧，管道厚度的增加对应于通道部分的减小，并因此导致相当大的压降。 提高热交换器效率的另一种方法是增加内部通道中的湍流。在轴向流中产生涡流，有可能创建一个次级正交速度场，从而减小边界层的厚度并促进热交换。这种涡流可以通过扭管或涡流发生器产生。 通过提高粗糙表面方法可以获得传热增强，不过在某些案例中虽然这种方式可以获得高达70％的传热系数改进，但这种方法大大提高了摩擦系数，从而又导致了更高的压降。这样的效果对于具有较小水力直径的微通道变得更加敏感。 来源：additivalab 通过Ansys Fluent来计算各种结构CFD模型中的压力损失和热交换情况。在相同的重量下，某些几何形状在热流体动力学性能方面优于其他几何形状。通常，空气侧压力损失的增加与模型内材料的密度成正比，通常具有更致密的网状结构的几何形状阻碍了空气的通过，产生了局部重要的压力跳跃，增加了总体损失。 通过Ansys的CFD-Post可以定性评估散热器各个点的压力和温度条件，以便能够解释热交换器各个区域中的热流体动态交换行为模型。 通过选区激光熔化技术（SLM / DMLS），可以与热交换器的主体以结构一体化的方式制造出来，而无需组装，并且几乎不需要额外的费用，从而确保将传热系数提高诸如40％或者更高的水平。 开启材料人工智能开发之路 此外，除了几何形状方面的设计考虑，通过3D打印实现更具热传导效率的材料方面的设计是另外一条曲径通幽之路。Intellegens的机器学习工具AIchemite™为波音亞仕得加速器提供最高的热传导性能产品且不降低机械性能要求。其中，Alchemite™人工智能引擎几乎是在最大化热传导性能和抗拉强度的两个方向上寻找到了最佳材料组合。 通过Alchemite™人工智能引擎可以将通常需要2年的材料开发设计过程缩短为3个月。通过调整金属元素的组合，来开发适合性能要求的热交换器。通过Alchemite™人工智能引擎可以将开发过程可视化，持续性的获得开发进展。 除了从设计端发力，另外一个重要的考虑因素是认证。 工业革命以来，热交换器在工程系统中具有长期的应用，这意味着传统工艺制造的热交换器的性能和可靠性的置信度很高，而增材制造热交换器所采用的是新兴的制造工艺和创新性的设计方式，这样的新兴工艺需要更多的资格鉴定数据来支持和加速产品的认证过程。 增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。西门子研究院还推出了基于模型的快速认证技术（ICME），这是一种数据驱动的快速认证技术（机器学习）。如何通过数据、仿真以及人工智能的结合实现数据驱动的认证以打开产业化大门。 工欲善其事必先利其器，在所有创造价值的源头，在所有可能颠覆的源头，不管是CAD,CAE还是人工智能开发新材料组合，算法无疑是最重要的部分之一。 而总体来说，设计出轻量化、高效的热交换器需要对增材制造设计（DfAM）建立基本了解，只有充分的了解设计的理念和制造的约束，才能确保零件的可制造性。

今年6月，投资超过1亿元人民币的宝马增材制造中心正式开业，其部署了来自SLM Solutions、Desktop Metal、HP、EOS、华曙高科等国际知名3D打印企业最为先进的主力设备，试图将公司的原型生产、系列零件制造，以及新的3D打印技术研究和培训集于一身，显示出宝马集团对3D打印技术的高度认可以及预借助该技术改变传统制造模式的决心。宝马增材制造中心拥有超过50台工业聚合物和金属3D打印机，能够承担其全球50%的增材制造生产任务。如此规模的3D打印资源整合，将极大拓展汽车部件对该技术的应用范围。而从装备的选择来看，中心选择的3D打印机均为业内知名企业的最先进设备，有些适合于制造原型，有些则可以制造最终零部件，还有一部分是专门适用于批量制造。接下来，我们通过宝马对3D打印设备的选型来窥探该公司的增材制造技术应用思路。 金属3D打印装备 从金属3D打印机的选择来看，Desktop Metal的桌面机适合于原型零件生产，同时也可制造不需要高强度的工具零件；基于粉末床激光熔融技术的SLM500则适合用来制造具有高精度、高表面质量以及高性能的最终产品，可打印的量虽不一定大，但同样能够加速制造和设计迭代进程；此外，宝马选择Exone粘结剂喷射金属3D打印机很明显是倾向于该技术的快速、小批量、无模和低成本制造能力，其零件性能虽与SLM打印的零件有一定差距，但对于一些如汽车档杆、紧固件等类的产品非常适合。 SLM Solutions SLM500金属3D打印机 Desktop Metal桌面金属3D打印机 Exone基于粘结剂喷射技术的金属3D打印机 高分子材料粉末床3D打印装备 尼龙材料在汽车行业应用极多，不仅可以制造原型，还适合于生产最终用途部件。宝马对相关技术的选择可以看出对现有技术能否实现批量化制造更为青睐。当前主流的尼龙材料3D打印技术当属激光烧结和多射流熔融，华曙高科超大幅面的尼龙高温3D打印机HT1001P，基于连续增材制造解决方案理念设计，让生产效率提升至接近100%；惠普的5200/4200系列更是该公司面向批量生产而开发，从制造中心多台惠普早期设备的情形来看，宝马也将利用3D打印设备集群制造来实现批量化生产。在惠普对射流熔融技术的应用方面，比较知名的案例是借助该技术制造了BMW i8 敞篷版车门的车窗导轨。 华曙高科超大型SLS激光烧结3D打印机HT1001P EOS SLS激光烧结3D打印机 惠普MJF多射流熔融3D打印机 惠普MJF多射流熔融3D打印机 光固化3D打印装备 对于光固化设备的选择，宝马并没有展示传统的SLA技术，而是突出了Carbon基于连续液面数字合成以及Nexa3D的高速光固化3D打印机。前者是业内公认的光固化领域独角兽企业，不仅拥有革命性的打印速度，还开发有多种高性能树脂材料，并在各行各业获得了应用，基于此，宝马成为Carbon重要的投资企业。 Carbon基于连续液面制造技术的3D打印机 Nexa3D快速打印的秘密是它的自润滑光固化（Lubricant Sublayer Photo-curing）技术，其摆脱了光固化技术常见的从下往上缓慢固化的过程。另外一个核心技术是专利的结构化光源矩阵，大大缩短了精密功能部件的3D打印周期。Nexa3D声称其打印速度可以超越Carbon，能够以10mm每分钟的速度连续打印多达16升的零件。 Nexa3D高速光固化3D打印机 END 从金属和非金属增材制造设备的选择来看，宝马中心对3D打印技术的选择可能遵循了几个要点，要快、要能批量制造、质量更需要有保证。无论惠普还是Carbon都声称要与注塑成型竞争，以低成本、快速实现中小批量零件的无模制造，而以Exone为代表的金属3D打印技术也有此特点。 无论如何，宝马的目标是将越来越多的将3D打印技术用于汽车生产，其在2019年通过增材制造生产的零件达到30万个，而其在2019年之前的十年中已经通过3D打印制造了100个零件。此外，我们还看到宝马在流程链中实施了新的自动化概念，这将使宝马能够简化用于批量生产的组件制造过程并加快迭代速度。同时，宝马正在与车辆开发、零部件生产、采购和供应商网络以及宝马的其他各个领域进行合作，以系统地集成3D打印技术并有效地利用。 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.宝马：自2010年以来制造了100万个3D打印零件 2.福特汽车：借助3D打印技术重塑汽车生产线 3.大众汽车：在生产线上使用3D打印机进行车辆生产 4.详述：主流汽车制造商正在如何使用增材制造技术

增材制造现已广泛用于最终用途零件的生产，这一趋势得到了Sculpteo市场调查的证实，有50％以上的公司使用3D打印技术进行最终零部件的生产而非仅用来制作原型。但3D打印通常不是批量生产的首选方法，因为传统手段在交货周期和生产成本方面更具竞争力。然而，如今越来越多的制造商正在考虑通过增材制造进行批量生产。3D打印如何以工业级的体量制造相同的标准化零件？本期，我们展示5个3D打印批量化生产的案例。 1. 阿迪达斯和Carbon大批量生产运动鞋鞋底 2017年4月，阿迪达斯宣布与Carbon达成重要合作伙伴关系，双方共同生产10万双具有3D打印鞋底的Future Craft 4D运动鞋。通过使用Carbon的数字光合成技术，阿迪达斯能够在19分钟内打印出具有网格结构的鞋底。3D打印的网格结构鞋底能够减轻鞋子的总重量并能提供更好的缓冲性和稳定性，从而能够更好的响应每个运动员的运动。 Carbon 3D打印技术可19分钟制造一只运动鞋鞋底 数字光合成技术的生产速度要比采用光固化成型快100倍，这是实现工业化大批量生产的一个重要前提。然而，2018年的3D打印跑鞋全球限量只有十万双，主要是尽管速度快但大规模生产的产能也需要一段时间来建设。而在2019年，阿迪达斯和Carbon年产量百万双的目标就已经达成，而且每一季都会推出新产品，价格也在不断地亲民化。 Adidas3D打印运动鞋 据国外调查机构SmarTech Publishing 2019年的报告，鞋类3D打印将在未来10年内达到63亿美元的市场规模，阿迪达斯、耐克、安德玛、New Balance和锐步已成为该领域的佼佼者。近年来，国内匹克、李宁等品牌也已在该领域发力；同时，国内也有对标Carbon技术的公司，如清锋时代和塑成科技，两家公司在成型材料和打印技术方面都较为领先。 2. 3D打印透明牙套 美国Align Technology公司专注于使用3D打印正畸解决方案，尤其以开发个性化的隐适美矫治器而闻名。它使用3D Systems的SLA打印机来制作患者不同矫正阶段的矫正器牙模，然后以此为模具，通过热塑成型制作出透明的矫正器。目前，隐适美已成为将个性化、批量生产和3D打印相结合的完美典范，其每天可生产超过32万副以上的矫治器，全球治疗的客户超过900万人。 隐适美3D打印透明牙套 3D打印带来的设计灵活性帮助降低了制作过程中的风险。为了避免混淆，每个矫治器都有一个独特的病人ID，通过CAD文件添加到矫治器的设计中，直接通过3D打印技术制作出来。这个唯一的标识符不会泄露任何病人的信息，但允许制造技术人员追踪和管理每个病人的矫治器的生产和运输。 每个病人需要十几到几十副隐形牙套 目前，医疗、牙科领域已成为3D打印技术发展的重要推动力量。医疗产品对个性化定制的需求，为3D打印技术提供了很好的应用基础。美国Align Technology公司的隐形矫正器，是全球应用最广的品牌。近年来在国内，时代天使、上海正雅齿科、西安恒惠也推出了自主研发的隐形矫正器解决方案，在该领域都有着较强的实力。医疗领域除了3D打印矫治器的批量化制造外，还有髋臼杯、牙冠等等。 3. GE增材和赛峰集团燃油喷嘴 GE增材与赛峰公司合作，自2015年开始使用增材制造技术批量生产发动机燃油喷嘴。凭借40多台3D打印机，GE奥本工厂在2017年交付了8000个燃油喷嘴；到2018年底，这一数据已经超过3.3万个；而到2019，该工厂每周可生产800个喷嘴，这在当前增材制造的行业现状下已经属于完全工业化的大批量制造，且其产量还在继续增长。截止到去年11月，新燃油喷嘴的生产数量超过了6万个。 3D打印的leap燃油喷嘴 在这个只有核桃般大小的结构中（喷嘴头），包含了14条精密的流体通道，采用此前的工艺需要将20个部件焊接在一起。而3D打印则实现了该结构的一体化制造，从而将喷嘴的重量比减轻了25%，耐用度提高了5倍。基于此，GE将零件的库存减少了95%，并将组件的制造成本降低了30%。对于GE而言，这是3D打印加快生产、降低成本和缩短交货时间的最知名案例之一。 国内设备商打印的航空燃油喷嘴 近年来，国内中科院、西工大、南科大、中国航发等单位针对燃油喷嘴的组合设计和增材制造研究也取得了很大进展。这些进步不仅包括结构设计方法和制造工艺，还涉及抛光等后处理方案以及可靠性验证研究。经过优化设计和SLM成形的喷嘴壳体简化了装配和焊接等加工工序，缩短了制造周期，流道成形精度高，达到了减轻重量和改善性能的目的。 4. 香奈儿：3D打印的睫毛膏刷已突破1700万 相比运动鞋和发动机喷嘴，睫毛刷这个应用似乎不值一提，但具体到一个公司的一件重要产品来讲，它的价值却是巨大的，何况它又是女性产品。 3D打印睫毛刷的专利是由香奈儿于2007年首次提出的，经过差不多10年的研发，才正式进入大规模生产。2017年，香奈儿的睫毛刷生产线有六台3D打印机，每天可生产50000支刷子，这相当于每周打印25万支刷子，每月总数可高达100万支。而到如今，该生产线已经有15台打印机，并且可以7*24小时不停歇运转，其3D打印的睫毛刷数量已达到1700万个。 采用激光烧结工艺3D打印的睫毛膏刷 香奈儿睫毛刷采用激光烧结3D打印工艺，材料为尼龙。据研发团队介绍，在模型制作的时候，3D打印可以使设计师绕开昂贵且耗时的传统模具制造过程，还可以通过对100多个原型进行微调，极具经济高效的特点，而最终定型的睫毛刷结构使用常规手段则无法制造。继第一款产品VolumeRévolution之后，香奈儿决定进一步发展，推出了EYE，这是一种新的3D打印睫毛刷系列，其中包括10个专用笔刷。 香奈儿3D打印睫毛刷系列产品 其他：3D打印防疫用品 虽然欧美疫情持续不见好转，但3D打印还是在抗疫方面发挥了巨大作用，已有多家3D打印公司将本公司的技术用于用于医疗领域。Carbon每周生产的鼻咽拭子和防护面罩分别超过100万支和18000个；Formlabs则使用250多台内部3D打印机，每天生产多达15万支检测拭子，Markforged的生产规模也扩大到了每天10万只。英国的Photocentric公司则采用光固化技术进行呼吸器兼容阀门的打印，每周的生产量达到4万个。这些例子说明在紧急情况下3D打印可以快速反应。 Formlabs每天生产多达15万支检测拭子 END 有人说3D打印批量化生产是一个伪命题，这项技术只适合于做个性化产品。但从上述的这些案例却可以得出结论，对于特定的、只能由3D打印制造的产品，可以实现批量化制造；即便个性化的产品，如牙齿矫治器、髋关节等，也同样具备批量化生产的场景。 3D打印的批量化生产，离不开可以支持这一趋势实现的设备。如今，无论金属还是塑料，都在无论是尺寸还是速度亦或是具体工艺方面打破3D打印速度慢、成本高的弊端，其目的之一便是力图破解3D打印的批量化制造难题，而以后基于该技术批量化制造的案例也会越来越多。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.新一代增材制造 : 金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功 2.金属3D打印批量化制造品牌总览 3.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 4.Desktop Metal上市业界最经济高效、最高分辨率的中量产解决方案

Stratasys Direct Manufacturing，是Stratasys所设立的3D打印及传统制造服务机构，拥有6种增材制造工艺和3种常规制造技术。其目标是通过不断突破极限并改进制造技术，帮助用户革新产品开发能力。为了满足主要行业对准确性和可追溯性的需求，Stratasys Direct的工艺和制造工程师对每项技术都深入了解，形成了包括工艺、检验和材料在内的综合数字可追溯性质量管理生态系统。作为金属3D打印领域的明星企业，VELO3D以无支撑制造和Assure过程质量控制系统闻名，为了检验后者是否确如官方宣传那样有效，Stratasys Direct花费12周时间对Assure质量控制系统进行了现场测试评估，验证了该系统对构建监控完整性、材料性能预测准确性以及过程数据的采集效果。 VELO3D多方位的质量保证体系 基于制造过程的质量跟踪系统 3D打印虽然在原型制造领域已经使用了数十年，但是其转向最终生产的速度却非常缓慢。3D打印的单个零件可能能够满足要求，但从单个零件到批量生产一直存在挑战，这是因为终端用户对3D打印过程的质量控制一直缺乏信心，而服务商又难以证明零件的安全性。 当前验证零件是否合格的主要方式是对产品进行破坏性测试，这对于生产制造而言无疑太过昂贵。建立制造过程的质量保证体系可谓是解决当前瓶颈的有效手段。 在粉末床激光熔融技术中，金属零件逐层打印。每一层可能具有数百万个像素或图案填充，每个零件通常由数千层构成，这就产生了数十亿个数据点—从而具有巨量的引入缺陷的机会，但也有机会使用正确的计量和软件套件来测量打印的质量。Aursure作为VELO3D Sapphire（蓝宝石）打印机的质量跟踪系统，提供直观的用户界面来解释大量的多传感器实时过程数据，跟踪系统的健康状况，并对零件质量进行预测，增强用户对材料性能的信心。 蓝宝石打印机在每次构建之前会对系统进行“预检”检查，确保各项参数都在规格范围内，预检和自动校准的项目包括： 整个构建平面上的光束大小 多激光叠加精度 光学窗口镜的清洁度 粉末床平整度 传感器校准 在构建过程中，系统会验证关键参数（如粉末床、其他耗材、打印室内的气氛和光学器件）是否符合规格。系统会跟踪每一层的熔池数据并验证该层是否在公差范围内，在每一层之后，系统会检查前一层是否有任何凸起。总而言之，这些检查可以验证蓝宝石打印机的工作状态是否良好，并验证部件具有可预测的统一属性。 用户可以通过Assure系统实时查看数据，并且可以在每次构建后的报告中对其进行汇总。 评估质量保证系统的有效性 任何增材制造质量跟踪系统的最终目标都是支持制造符合规格的零件。VELO3D的Assure系统使用基于物理的实时偏移检测算法来预测每个零件的材料特性。Stratasys Direct与VELO3D的工程师合作，通过将缺陷引入测试零件中，进行实际检测来验证Assure质量跟踪系统对在生产环境中的有效性。 通过减少氩气流、改变激光焦点和粉末床厚度来引入缺陷。在每个实验期间，都有对照样品作为评估基线。每次构建后，将零件沿X-Z方向切割成1-2mm的样块。使用Nikon XT V 160 X射线系统测量整体孔隙率。图1显示了含缺陷和不含缺陷的样品的X射线图像。 图1.正常打印与故意引入缺陷的X射线图像 两家公司共同收集了Assure的数据集以及零件的实际性能数据，以用来评估Assure的预测结果与观察到的实际零件性能的相关性。通过持续分析熔池数据并将其与多个生产运行因素相关联，工程师可以实时生成具有统计意义的现象规律。 VELO3D的工程师制作了一个测试结构，其形状类似楔形（20mm x 41mm），尺寸较小，跟随Stratasys Direct的实际生产任务一起执行。这些测试结构在垂直方向“堆叠”形成一个塔楼，每项验证建造都有两个测试塔，每台激光器分配一个。将这些楔形物从构建板上取下后可以用手将其分开。样品的几何形状如图2所示，其设计便于进行破坏性测试。 图2.将测试结构添加到生产任务中进行破坏性测试 将Stratasys Direct和VELO3D收集的数据一起绘制，图3显示了Assure孔隙率预测值与实际整体孔隙率结果之间的相关性。在生产条件下，Stratasys Direct的蓝宝石3D打印机所制造的零件致密度非常高（由空心的蓝色方块表示），对光束尺寸的调整并不足以引入缺陷（两个蓝色实心数据点位于无空隙区域），而对氩气流量的调整则出现了大量孔隙。 图3.在Stratasys Direct上运行的体积/孔隙率（x射线）与assure孔隙率预测的对数/线性图这意味着蓝宝石打印机的激光光斑尺寸处理窗口很大。数据表明，Assure质量控制系统对于孔隙率的预测和实际测量值是一致的。 Assure对于生产任务的孔隙度预测结果如图4所示，很明显，这些零件的预测缺陷率相对恒定，并且在所有层中都很低。唯一的偏差发生在865层的496号样件。随后对打印中断的分析表明，该层出现了紧急停止事件，需要重新启动打印。该中断在Assure孔隙率预测数据中清晰可见，显示为异常熔体。然而，X射线分析表明，该层未出现任何熔合缺陷，表明熔合过程的偏差不足以导致缺陷。 图4.Assure对每层孔隙率的预测数据 未来工作为了充分利用孔隙率预测作为零件质量的评价标准，Stratasys Direct希望制作一个具有两个轴的四象限图：一个代表实际体积孔隙率，一个代表预测孔隙率。理想情况下，目标材料特性线以上的所有数据点都应显示高于已建立阈值的预测水平。 但是实际的测量结果显示，可以建立这种相关性，但无法创建确定的线性阈值，也即大体趋势是可以预测的。Stratasys Direct团队和VELO3D将继续合作，完善传感器数据处理算法，以期实现更精确的测量。 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.金属3D打印过程监控技术的监测数据和措施有哪些 2.Velo3D 的质量保证体系有哪些 3.VELO3D无支撑金属3D打印材料性能数据报告 4.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

据外媒7月份的消息，美国陆军研究实验室（ARL）的作战能力发展司令部已向美国领先的3D打印机制造商3D Systems授予了1500万美元的机器开发合同，后者将与国家制造科学中心（NCMS）合作，开发“世界上最大、最快、最精确的金属3D打印机”。上周，该项目公布了许多新细节。该金属3D打印系统需要配备9台激光器，成型尺寸达到1m x 1m x 600mm，将用于满足武装部队的弹药、地面车辆、直升机和导弹防御需求。除了系统本身之外，3D Systems还在开发补充材料、软件和服务，以提供更全面的产品。 九激光系统将用于制造陆军武器系统的金属零件，来自美陆军 ARL的高级制造、材料和流程计划经理Stephanie Koch指出：“当我们着手这个项目时，我们需要一种更快的方法来生产主要地面战斗子系统的关键部件。迄今为止，该项目所取得的进展是巨大的。我们期待在未来几个月内逐步开发出全面的生产解决方案，该解决方案将实现新功能，以解决转型过度的问题。”在陆军进行安装后，该技术将提供给领先的航空航天和国防供应商。 用于大型金属3D打印系统的高级光学器件 到2020年10月，新系统的第一份测试打印已经完成。该机器的关键部件基于3D Systems成熟的DMP系列打印机来选择，其光学系统能够为九个激光器中的每一个提供单独的熔池监控系统，从而改善零件质量控制。由于采用了几乎相同的光学系统，因此新机器还能够利用公司现有的材料工艺库。 3D Systems还将六台高对比度单镜头反光（SLR）摄像机集成到机器的构建室内，从而可以进行现场监控。摄像机提供了自顶向下的视图，这意味着用户不需要执行图像处理过程。除了粉末床图像外，该系统的固件还可以捕获传感器数据、位置数据和熔池数据，并将所有数据整理到SQL数据库中，以待全面了解零件质量。 3D Systems的联合创始人兼CTO Chuck Hull补充道：“ 3D Systems秉承创新精神，我们的客户在推动这一过程中发挥了关键作用。我们与ARL的合作使我们能够加大研发力度，在使ARL达到其目标的道路上实现了许多行业首创。我们在该项目的第一阶段所取得的成就将为下一阶段提供动力，这将有助于我们帮助ARL扩展其能力并巩固其供应链。” 提高材料效率 与传统的PBF 技术不同，3D Systems将采用选择性粉末沉积工艺，仅通过在需要的地方沉积材料来减少粉末的使用。3D打印技术参考猜测该技术可能与Aerosint混合材料铺粉系统类似，其在打印过程中采用两种不同的粉末，其中一种廉价粉末用作支撑材料，这种方法可以减少在打印非常大尺寸零件时所需要的金属粉末的用量。该系统的打印基板同样可以预热，以减少热应力并提高沉积质量。 Aerosint选择性粉末沉积技术使用特殊装置来沉积两种或多种材料 3D Systems在打印前对构建室抽真空能够排除粉末中的氧气 此外，该公司将继续采用真空构建室，氧气含量保持在25ppm以下（大多数传统金属3D打印机中氧含量约为500-1000ppm），氩气的消耗大约相当于其他类型金属3D打印机的十分之一，从而使零件具有较高的化学纯度，还可以显著降低机器运行期间氩气的总购买成本，并通过提高粉末的可重复使用性来节省总成本。 该项目自2018年10月就已启动，但官方并未指出项目何时结束。从目前的趋势来看，多激光、超大型金属3D打印的时代或已到来。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中文视频：SLM Solutions上市12激光、20倍速NXG XII 600金属3D打印机 2.重磅：Velo3D 推出8激光器超大幅面金属3D打印机 3.GE增材：金属3D打印中气流（风场）设计的重要性 4.中国航天科技集团首席信息官：金属增材制造技术在航天领域的应用(视频)

按照传统制造工艺，在最终用途零件进行批量生产之前，通常首先采用CNC加工来制造金属原型来进行装配和功能测试，然后再通过其他工艺进行批量生产。金属3D打印作为一种新型便捷的制造工艺，加工出来的零件性能与传统零件相当，甚至更好。GE Additive开发的3D打印燃油喷嘴就是最为知名的应用案例。它将20个零件组合成一个单元，几何形状过于复杂以至于无法通过传统工艺制造，3D打印将其实现了一体化成型，并减轻了25％的重量。3D打印仅是整个制造过程最前端的环节 然而，3D打印仅仅是整个制造过程的其中一环，将金属3D打印提升到更高生产水平的一个重要要素是后期处理，包括后期加工选项、材料可追溯性、检验报告以及相关认证，以确保高质量零件符合最终用途和行业标准。 通过机加工满足关键特征要求   3D打印后的CNC加工可以实现高要求零件所需的更严格的公差，同时还能满足增材制造的设计自由度。 通常，SLM打印的零件公差为±0.003英寸（0.076毫米），经过后处理CNC精加工后可达±0.001英寸（0.0254mm）。与大多数3D打印过程一样，使用线切割机床或带锯将零件从构建基板上取下，并用手动工具去除支撑，对于需要更严格公差的关键特征，机加工能够满足要求。 与SLM打印后的情况相比，精密加工可在制造后实现更严格的公差和更好的表面质量 此外，后期加工也可用于提高表面质量。3D打印金属零件的标准表面粗糙度范围为5-10 µm，具体取决于方向、材料和层厚度。后期加工可以实现最高2μm左右的表面粗糙度。CNC加工的更高精度非常适合制造精确的孔和螺纹。 通过粉末分析和材料可追溯性进行质量控制   随着航空航天和医疗等受到严格监管的行业将3D打印作为最终用途制造工艺，对于粉末材料的分析和可追溯性变得至关重要。 通过按照ASTM标准采购材料并实行单批次跟踪，材料质量控制在打印过程开始之前就开始了。材料采购后还将进行频繁的粉末测试确保符合ASTM规定的化学成分。除遵循这些流程外，粒度分布测试也被包括在其中，同时也会记录源粉末的分析和机械测试数据。 通过热处理强化零件   对3D打印的零件进行热处理可以消除应力、降低潜在的变形和开裂风险，同时还可以使最终用途部件韧性更好、更加耐用，提高材料的综合力学性能。常用的热处理手段包括去应力退火、热等静压、固溶退火和时效处理。 SLM过程中发生的快速加热和冷却可能会增加零件内部应力，因此每个SLM零件都需要按照ASTM 3301标准进行应力消除处理。专门的热处理技术如热等静压（HIP），通过在高温条件下施加均匀的压力可以消除大部分零件内部空隙，为减少故障提供了另一种控制方式，这是航空航天应用的普遍要求。 对3D打印的零件进行热处理 退火是最终用途SLM零件的另一种热处理选择。此过程将零件加热到高温，然后迅速冷却，从而改变了零件的实际微观结构并提高了延展性。时效提高了零件的疲劳强度，使其可与锻造材料媲美。 机械测试可以在热处理后进行，确保生产零件的机械要求得到满足。相关测试通常包括拉伸强度、洛氏硬度、疲劳和振动等。 质量保证和检验报告   为了确保具有高要求的零件符合严格的标准，需要提供许多质量检查选项来评估零件的几何结构、材料组织以及尺寸特征，检查零件是否在公差范围内并具有所要求的内部结构。根据具体零件和注意事项，可以通过坐标测量机（CMM）、光学、CT扫描以及X射线来实现。质量报告和认证有助于根据行业标准验证零件，这在具有行业特定要求和高度安全考虑的行业（如航空和航天）至关重要。 GE Additive指出，航空和航天是增材制造应用最为激进的领域，其产品以具有很长的寿命周期和极高的安全要求而闻名。有些零件在起飞和着陆期间，或在遭遇空气湍流的情况下将面临高水平的热负荷或机械负荷，这也是大多数部件要求制造档案的一个重要原因。 3D打印的航空发动机部件与传统制造部件对比 这些高安全性和质量标准通过AS9100（航空器、航天和国防工业的国际管理标准）进行监管。该标准为供应商提供了全面的质量体系，以向航空航天和军事实体提供安全可靠的产品。制造商可以按照AS9100质量管理体系的AS9102报告进行SLM生产零件的首次物品检验（FAI），验证最终零件是否符合原始图纸、采购订单以及其他注明的规范。 总而言之，金属3D打印的后处理可改善尺寸精度、表面粗糙度和机械性能。生产高质量零件不仅限于3D打印的制造过程，附加的后处理为高要求的最终用途零件提供了高级选项。 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.GE Additive：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺 2.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？ 3.从磨削到精加工：增材制造的后处理解决方案 4.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性

10月15日，美商务部再将六项新兴技术添加到《出口管理条例》的商务部管制清单中，其中包括混合增材制造、光刻软件和5nm生产技术。至此，受到出口管制的新兴技术总数已经达到了37项。美国商务部在官网发布公告中写道：“此举是为了支持关键及新兴技术这一国家战略”。实际上，就增材制造技术而言，我国早也已经将同类技术纳入了“中国限制出口技术目录”。 公告指出，最新商业出口管制中的新兴和基础性技术的出口将对美国国家安全起到至关重要的作用，这六项新兴技术为： 混合增材制造/计算机数控工具 特定的计算光刻软件 用于为5nm生产精加工晶圆的某些技术 有限的数字取证分析工具 用于监测电信服务通信的某些软件 亚轨道航天器 所谓混合增材制造，是将增材和减材集于一体的新型制造方式。它主要采用激光熔融与CNC加工相结合，可以用工业机器人、3轴或5轴联动切削加工机床、商业化的SLM机床等相结合，通过独立的增材与减材机器（机器人交换工件）、将增材制造装置安装在主轴上（无刀库）、在机床上安装永久性的增材制造头、或者是在商用SLM机床上进行设备重构来实现。本文叙述的重点主要包含前几项。 国外增减材混合增材制造设备及重要应用   金属增材制造技术在加工精度上与传统加工相比较低，因而受到极大限制。将增材制造与传统加工工艺有机地集成起来，成形件加工完成后无需后处理即可直接投入使用，大幅缩短了制造时间和生产成本，还可拓宽原材料范围，减少生产过程中切削液的使用，实现绿色加工。近年来，增减材混合加工工艺与装备不断涌现，在提高制造精度，增大制造尺寸、提高生产效率等方面取得多项进展。 1. 洛马公司建造世界首台多机器人增减材混合制造系统 几年前，洛马建成了世界上首台“多机器人增减材混合设备”，该设备由两个机器人串行工作，具备增材制造、减材加工和工艺过程监测、尺寸检查、热测量等多种功能，适用于多种材料加工，能够显著提升大型复杂结构的制造效率，降低制造成本。 洛马公司多轴激光束沉积打印机 洛马公司增减材制造的卫星燃料箱体 2018年，洛马公司使用电子束增减材制造技术生产了迄今为止最大的3D打印空间零件—卫星燃料箱体。采用该工艺，使部件减少了超过80％的材料浪费，并将总交付时间从两年减少到三个月，同时部件经过了严格的质量测试，使其能够承受严峻的发射和长达数十年的空间真空任务。目前，该部件已作为标准件用在了LM 2100卫星平台上。 2. Relativity Space世界最大金属3D打印机，一个手臂打印，两个手臂切削 在本月Relativity Space最新的在线讲座中，其工程师介绍了该公司的世界最大的“Stargate”的3D打印机。它基于定向能量沉积技术，拥有三只庞大的机械臂，一只用来熔化金属丝进行增材制造，另两只则用以进行减材加工。依赖智能数据驱动和机器学习控制算法，该打印机可协作进行增材和减材加工以制造复杂几何形状。 三只机械臂，一只进行熔丝增材制造，另两只用来进行减材加工 Relativity Space分别拥有若干台可以打印15英尺（4.5m）、20英尺（6m）甚至30英尺（9m）的“Stargate”的3D打印机，可同时打印第一级和第二级火箭以及整流罩。 Relativity Space世界最大金属3D打印机 尽管火箭通常由数千个单独的零件组成，但Relativity Space公司设计的零件却合并了一些部件，他们的火箭零件数量是同类火箭的零件数量的1/100（Terran 1火箭只有730个零件）。目前，Relativity Space可以在30天内打印出整个整流罩，能够在短短60天内生产出整枚火箭。 3. DMG MORI多金属增减材复合制造 DMG MORI公司独特的混合式（增材制造与传统制造结合）加工解决方案，是一项令众人瞩目的技术，它将铣削加工技术与激光金属沉积加工工艺结合在一起，应用于一台具有完整铣削功能的激光熔覆加工机床上。 灵活结合增材制造与铣削加工，生产成品质量的3D工件 LASERTEC 3D hybrid是DMG MORI推出3D打印混合制造打印机，这台“机床”中融合了5轴喷粉堆焊和5轴联动铣削加工技术，可交替进行堆焊、铣削以及车削加工。 增减材一体实现 DMG增减材一体设备制造的火箭发动机部件 但基于激光堆焊的增减材一体制造工艺不仅可生产非常复杂的几何形状，而且同时可解决3D打印的表面质量问题及材料复合问题。2019年5月，卫星发射公司Virgin Orbit采用DMG MORI增减材一体式设备为NASA打印了发动机燃烧室，其内衬采用GRCop-84铜合金，外部为镍基高温合金，其结构与材料与传统设计完全相同，制造工期则节省了数月时间，热火试验更证明了基于该工艺制造的复合材料部件与传统制造的性能相一致。 除上述公司之外，能够开发增减材混合制造设备的国外知名公司还有Optomec、沙迪克、Mazak等公司。篇幅所限，不一一赘述。 国产增减材混合增材制造设备，已被纳入禁止出口名录   2020年9月，国家增材制造创新中心重磅推出了“五轴激光增减材复合制造装备”，能够实现增材成形和减材加工的自由切换，完美呈现精密复杂结构零件精整加工，满足增减材复合制造及修复再制造的需求。对于具有内腔、内孔、内流道的复杂零件，在工艺制定阶段，可以将其分段制造，逐段增材、逐段切削，实现内腔的加工来保证质量。 国家增材制造创新中心“五轴激光增减材复合制造装备” 武汉天昱智能制造有限公司与华中科技大学合作开发的微铸锻铣一体化增材制造机床（点击），是针对航空、航天等行业对大型钛合金结构件的一体化制造需求而研发的，集成了电弧 / 等离子弧快速成形、柔性微型轧制、数控加工、惰性气氛保护等多种技术于一体，在熔积成形过程中对熔积工艺参数、熔积层表面形貌、制件冶金质量进行在线实时检测，对于在增材成形过程中产生的表面裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷的无损检测，采用多种无损探伤集成装置，判定缺陷的大小、位置、性质和数量；采用快扫红外热像仪测量成形件的温度场和热循环曲线、视觉成像分析诊断系统，监测电弧弧柱特征和熔池形态，并进行数控减材加工，达到制造件的质量要求。 武汉天昱微铸锻铣复合增材制造机床 微铸锻铣复合制造技术由于突破了增材技术无法制造锻件的瓶颈，一经问世便获得了GE、空客、商飞、西飞、成飞等大型企业的高度关注，并展开了相关合作。目前，该技术也已被列入“中国限制出口技术目录”。 此外，国产增减混合五轴加工中心相对于国际同类装备具有更高的性价比。大连三垒机器股份有限公司研发的 SVW80C-3D增减材复合五轴加工中心，是金属喷粉激光熔融与立式加工中心复合机床。采用2kW光纤激光器，工件最大回转直径1000mm，工作台最大承载850kg，主电动机最大功率36kW，主轴最高转速12000/min ，X/Y/Z 轴行程800mm/800mm/600mm，X/Y/Z 快移速度48m/min，A/C 轴转动范围±120°/360°。 国产增减混合五轴加工中心SVW80C-3D快速制造复杂零件 除上述知名企业外，国内可开发增减材混合制造设备的公司还有北京机电院机床有限公司、上海航天一亘智能科技有限公司、青海华鼎装备制造有限公司等单位。 END 由以上国内外增减材混合制造设备的研发现状可以看出，国外针对增减材混合制造的研发起步早，已出现了一批商业化的增减材混合制造机床。国内针对增减材混合制造的研发起步较晚，但是研发势头较强，正在迎头赶上，而且还出现了国外所没有的一些特色增减材混合制造机床。随着增减材复合制造技术的发展和逐渐成熟，将涌现出越来越多功能强大的复合制造设备，涵盖越来越多的应用领域。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度 2.3D打印铣床—混合制造的特点与优势 3.3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 4.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

在《南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战》一文中，我们已经介绍了顾冬冬教授关于航空航天领域高性能金属材料的综述，以铝、钛为代表的轻质高强合金，以及以Ni基高温合金为代表的承载耐热合金，是激光增材制造中重要的应用材料；轻量、大型、整体及复杂结构则是增材制造主要的发展方向，这其中包含了非常多复杂而先进的科学问题。本期，我们继续跟随顾冬冬教授的脚步进行深入学习。 一、大型金属构件的激光增材制造 应用于航空、航天、船舶、核电等现代工业的大型金属构件正朝着复杂化、一体化、高性能化方向发展，激光能量沉积技术已证实可满足大型金属构件的成形要求。然而若要在钛合金、镍基高温合金、高强钢、难熔合金等难加工金属材料大型关键构件上获得更广泛的工业应用，仍需进一步解决两大关键难题： 1. 高能激光长时间剧烈非稳态循环加热和高速冷却条件下，成形材料的晶粒形态及显微组织很难控制，以凝固晶粒、内部缺陷及显微组织为核心的冶金质量和性能控制是激光增材制造大型金属构件的基础难题； 2. 激光增材制造过程中热应力、组织应力、凝固收缩应力等多种类型复杂应力的累加与耦合，易导致大型金属构件变形，甚至开裂，大大制约了大型金属构件激光增材制造的控形与控性。 有研究指出，增材制造技术实现工业应用的最大障碍是成形件中的热应力及多种结构缺陷。北京航空航天大学王华明院士认为，内应力及变形开裂是长期制约金属构件激光增材制造技术发展的瓶颈。钛合金密度低、比强度高、耐蚀性强，已被广泛应用于飞机发动机构件、主承力构件、起落架等，但其较差的加工性能制约了它的工程应用范围。 经过多年研究，王华明院士团队突破了飞机钛合金大型主承力构件，TA15、TC4、TC11等大型复杂整体结构主承力飞机钛合金加强框及 A-100超高强度钢飞机起落架等关键构件的激光增材制造，并实现了主承力构件的装机应用。 大型整体金属构件的激光熔化沉积制造 (a)钛合金飞机大型关键主承力构件；(b)航空发动机梯度性能钛合金整体叶盘；(c)轮盘-叶片梯度过渡区的凝固晶粒组织　 西北工业大学黄卫东、林鑫教授团队面向中国C919中型客机的需求，利用激光能量沉积技术制造了TC4合金体系C919飞机翼肋缘条，其长为3100mm，探伤和力学性能测试结果皆符合中国商飞的设计要求。 (a)LMD成形C919钛合金翼肋缘条 (b)SLM成形钛合金风扇叶片包边 (c)SLM成形镍基高温合金发动机机匣 此外，近年来大型SLM装备的发展为结构更为复杂的大型整体金属构件的成形开辟了新途径，基于SLM成形的钛合金风扇叶片包边长度可达1200mm，具有复杂的空间曲面结构，且成形尺寸精度较高；基于SLM成形的镍基高温合金发动机机匣尺寸达到了Ф576mm×200mm，为发动机关键零部件的设计、制造及应用验证提供了重要的技术支撑。 二、复杂整体结构的SLM制造 随着航空航天领域对热端部件服役性能要求的日益提高，整体结构的设计与制造越来越受到重视，内含复杂内流道、多孔点阵等难加工结构，已超出了传统工艺的制造能力，而基于SLM技术可使这些复杂整体结构的快速制造成为可能。 整体结构的增材制造技术已证实对未来空间探索至关重要，NASA提出了火箭发动机核心部件“制造速度提升10倍、生产成本降低50％以上”的目标。其采用SLM技术实现了氢火箭助推器的整体制造，继而实现了结构减重、制造效率和服役性能的显著提升；火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件的打印和应用是其近年来的另一项成功实践，该案例克服了铜材料的高反射和微细流道结构优化以及激光增材制造成形质量的多重挑战。这种大型复杂结构的整体制造，为增材制造技术的发展提出了更高要求。 NASA基于SLM成形的铜合金整体构件及性能测试。(a)NASA和AerojetRocketdyne公司开展的激光增材制造构件点火试验；(b)火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件 美国GE公司基于SLM技术研发了发动机新型燃油喷嘴，这是近年来复杂整体结构增材制造航空工业应用最为著名的案例。燃油喷嘴作为典型的复杂装配体，无论是成形制造还是装配组装，工序多、工装多、耗时长、成本高，且加工精度及稳定性很难达到使用要求，对于传统制造技术来说都是一大挑战。针对这一难题，GE公司采用SLM技术加工IN718镍基高温合金，实现了燃油喷嘴的整体设计与制造，将原先20个小部件的“组件”变成一个整体的构件。这不仅消除了不同部件之间冗余的连接结构，还对燃油喷嘴结构进行了优化。最终整体设计制造的燃油喷嘴实现了25％的减重效果，同时缩短了制造周期，降低了生产成本，且使用寿命提升了5倍以上。 GE公司基于SLM技术制造的航空发动机燃油喷嘴构件。(a)先进涡桨发动机(ATP)；(b)燃油喷嘴在发动机内的工作原理；(c)激光增材制造燃油喷嘴构件 三、轻量化点阵结构的增材制造 对于航空航天飞行器而言，减重是永恒的主题，而传统制造方法已将零件减重的可能性发挥到了极致。将点阵结构优化设计与增材制造技术相结合，可使构件具有高比强度和高比刚度等优异的力学特性。激光增材制造因具有叠层自由制造的工艺特性，赋予了复杂轻量化结构极高的设计及成形自由度，可成形传统加工方法难以成形的轻量化复杂点阵结构。 点阵结构在多领域广泛应用 近年来，激光增材制造成形复杂轻量化点阵结构已成为热点研究方向之一，为航空航天等领域轻量化金属构件性能及功能的突破带来新契机。传统经典结构、创新结构以及基于拓扑优化的点阵结构都能为构件性能提升带来突破。 增材制造技术在航空航天点阵结构产品设计与制造领域已展现出一定的发展与应用潜力，并以轻量化和高性能作为主要考核目标。而且，激光增材制造点阵构件已在国际民航客机制造领域获得了实际工程应用。空客公司基于SLM技术设计和制造的仿生点阵结构机舱隔板，在成形材料上选用新型轻质高强铝合金，该在结构设计上基于生物启迪实现了跨尺度仿生点阵结构设计，在宏观尺度上基于“黏菌自适应网络”算法实现了主体结构设计，在微观尺度上则借鉴了骨骼生长的生物灵感，完成了超过66000个网格的排布，实现了微观网格稠密度与应力分布相匹配，最终使得跨尺度仿生点阵构件较原蜂窝复合材料隔板结构在相同冲力下的位移减少了８％(９mm)，有望批量应用于A320客机上。 空客基于SLM技术设计制造的新型仿生点阵结构机舱隔板.(a) 机舱仿生隔板结构图 ;(b) 机舱仿生隔板实物图 ;(c) 跨尺度仿生结构设计 ;(d) 机舱仿生隔板零部件选区激光熔化成形实物图 四、多功能仿生结构的增材制造 激光增材制造的金属构件正从高性能向多功能发展，Nature以“推开3D打印的限制”为题发表评述指出，材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展，并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”，道法自然，突出生物仿生、生物灵感，以实现预期的功能。 空客为未来航班生成仿生设计 未来增材制造的发展将更加凸显材料创造、结构仿生以及多功能集成优化。生物系统经过数十亿年的进化和自然选择，已形成并优化了其复杂的多层级组织结构，以达到最优的性能/功能来应对环境的变化。许多生物系统具有独特的多功能组合，而这往往是人工合成材料难以实现的。现代分析表征技术已证实，天然材料的优异性能或特殊功能，是依靠其内部复杂的多层次结构实现的，其尺度范围通常横跨纳米尺度到宏观尺度。对于性能/功能驱动的增材制造，基于生物灵感的仿生结构设计，是创新增材制造结构的重要途径之一，并有望实现增材制造结构性能/功能的跃升。 然而，仿生设计在原理上很简单，但在实际制造中却有相当难度，原因主要是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。 顾冬冬教授团队基于下一代高超音速飞行器、空间探测器等航空航天装备的整体化、多功能化发展趋势及潜在工程应用，面向减振抗冲击、隔热/防热等综合功能需求，创新发展了仿生结构及材料布局，实现了仿生结构的激光整体增材制造及其多功能化，其中涉及结构、材料、工艺、功能等多因素的耦合、匹配及一体化调控。 激光增材制造轻量化抗冲击仿生功能结构.(a) 皮皮虾尾节宏观形貌 ;(b) 仿生双向波纹板抗冲击结构SLM加工;(c) 水蜘蛛及其在水下构建的住所—潜水钟;(e)SLM成形仿生网壳结构 仿生设计为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径，但“结构易仿、制造不易、科学更难”，其中涉及的关键科学难题包括：仿生微结构与构件典型功能的映射关系及优化模型；仿生设计的跨尺度结构激光增材制造工艺约束性及成形机制；激光增材制造仿生结构的多功能一体化评价方法及响应机制等。因此，增材制造新技术与仿生结构设计相辅相成、相得益彰，而关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。 思考与展望：激光增材制造技术未来的研究与发展趋势 激光增材制造技术的科学内涵决定了其发展趋势是实现微观-介观-宏观跨尺度的材料-结构-工艺-性能/功能一体化。激光增材制造技术未来的研究与发展趋势中，下列方向值得进一步关注： （1）以高性能/多功能为驱动的激光增材制造材料-结构-工艺一体化，主动实现构件的高性能和多功能； （2）激光增材制造的“多相材料”和“多材料”设计、制备与成形，以实现将“合适的材料添加到合适的位置”； （3）激光增材制造创新结构设计实现构件高性能化和多功能化，以凸显“独特的结构实现独特的功能”； （4）构建面向全尺寸构件和全工艺流程的激光增材制造工艺仿真、监测、反馈及工艺优化关键技术与方法，全面提升激光增材制造工艺技术水平、质量以及工业应用水平。 注：本文主要内容来源于顾冬冬《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》，部分内容参考自《中国激光》。文章原文已上传至QQ群。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读： 1.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 2.航发综述：增材制造典型复杂结构的种类及应用情况

钛合金是增材制造最常用的材料之一，无论对于航空航天还是医疗，人们都致力于推动该技术的应用。相对来说，绝对大多数的研究集中于Ti6Al4V在增材制造及热处理过程中的组织结构演变和机械性能变化。然而从冶金的角度来说，Ti6Al4V在冷却时不可避免地会形成对综合性能不利的针状α’马氏体（导致强度高、塑性差），热处理过程的可调控范围有限。相比之下，亚稳β钛合金在增材制造冷却过程中通常不会形成α’马氏体，具有比Ti6Al4V更多的热处理选择，对于增材制造来说具有更为广阔的应用前景。此类材料长期以来一直用于具有高强度要求的航空航天应用，如波音787的起落架和直升机旋翼等。在固溶条件下，亚稳β钛合金比Ti6Al4V更容易调控相组成，不仅可以实现高强度，同时能够获得更高的可塑性。尽管价格比Ti6Al4V贵，但确实是结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料。 采用SLM工艺制造Ti5553 关于亚稳β钛合金的增材制造研究目前还非常有限。以Ti5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）为例，由于添加了V、Mo和Cr作为BCC结构的稳定剂，使得该材料在SLM的快速冷却过程保留了β相。通过产生一系列具有不同比例和形态的α和β相的微观结构，可通过热处理来增强或改变3D打印的 Ti5553零件的性能。然而，由于机械性能对微小的加工变化非常敏感，因此研究增材制造的Ti5553对热处理引起的微观结构变化非常重要。 2016年，来自德国的学者证明了采用SLM技术制造此类材料的可行性，所打印的Ti-5553的致密度为99.95%，拉伸强度为800Mpa，延伸率为14%。2019年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室材料工程部的研究人员则对SLM制造Ti-5553进行了不同热处理条件下的机械性能测试，最高屈服强度达到了1400Mpa。 不同热处理条件下的强度和应变破坏趋势 •通过SLM制造的 Ti5553在300°C热处理条件下，平均极限强度为824 MPa，延伸率为17％。 •在400–500°C之间热处理的样品具有最大的极限强度（最大强度接近1400 MPa），但脆化较为严重（破坏应变降至<2％），目前尚不清楚在此温度下具有如此高强度和低延展性的原因。 •较高的热处理温度会带来延展性的提高，但同时屈服强度和极限抗拉强度会降低。700°C的样品似乎具有屈服强度和破坏应变的最佳组合，具有1000 MPa和14％的破坏应变。 总之，还需要进一步研究整个热处理过程中的组组成变化和时间-温度稳定性，才能充分解释所观察到的力学行为和微观结构演变。 采用电弧增材制造Ti38644 然而，以Ti5553为代表的亚稳β钛合金毕竟是制造大型结构零件的理想选择，SLM技术的打印尺寸受到了极大限制。近期，来自澳大利亚的研究人员对同属亚稳β钛合金的Ti-38644 （Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr），进行了电弧增材制造技术后的热处理研究，发现通过后期时效处理，该材料可实现极高的强度，屈服强度超过了1600Mpa，几乎增加了一倍。 •电弧增材制造的Ti-38644抗压屈服强度为861Mpa，并具有极强的韧性；在300℃/24小时的初始时效条件下，降压屈服强度略有提高，达到910MPa，塑性（破坏应变）降低到约45%。 •随着在高温下的持续时效，即双相时效，α相显著析出，这对合金性能有重要影响。在450℃/24小时的最终时效后，抗压屈服强度显著提高至1622Mpa，这几乎是β-退火条件下合金屈服强度的两倍，大大高于通过金属丝电弧增材制造的Ti6Al4V。不过此时，塑性（破坏应变）仅有约15%。 •在500℃、525℃或550℃下时效24小时，强度在1385-1210MPa，而塑性则在21-27%之间进一步平衡。 A）双重时效对增材制造的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金硬度的影响；B）与WAAM生产的Ti–6Al–4V相比，每个测试条件下的合金屈服强度和破坏应变 因此，为了保持足够的塑性，500℃-550℃可能会为合金提供更合适的机械性能平衡。而在增材制造零件的热处理过程中，精确控制析出相的尺寸和分布，是获得综合力学性能的关键。亚稳β钛合金相比于Ti64具有更容易控制的相组成，为热处理优化提供了更广阔的选择空间。 增材制造的各种亚稳β-Ti合金的屈服强度 从增材制造的各种亚稳β钛合金的强度图中可以看出，现有的大部分研究发现此类钛合金的强度水平在600-900MPa之间，本文介绍的SLM制造的Ti5553和电弧增材制造的Ti38644具有最高的屈服强度。这些相对较新的亚稳β钛合金可替代常用的α/β合金Ti6Al4V，可以提供包括强度、延展性、抗疲劳性在内的综合力学性能。 注：Ti5553和Ti38644的3D打印研究已上传QQ群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作 2.俄科学家采用新技术为飞机“瘦身”约一吨 3.中科院在增材制造钛合金疲劳性能研究中取得进展，可指导设计和生产 4.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性

  3D打印的金属部件后期精加工工作量很低，磨削有潜力成为满足最终公差的有效解决方案。 增材制造在航空航天和医疗市场的广泛使用促使人们不断提高对精加工增材部件表面的要求，以满足最终应用需求。增材制造工艺能够生产出接近最终形状的组件，显著降低了最终精加工的需求。通过增材制造，可以降低材料浪费率，有利于整体制造工艺，但是这也意味着后续的精加工过程对后处理技术和一致性的要求越发严苛。因此，需保证后处理的一致性，满足部件公差和表面质量要求。在对公差和表面提出更高要求的应用中，磨削可以是增材制造的另一个有效选择。 与其他传统材料去除工艺相比，磨削得到的表面质量和完整性更好。为了进一步了解增材制造的精加工，尤其是应用于航空航天业中的镍基高温合金部件时，Norton|Saint-Gobain公司的工程师对采用增材制造的Inconel 718样品进行了精磨削研究。研究主要围绕3个问题展开：需要从增材制造的部件上磨掉的最低材料量/体积是多少？使用最新一代的砂轮对增材制造的部件进行磨削可以达到怎样的表面光洁度？第三，精磨削对增材制造组件的表面残余应力（如有）有什么影响？ 采用直接金属激光烧结（DMLS）工艺制造的AM IN718样品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供。图1所示为增材制造测试样品。增材制造后，对样品进行介质喷砂处理，完后消除应力。接着是热等静压、固溶处理/退火和沉淀硬化处理。样品硬度为40 HRC。然后使用Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技术中心的Magerle MFP-125.50.65间歇进给磨削机上的Norton NQX60E24VTX2砂轮进行样本磨削，图2和图3所示为测试设置。 图1 磨削前的AM Inconel 718测试样品 图2 整机设置 图3 设备特写 首先，逐渐加大切削深度，进行几个区域的磨削，确定需要清除的最小材料量后，对增材制造的表面进行处理。之后按照规定的切削深度进行磨削，然后检查表面是否存在明显缺陷。图4所示为实验期间部件清理后的样品图片。根据实验结果，为了消除增材制造过程中产生的所有几何不一致性和表面缺陷，需要从组件中去除大约0.30～0.45mm的材料。 本次测试采用的磨削长度为50.8mm，砂轮直径为462mm，工作速度为23m/s。总共对五个的材料去除率（MRR）进行了测试，范围为0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm。通过更改进给速度（mm/min）或切割深度（mm）调整材料去除率。对多个材料去除率进行了测试，以评估中低材料去除率对表面光洁度和磨削能力的影响。尽管可以使用现代工程磨料以较高的去除率对镍基合金（例如Inconel 718）进行磨削，但根据目前工业上用于精加工标准Inconel工件的标准精加工率，本研究选择了较低的材料去除率（图4）。以标准（非增材制造）工件磨削为例，预期结果是，随着材料去除率的增加，磨削功率增加，磨削后的工件表面光洁度（Ra）将增加或表面会变得更粗糙。 图4 部分磨削后的AM Inconel 718测试样品 磨削前后，采用联邦接触轮廓仪系统5000测量工件的表面光洁度，测量点包括工件上的多个位置和两个方向（图5a和图5b）。此外，还在多个位置进行了非接触轮廓仪表面测量。 图5(a)表面光洁度测量方向(平行于磨削方向)；图5(b)表面光洁度测量方向(垂直于磨削方向) 磨削前，对增材制造材料的表面光洁度进行评估后发现，在不同测量方向上，光洁度存在很大差异。纵向测量时，平均光洁度为3.3μRa；横向测量时，平均光洁度为2.1μmRa。而在测量标准铸态Inconel 718材料时，不会出现这种显著差异。这种差异似乎与3D制造方法有关，但是目前尚不清楚确切原因。 采用接触轮廓仪测量磨削后表面光洁度的常规方法是垂直于磨削线，而不是平行于磨削线。本次研究中，在平行于磨削线和垂直于磨削线两个方向上测量了表面光洁度。然后将磨削后的测量结果与磨削前的纵向和横向测量结果进行比较。 重点在于，沿着垂直于磨削线的方向进行测量磨削后的表面时，测针会越过磨削线的波峰和波谷。而在平行方向上进行测量时，测针平行于磨削线移动，永远不会越过峰谷。因此，不出所料，本次研究中，垂直测量得出的（粗糙）表面光洁度明显高于平行方向的测量结果。 磨削前后对增材制造材料的表面光洁度进行评估后发现，不同测量方向的光洁度存在显著差异。本次研究中，采用平行于磨削线和垂直于磨削线两个方向上进行表面光洁度测量，结果确实存在显著差异。在平行方向上测量时，磨削前，平均表面光洁度为3.3μmRa，研磨后为0.21μma。在垂直方向上测量时，磨削前，平均表面光洁度为2.1μmRa，研磨后为0.5μmRa。 此外，还采用了Nanovea 3D表面轮廓仪和白光色差技术对增材样品进行了分析，将表面特征以视觉化方式呈现出来。在本次测试中，收到增材制造样品后，采用玻璃介质对其进行介质喷砂处理，除去表面凸起的部分。磨削后在表面上可以看到的线条是磨削操作留下的线条。可以使用较细磨料粒度的砂轮或其他打磨产品，例如工程类磨带，进一步减少表面线条，形成超级精细的表面，前提是这点对于组件的性能和质量而言至关重要。 为了进一步了解磨削对AM IN718样品整体表面完整性的影响，采用Bruker-AXS D8 Discover微衍射设备，在收到和磨削样品后，进行了表面残余应力测量。对两种状态下同一样品6个不同位置的测量结果进行比较后发现，在两种条件下近表面残余应力均为负值/存在压缩力。这种情况主要发生在精磨削后的组件上，其近表面残余应力具有压缩性，可延缓表面裂纹扩散，提高疲劳寿命。 本次研究期间，按照5个材料去除率对磨削功率进行了测量。随着材料去除率的增加，磨削功率也随之增加。这种行为存在于大多数磨削操作中。在0.1mm3/sec./mm的最低速率时，磨削期间的峰值功率为1.4 kW。而在3.9 mm3/sec./mm的最高材料去除率下，磨削功率为10.8 kW。 本次研究的结果证明，对增材制造的镍基合金（比如Inconel 718）进行精磨削可以将表面的粗糙度降低近94％（平行于磨削线）或34％（垂直于磨削线）。可以根据要求，使用磨料粒度更精细的砂轮或其他打磨产品，比如工程类磨带获得超精细表面。此外，结果还表明，为了提高表面精细度，需从组件上去除0.30～0.45 mm的材料，并清除掉所有与3D制造过程相关的几何不一致性。对于增材制造商而言，最低去除率是关键信息，因为他们一直在努力以最具成本效益的方法让增材制造组件尽可能达到近净形状。此外，残余应力数据显示，磨削后的表面应力具有压缩性，可以延缓表面裂纹扩大，从而延长所制造的组件的疲劳寿命。 本文作者：K·Philip博士， John Hagan欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.增材制造中表面光洁度的重要性，及光整加工技术的种类和应用现状 2.国家增材制造创新中心：金属增材制件环保高效后处理技术 3.材料、速度及后处理给增材制造生产带来的挑战 4.金属3D打印后处理系统