增材制造在航空航天领域应用的主要驱动力在于减轻重量，运营商愿意为提高燃油经济所带来的运营成本降低付出代价。人们对增材制造的零件密度、孔隙率和晶粒结构的最初质疑正在得到克服，该技术也已经被越来越多的用于生产认证部件。 采用SLM技术打印完未经处理的零件表面效果 然而增材制造技术还存在一个尚未解决的挑战——表面光洁度。从理论上讲，增材制造可以完全自由地创建复杂形状，但在实际生产过程中，对表面光洁度的要求往往需要对设计进行约束。如果需要进行表面加工，则对结构的限制就与过去一样；如果使用喷丸处理，则需要对薄和细长的结构进行限制。此外，表面质量问题还会导致应力集中，进而萌生裂纹，大大降低零件的抗疲劳性和断裂韧性，从而为零件的使用带来风险。 虽然改进金属粉末质量、优化成形方向和工艺参数能在一定程度上改善增材制造零件的表面质量，但是仍然无法完全解决增材制造零件表面粗糙的问题。因此，对增材制造零件进行后处理加工是必要的，目前主要的后处理方式包括光整加工和机械加工。 经后处理的零件表面效果 光整加工方法主要是手工抛光、喷砂或数控磨削抛光。手工抛光质量严重依赖于操作者的经验水平，可重复性及一致性差，人力与时间成本高，并且抛光过程中产生的粉尘危害人体健康。而喷砂和数控磨削抛光对具有复杂内曲面、多孔结构零件的加工可达性差，一般主要用于零件外表面的清洁抛光、去除氧化层等。 对于具有高表面质量要求的航空复杂结构件（0.8μm<R a< 1.6μm，无表面松散残留物和高使役性能要求），增材制造成形后的光整加工面临巨大挑战。除上述手段外，还有自适应磨削、激光抛光、化学和电化学抛光，以及磨粒流加工等。 增材制造复杂结构件光整加工方法比较 自适应磨削是通过调整接触头的形状来确定磨抛加工接触面的形状，使磨抛加工实现以接触面为磨抛作业面的加工过程，提高了磨抛加工的效率。国外有研究人员采用具有球状柔性磨头的自适应磨削方法对增材制造钛合金自由曲面进 行了抛光，通过粗抛和精抛去除了增材制造表面的缺陷层，最终表面粗糙度Ra达到10nm以下。 自适应磨削加工原理 激光抛光是利用高能激光束使零件表面材料重新融化来降低表面粗糙度的一种新式抛光方法。目前激光抛光后的零件表面粗糙度Ra在2~3μm。因激光抛光设备较为昂贵，目前在实际工程中未能得到广泛应用。 激光抛光加工原理 化学和电化学抛光是靠化学试剂的化学浸蚀作用对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕、浸蚀整平，对小型增材制造镂空结构或阵列结构零件表面松动易脱落的球化层的去除效果显著。采用化学抛光与电化学抛光相结合的方法对多孔结构支架抛光，抛光后的支架的表面粗糙度Ra可由抛光前的6~12μm降至0.2~1μm，化学抛光主要迅速去除表面粘附的金属球形粉末，电化学抛光在此基础上进一步降低表面粗糙度。 电解抛光的医疗植入物 磨粒流加工技术，是使用一种可流动的半固态黏弹性磨料介质，在一定压力下往复地流过被加工区域，利用磨料介质中磨粒的微切削作用去除工件表面的微观粗糙峰，以达到对这些区域加工的目的。该技术适用于具有复杂内部型腔、自由曲面以及不规则形状零件的抛光、去毛刺、倒圆角等，能加工几乎所有的金属材料。磨粒流加工技术的高加工可达性为克服航空增材制造复杂零件表面光整加工难题提供了一条新途径。 增材制造复杂结构件磨粒流抛光效果 增材制造复杂结构件磨粒流抛光表面粗糙度 粉末床激光熔融技术在所有金属增材制造工艺中，能够实现最佳的表面质量，除上述光整加工手段外，对于零部件的关键位置有时还需要进行机加工处理。这两种后处理手段在模具中的应用非常广泛。 通过定向能量沉积技术制造的零件表面有很多可见的焊道，波纹宽度达到几毫米，则必须通过机械加工来达到所需要的尺寸精度和表面光洁度要求。 由定向能量沉积技术制造的零件必须经过机加才能使用 目前，零件后处理技术正在成为增材制造发展的瓶颈，传统的手工后处理技术很容易导致零件损坏或尺寸不一现象。通过对目前增材制造零件光整加工方法的对比分析可以看到，大部分研究工作还处于改善表面粗糙度层面的阶段，为了满足光整加工后零件的精度要求，增材制造复杂结构件的抛光技术应向着精准可控的方向发展。 注：增材制造复杂结构件表面光整加工，更详细的分析内容已上传 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.3D打印零件如何实现更好的组装和连接 2.SLM无支撑制造的可能性和局限性 3.激光粉末床熔融技术的安全性：危害和行动建议 4.考虑极限特征约束的增材制造设计方法

增材制造已在各个追求高质量和可重复性的行业中占据一席之地。医疗和航空航天行业已经开始拥抱增材制造，不仅因为它能够实现高复杂度、高强度和轻量化设计，而且打印的零部件符合监管机构规定的质量标准。尤其医疗行业非常重视增材制造实现定制化生产的能力，同时质量和可重复性也是至关重要的因素。 作为医疗和航空航天行业的全球服务领导者， C＆A Tool 证明了增材制造与传统制造的钛合金产品性能相当，也通过这一过程理解了接受一项新的制造工艺中的障碍。 挑战 目前，对增材制造产品质量认识的缺乏仍然是投资的最大障碍之一，对于增材制造技术的不确定性超过了该技术所带来的好处，特别是在有严格监管要求的行业。因此，增材制造企业有责任强调该技术的真正价值，证明零部件的质量和可重复性能够经得起传统制造标准所遵循的质量要求。使用金属增材制造系统（EOS M290），C＆A Tool 创建了这份验证报告，以证明SLM技术可以达到甚至超过传统的行业标准。 认证参考/使用程序 使用良好的生产规范（GMP）质量控制要求和ASTM测试方法，C＆A Tool 创建了这份研究报告，以使用关键的质量变量（如激光功率）来挑战增材制造过程。目标是证明SLM工艺符合适用于钛合金（ASTM F3001）的力学性能测试和零件密度的 ASTM 材料验收标准。表1和表2列出了本研究中使用的标准程序和 C＆A Tool 操作说明。 方法 在开始质量研究报告之前，C＆A Tool 创建了因果关系（C＆E）研究，以使用实验设计确定过程中的最坏情况变量。该初步研究将激光功率、热处理温度和热处理时间、方向、位置、曝光策略和层厚度视为质量（CtQ）变量的潜在关键因素。 CtQ变量矩阵 EOS参数包括激光功率，层厚度和扫描策略之类的可变量。EOS的这些参数变量可以通过EOSPRINT软件来改变；但是，这些参数在生产过程中必须固定。类似地，曝光策略由程序控制传输到打印系统中。如果改变曝光策略，层厚度或参数组，则可能需要重新认证。 激光功率由每个程序的曝光策略内的参数控制。在这项研究中，激光功率在打印期间受到监控，当瞬时激光功率低于370瓦标称设置的4％（355W）时触发警告。如果瞬时激光功率记录在5.5％（350W）以下，监控设备也会触发警告。 层厚由程序发送至系统来进行控制。在所有参数中，层厚设定为0.06mm。如果厚度从本研究报告中的0.06mm 设置更改，则需要重新认证或证明。 在此协议期间，将设置热处理并且挑战极端情况。在这种情况下，如果改变，则需要进行重新认证或证明。 位置/方向也是影响因素，在该研究报告中，基板所有区域都存在位置或方向的挑战。 图1. 在加工平台上测试位置和方向 质量协议 对C＆E研究的结果进行了审查，并确定了最坏的案例变量：激光功率、热处理温度、热处理时间 图2. 在加工平台上测试位置和方向 在两台EOS M290上进行四个打印任务，在图1中详细描述了工件状态。每个打印任务包括了拉伸测试条和密度立方体，以捕获潜在的变化源，包括打印任务位置和方向（图1）。在C＆E研究中最坏案例变量-激光功率、热处理温度和热处理时间的变量在四个构建作业中是不同的。层厚、材料、曝光策略和机加工在整个方案中保持不变。 所有打印任务均使用一个参数矩阵，其中包括：激光功率、层厚、材料、位置/方向、曝光策略、热处理时间和热处理温度。 验收标准 所有打印任务都按照以下规范进行测试和评估： • 机械性能：ASTM F3001• 化学性质：ASTM F3001• 致密性：ISO3369除验收标准外，表3还详细列出了所有构建作业的平均测试结果，显示它们符合每种机械性能的标准验收标准。 结果及讨论 图3详细说明了增材制造的拉伸试条的拉伸强度，屈服强度等。研究清楚地表明，增材制在工艺超出了医疗和航空航天业界公认的所有适用的力学性能的相关标准。 C&A Tool 总经理介绍，“这些OQ测试已成为我们业务的重要组成部分。我们的研究结果显示了我们一直都知道的事实：AM 生产的零部件不再受限于传统制造和设计的限制，同时还能生产高质量，可重复的零部件。” 图3：与相关标准相比，所有的机械测试结果 近年来，增材制造愈发受到关注。在该研究中控制打印位置，结果显示在下面的图4中。数据表明，在EOS M290设备上使用60微米层厚和前面描述的激光功率变化的参数生产的零部件，其机械强度特性不会根据构建位置而显着变化（象限左上，右上，左下，右下和中间）。 图4：基于打印平台上的样本位置报告的机械特性 与一致性机械测试结果类似，密度测量不会因系统构建位置变化而异。   图5：基于打印平台上样本的位置报告的密度测量 另一个关键变量是打印平台上的零部件方向。下面的图6表明水平和垂直打印的试样之间的机械性能没有显著差异（ASTM E8）。 图6：基于打印平台上不同方向报告的力学性能 结论 该研究对激光功率、打印位置、打印方向和热处理温度这些关键变量进行了测试。结果表明，增材制造可以达到甚至超过相关行业标准，并且零部件致密度在整个平台上也不会变化。 质量验证报告将继续推动增材制造的广泛应用，特别是在医疗、航空航天和汽车等受严格监管的行业。因此，增材制造企业必须继续进行类似于C＆A Tool 完成的QP测试。测试结果会鼓励增材制造业接收怀疑论者的质疑，利用这些强有力的数据来展示EOS解决方案的价值，以生产最高质量的零部件。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性 2.最新研究：调整增材制造工艺参数，控制材料凝固过程，实现性能可控 3.3D打印骨小梁结构的性能与制造稳定性分析 4.一款基于3D打印工艺预测、性能数据库和全动态工艺自适应调整的黑科技软件

在复杂结构制造方面，增材制造技术解决了传统减材和等材工艺难加工或无法加工的局限，而且其制造成本并不随零件复杂性的增加而大幅度提高，具有“免费复杂性”的特点。中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心的研究人员综述了增材制造可加工的复杂结构种类及其应用情况。本期，3D打印技术参考对此进行介绍。 点阵结构 点阵结构由结点和结点间的连接杆件按照一定的空间周期规律扩展构成。金属点阵结构具有超轻、高孔隙率、高比强、高比刚、高强韧、高能量吸收等优良力学性能，以及吸声、减震、散热、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性能，使其兼备结构和功能的双重功用，是一种性能优良的多功能工程结构材料，在航空航天、国防军事、交通能源等各行业中均具有非常乐观的应用前景。 点阵结构示意图 2011年美国加州大学和加州理工大学的研究人员制备出超轻金属镍微点阵结构，它由 0.01%的固体和 99.99%的空气组成，密度仅为 0.9 mg/cm3，具有极高的能量吸收能力，压缩到98%后还可以恢复到原来的形状。劳斯莱斯生产的点阵结构油气分离器，孔隙率高达95%，密度仅为 0.5 g/cm 3，油气分离效率高达99%。声波进入点阵结构后引起空气震动，经多次反射和折射，原有入射声波大部分能量变成热量散失到环境中，美国杜克大学根据此原理制造出了点阵结构的“声学隐身装置”。 超清金属点阵和声学隐身装置 点阵结构空间还可以作为散热或主动致冷通道，北京航空材料研究院采用点阵结构热交换芯体替代传统板翅结构，大幅度提高了热交换器的换热面积。改变钛合金点阵结构中孔洞的体积分数和尺寸分布，可以解决植入物和骨头之间的弹性失配问题，使植入物具有量身定制的力学性能，此外，点阵结构中的开放性孔洞也更有利于骨内生长和植入物的结合。 点阵结构热交换器和人体植入物 目前金属点阵结构增材制造技术的研究主要集中在成形零件尺寸精度和成形零件性能两个方面。 大型薄壁结构 薄壁结构的特征形式有衬套、壳体、肋板等，在航空发动机叶片、机匣、燃烧室等部位广泛存在。传统铸造、锻造、焊接、机械加工生产工艺周期长，材料利用率低，且一般深径比超过10：1的薄壁结构就很难采用数控加工制备。相比而言，增材制造比较容易实现大深径比薄壁结构的制备。不过，增材制造过程中零件局部温度场呈现动态变化，相比实体结构，薄壁结构散热面积小、温度变化大、结构刚性差，其成形过程极易受温度场变化的影响，成形稳定性较差。薄壁结构一直是增材制造研究的热点与难点之一。 铂力特激光立体成形多层薄壁结构 目前，针对薄壁结构定向能量沉积增材制造成形过程中的温度场、尺寸精度控制等已经做了大量研究，但由于薄壁结构对增材制造工艺条件和环境的变化十分敏感，成形过程中的每个细微波动都会逐层累积，进而影响后续成形，因此保证成形过程的稳定性是获得质量优异薄壁件的关键。建立可靠的增材制造过程实时监控和反馈系统，实现闭环控制，是提高大型薄壁件增材制造成形过程稳定性，提高成形的精度的有效方法。 Fraunhofer为薄壁结构开发点阵保护支撑 复杂曲面结构 复杂曲面是指包含如球、椭球、双曲面等二次曲面和自由曲面的组合曲面。当前个性化且具有复杂曲面的零件日益广泛地应用于人们的生产生活中，在飞机、船舶、汽车等重要制造行业，为满足流体力学要求，常需采用结构复杂曲面结构；部分艺术品等，需要通过复杂的外型结构设计来满足人们日益增长的审美需求。如何高精度、高效率和低成本地制造这些复杂曲面结构，是工业设计领域对现代制造业提出的基本要求。增材制造由于其独有的成形工艺，在加工曲面零件的复杂表面和内部结构方面，具有独特的制造优势。 含点阵的半球体结构 GE公司采用增材制造技术制备了具有自由空间曲面的发动机风扇叶片。美国Los Alamos实验室(LANL)采用螺旋轨迹扫描技术制备出全致密半球零件。国内北京航空航天大学、北京航空材料研究院、西北工业大学等单位均采用LMD技术制备了带空间自由曲面叶片的航空发动机整体叶盘。 增材制造发动机风扇叶片和拓扑天线支架 增材制造成形空间复杂曲面结构的研究，大多集中在针对特定材料、特定工艺参数下的临界成形倾角的确定，较少关注具体结构的成形。实时监测及闭环反馈控制同样是提高复杂曲面结构增材成形过程稳定性、保证成形精度的有效途径之一。 一体化结构 结构一体化是零件设计和发展的重要趋势，增材制造可以将原本由多个构件组合的零件进行一体化制备，避免了多个零件组合时所需的连接结构，如法兰、焊缝等。 GE公司将原本20多个零件的燃油喷嘴进行一体化设计与SLM制备，并将其应用到 LEAP发动机上，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还使其服役寿命提高了5倍。霍尼韦尔公司采用EBM制造了镍基合金HTF7000发动机的管腔，由原本的8个部件组合形成1个部件，交付周期从几个月大幅缩短至几周，生产成本降低50%。一体化结构还被广泛应用到航空发动机整体叶盘、增压涡轮、支座、吊耳、起落架等其他结构。空间异型管道的传统制造工艺为注塑成形、铸造等方式，不仅制造成本高、生产周期长，对于管道需要的复杂样条曲线一次很难制备成功，增材制造为空间异型管道一体化制备提供了可实用的技术。 3D打印一体化制造的燃油喷嘴和飞机起落架 除了静态结构以外，增材制造还能方便实现动态机构的一体化制造。动态一体化机构特点在于免组装、可实现动态联接，传统机械构件需要分步制备各个单独构件，然后再将其装配起来，而增材制造可直接得到免组装的整体机构，节省装配步骤。 一体化制造的免组装铰链结构 END 增材制造在复杂结构制造方面具有显著的优势，不过要实现大批量工程化应用仍有大量基础科学问题需要解决。增材制造构件的表面质量与同等尺寸精密铸件相比尚存一定差距，目前常规SLM成形的尺寸精度为0.1 mm左右、表面粗糙度Ra在6.3μm左右，EBM成形精度为0.1～0.2 mm、表面粗糙度Ra为20～30μm。 此外，增材制造成形过程伴随着复杂的物理、化学、冶金过程，应力变形控制难度大，十分容易产生气孔、未熔合、裂纹等冶金缺陷，严重影响构件尺寸精度及力学性能。进一步加强增材制造基础工艺研究，揭示成形过程中应力演变规律、快速熔凝固原理、变形开裂行为、内部缺陷形成机制等，依然是今后增材制造复杂结构的研究重点。 本文上传内容包含：复杂结构增材制造、高性能材料增材制造、增材制造需要重要发展研究的几个方面。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 2.考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3.3D打印集成制造的最佳实例 4.Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构

导读：航空发动机作为航天飞行器的核心部件，决定发动机关键性能的涡轮叶片成为研究的重中之重。一台航空发动机的推动力与涡轮机前沿进气口温度密切相关，涡轮叶片的承温能力则决定了整台发动机的推动力，而提高涡轮叶片承温能力的方法主要有两种，一种是探索性能更优化更稳定的高温合金，但是受到金属熔点的限制，高温合金的性能已接近极限；另一种是探索具备复杂空心结构的叶片冷却技术。空心结构改进了原始涡轮叶片的冷却方式，这种结构能够有效提高涡轮叶片的承温能力，从而有效提高发动机的工作温度，这种更为高效的气冷方式是目前的研究重点。通过复杂气冷内腔结构改善涡轮叶片散热能力已成为先进发动机制造的关键。 涡轮发动机及空心叶片结构图 对于如此复杂的空心叶片，如何制造便成了最大的难题。传统机加工和锻压的手段加工难度很大，很难形成叶片的内腔形状，并且制造过程中材料的利用率低，制造成本高，费时费力。现在只能采用熔模精铸陶瓷型芯来解决这一难题，而在熔模铸造中，作为形成空心铸件内腔形状的陶瓷型芯，它的性能和质量对铸件生产的合格率和成本起着非常大的影响作用。作为叶片制造技术瓶颈之一的陶瓷型芯，其造型材料和制造工艺的不断改进对于增强陶瓷型芯各项性能十分重要，也一直是空心叶片研究中的关键问题。 目前设计的陶瓷铸造型芯越来越复杂，而通过传统的热压注成型、凝胶注模成型、注射成型等方法存在排蜡时间长、工艺复杂、坯体表面易起皮等问题，且传统方法中模具依然是必不可少的，工艺流程较为复杂。因此急需探寻一种新型的、快捷有效的陶瓷型芯制造方法。 陶瓷3D打印技术的出现便及时的解决了这些问题。Lithoz公司的LCM技术可以实现传统工艺无法完成的高复杂结构陶瓷产品的生产。因此，LCM技术给航空航天涡轮发动机和燃气轮机中的高复杂结构的陶瓷叶片型芯提供完美的解决方案，满足他们日益增长的设计需求。而且，LCM技术可以快速、低成本的实现小批量系列的原型产品的生产。由于该技术无需模具，因此大大缩短了研发-市场阶段的周期。与传统的注射成型制造叶片型芯技术相比，3D打印技术是一种无需模具的生产制造技术。因此3D打印技术可以绕过传统工艺必须的、昂贵而又复杂的模具制造部分。 使用Lithoz的CeraFab8500设备，LithaCore450材料打印的陶瓷叶片型芯 目前，国内外在空心叶片制造中使用比较普遍的主要有硅基和铝基陶瓷型芯。其中，相较于铝基陶芯烧结困难和不易脱芯等问题的存在，硅基陶瓷型芯以热膨胀系数小、稳定性好、表面光洁度高且易于脱芯等一系列优点，而广泛应用于国内外航空工业中。 3D 打印陶瓷叶片型芯的材料LithaCore450是一款由奥地利Lithoz公司自主研发的一种用于3D打印生产陶瓷叶片型芯的硅基材料。 典型的应用有：用来生产单晶镍基合金的涡轮叶片的铸造型芯；定向凝固铸造型芯；等轴铸造型芯。 LithaCore450是一种可以3D打印制备高精度、高细节陶瓷叶片型芯的材料。烧结后的叶片型芯产品具有非常低的热膨胀率、较高的孔隙率、优异的表面质量和优良的洗滤性等优点。另外，Lithoz可以为客户开发定制化的材料，满足客户广泛的合金铸造需求。 Lithoz陶瓷3D打印机 此外，Lithoz最新研发的用于批量打印的CeraFab System S25、S65、S230设备，高精度投影提供高达2560×1600像素的分辨率，横向分辨率高达25微米，保证了打印组件的绝对精度，特别是在微距范围内，最大打印尺寸可达192×120×500mm。可满足客户的不同尺寸的打印需求。 使用Lithoz设备打印的不同尺寸的陶瓷型芯 Lithoz 公司 3D 打印叶片铸造陶瓷型芯关键性能通过 LCM 技术可以打印高精度、高复杂结构的陶瓷叶片型芯。且具有以下特性： 优良的尺寸重复性和公差 最大尺寸可达 500mm 表面光洁度 Ra <3m ，保证合金铸件内部通道的表面质量（可通过优化工艺，提供Ra <2 m的陶瓷型芯）。 高复杂结构，如机翼最薄处可达200 m 模型尺寸与打印产品公差研究LithaCore450 陶瓷叶片型芯是使用 Lithoz 公司的 CeraFab 8500 设备生产的。对铸造型芯进行尺寸检查的结果（下图）显示，其与 CAD 模型的最大偏差为 0.1mm，符合铸造型芯应用的尺寸要求（通常是 0.3 毫米）。 打印模型与原始STL文件尺寸对比 另外，不同生产周期下生产的两个陶瓷型芯的尺寸对比（一个带有支撑结构，一个没有支撑结构）。结果如下图，表明不同批次打印的产品具有+/- 0.05mm 的重复性误差。 不同批次，带有支撑结构和不带有支撑结构铸造型芯的尺寸误差对比 由此可见，使用3D打印技术生产陶瓷型芯非常适合，方便快捷，可以打印极其复杂的结构，且性能参数符合空心叶片铸造的实际需求；目前飞机发动机的主流制造商都已经在使用3D打印技术从事陶瓷型芯的研发生产，航空航天巨头法国赛峰集团已经长期使用Lithoz 陶瓷3D机生产叶片型芯，并于2017年欧洲陶瓷增材会议AM Ceramics上展示了初步的成果。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.2019年3D打印材料市场的演变：趋势和机遇（陶瓷金属篇） 2.一篇顶刊配四项美国专利，香港城市大学首创陶瓷4D打印 3.陶瓷3D打印技术汇总

激光增材制造金银材料可用于艺术品、首饰、手表等的定制化制造。铜是传统工业的重要材料，具有良好的导电性和导热性；铜的激光增材制造材料被广泛用于电子设备、热管理系统、交通运输、工业制造等领域。金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景，但也面临着重要问题:金、银、铜材料对激光的吸收率很低。 近日，来自南方科技大学和香港科技大学的研究人员总结了金、银、铜等高反射率材料的激光增材制造的面临的问题和原料端现状，同时对这些材料的激光增材制造的未来发展趋势做出了展望。本期，3D打印技术参考对此进行介绍。 金、银、铜激光增材制造面临的重要问题 金、银、铜材料对激光的吸收率很低。市面上大多数打印机用的是波长为1064nm左右的激光器。在此波长下，三种材料的反射率都达到了95%以上。如此高的反射率使金属粉末无法吸收足够的激光能量，导致熔化不充分，熔体湿润性差，难以铺展开，导致气孔和球化现象，打印态材料致密度低、性能差；同时打印中反射的激光可能会损害打印机的光学系统。 部分金属的反射率(室温下)曲线长波长下的反射率总体高于短波长下情况 克服高反射率成为采用激光增材制造打印金、银、铜等材料的关键，而另一方面，可供打印的贵金属粉末材料稀缺，高纯度的金粉和银粉甚至没有供应商。 增材制造用金、银、铜原料端现状作为金属激光增材制造产业链的重要环节，用于增材制造的金属粉体的制备及供应深受业界重视。研究人员调查发现，现阶段用于3D打印的铜及铜合金粉材供应面临以下两点挑战: (1)供应商少，由于铜和铜合金并非激光增材制造的主流材料，许多国内外知名的增材制造金属粉体供应商并不供应铜和铜合金粉末； (2)制粉技术不成熟。可供应铜和铜合金的厂商一般同时供应其他种类的增材制造粉末，如钛合金、钢、钴基合金、镍基合金等，并不专注于铜和铜合金的制备，这导致用于3D打印的铜和铜合金制粉技术不成熟，厂商可制备的铜合金粉体种类较少。 铜和铜的预合金粉末在1064nm波长下的反射率 专注于金、银等贵金属打印粉体生产和供应的厂商主要集中在欧洲，美国也有分布。用于制造首饰和手表的贵金属金银粉体主要为18K金粉及925银粉，应用于牙科的则是各种不同金含量的合金粉末。高纯度金粉和银粉没有供应商。 另一方面，金、银等贵金属的传统加工方法为在空气中熔炼，然后将液态贵金属倒入模具中浇铸出铸件，设备成本低。而采用激光增材制造的方法，虽然跳过了模具制作、熔炼和浇铸步骤，提高了定制化珠宝和少量零部件的生产效率，却增加了设备和粉末的成本。目前市面上能打印贵金属的打印机种类有限，售价高昂，如适用于打印金、银及其合金的EOSPre-ciousM080。因为激光增材制造对粉体要求高，贵金属粉材的制作、保存成本也非常高。 Cooksongold供应的18K 3N黄金粉、925银粉及打印效果 此外，国内增材制造粉体生产起步较晚，有少量公司可供应铜及铜合金粉材，但没有贵金属粉的供应商。且国内制粉公司面临着宣传有限等问题，许多公司的网站上甚至难以找到其供应的粉体信息。 金、银、铜等高反射率材料的激光增材制造现状直接进行纯铜的激光3D打印难度很高，但最近几年研究人员已做了一些尝试。实验结果表明, 使用高功率激光可以提升激光打印纯铜的效果，相对密度甚至可以达到99%。然而, 使用高功率激光难以保证安全性,纯铜反射的激光可对打印机光学系统造成严重损害。目前，虽然一些主流的设备商宣称已经成功打印出纯铜产品，但在工业化应用中真正大规模打印纯铜的案例其实非常鲜见。 使用高功率激光打印纯铜12 h后的反射镜长时间暴露在反射激光下造成的损伤 对铜合金的打印研究则集中在锡青铜、形状记忆铜合金、黄铜，以及其他一些铜合金（铜和铜合金的激光3D打印案例图表详情，请查阅原文）。 金的激光3D打印最早见于英国团队在2008年对24K纯金的选区激光熔化研究. 在固定搭接间距与层厚的情况下, 他们探索了不同打印参数的打印效果,并绘制了24K金的打印工艺窗口，确定了最佳参数. 基于此打印出的黄金小方块层间孔隙很多,说明直接打印纯金不能得到致密的样品。其他研究则多集中在18K金的选区激光熔化，包括打印工艺以及粉末特性对成型的影响等等。 EOSPre-ciousM080纯金打印过程 银的3D打印也多停留在研究层面, 如工艺优化、数值模拟以及组织分析等。2012年有研究人员采用优化的工艺参数打印了复杂的多层结构戒指。 英国cooksongold打印的贵金属艺术品 然而受台阶效应和球化现象的影响，用选区激光熔化制造的产品表面质量与传统失蜡法浇铸的珠宝相比较差, 需要磨抛等后处理工艺。而由于产品形状复杂，后处理常常会用到手工打磨的方式，这增加了时间和金钱成本，成为贵金属激光打印的重要限制因素。 END 金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景, 但确实也面临着很多重要问题。理论分析指出光吸收率受材料的电导率和激光波长的直接影响，可采用混合粉末或表面改性的粉末替代原始预合金化粉末进行打印, 或用短波长蓝光或绿光激光打印, 是提高粉体对激光的吸收率、得到品质优良的打印态样品的行之有效的手段。 本期上传： 1.综述中文全文，包含提高金、银、铜等高反射率材料光吸收率的对策，国内外粉末供应厂商，及多张案例图表。 2.EOSPre-ciousM080贵金属3D打印机为防止粉末浪费进行的特殊设计和筛粉方式（视频）。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.重点解析：铜材料的直接打印问题 2.通快采用绿激光打印纯铜

利用太阳能进行海水淡化具有重大的应用前景。为提高海水淡化速率和提高能源利用效率，研究人员提出了利用新型光热转换材料降低热损耗、构筑有效的水/蒸汽传输界面，以及提高光热转换材料的耐用性等策略。然而，目前的海水淡化装置能耗较高，海水淡化的效率、耐久性均有待提高，尤其是盐度升高后的持续淡化仍然是一个巨大挑战。 最近，在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，中科院化学所绿色印刷重点实验室科研人员在前期构建的快速连续3D打印体系基础上，与美国麻省理工学院合作，利用3D打印技术构建了三维锥形不对称结构蒸发体系，在高盐度下实现了高效太阳能利用和高速水蒸发。为实现高效的光热转换和海水蒸发，通过有效热管理实现高效水传输和蒸发至关重要。 仿生3D蒸发器的设计灵感来自鸟喙和猪笼草近口表面的非对称毛细棘齿的超强液体输送特性 蒸发器采用DLP技术进行打印，研究人员在紫外光固化树脂中添加了碳纳米管和柠檬酸钠，其中前者作为光热材料，后者则作为作为三维蒸发器的表面分布造孔剂。在连续打印过程中，由于切片厚度（5μm）远小于颗粒尺寸，柠檬酸钠颗粒不能随填充树脂流动，因而会在固化结构的表面凝固，待除去表面的柠檬酸钠后，三维结构表面就形成了微孔。 一次阳光照射下水/蒸汽界面蒸汽扩散通量的数值模拟 研究表明：所设计的3D锥形结构表面可以束缚梯度厚度的水膜，同时3D蒸发器的不同高度对太阳光的吸收不同，导致水的蒸发存在蒸发梯度，主要的蒸发位点为3D结构的顶部，因此水膜沿3D结构的侧壁呈现温度梯度，并由于马兰戈尼效应使水流向更快的蒸发区域，从而显著提高水蒸发速率和能量的利用效率。高盐度水蒸发时，水膜厚度梯度和蒸发场梯度导致3D结构表面存在盐的浓度梯度和顶部盐结晶特征，结晶的盐很容易去除，因而可以连续工作。该系统的海水淡化速率达1.72 kg m-2 h-1，有很强的应用前景。 该研究成果近日发表于Nature Communications，研究原文已上传。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.哈佛：多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统实现功能器件制造 2.光固化创新突破：一种无支撑多材料成型方法

本文所讲述的案例亮点在于，火箭发动机完全使用人工智能驱动设计，并采用3D打印将燃烧室和表面冷却流道等多组件实现一体式构建。在此基础上，我们将讲述AI如何融入增材制造的前后端制造链。 火箭发动机在燃烧过程中，燃烧室喉部燃烧温度高达3500℃，内壁温度超过 1000℃。为防止材料失效，结构设计就非常关键。为了达到这一目的，火箭发动机会采用再生冷却结构，液体燃料在进入燃烧室前，会通过燃烧室壁上的冷却管道向上输送，这个过程一方面降低了燃烧室的温度，另一方面燃料吸收的热量又回到燃烧室得以“再生”。 在传统生产方式中，冷却管道是通过在毛坯上钻孔，随后再通过多个繁琐的工作步骤进行密封得来，结构设计受到传统制造手段的诸多制约，燃烧室的冷却效率也因此受到影响。近些年来，采用选区激光熔化技术来制造火箭发动机的案例已经非常多，其最典型的优势就是实现了多个结构的一体化制造。在此情况下，结构设计相比制造本身而言，就更加重要。 AI突破人类思维，创建全新设计概念 总部位于德国的软件开发商Hyperganic，通过采用尖端技术和算法来生成结构复杂且功能强大的设计。其团队借助AI驱动的设计平台生成了具有整体优化设计的火箭发动机原型，与传统火箭发动机需要进行零件单独设计然后组装的形式不同，通过AI设计的发动机将燃烧室和表面通道等多个组件自主集成到了一个结构中。 在发动机创建过程中，设计人员在软件中输入了发动机的核心功能，包括燃烧室的形状和冷却性能要求。基于此数据，算法生成了符合所有规格的几何图形。 借助AI设计零件提供了一个新的视角。虽然设计师可以跳出框架进行思考，但设计过程通常需要重新考虑现有设计或使用参考框架。但AI却不会有人的这些心理约束，它可以自由的创建全新的设计概念，同时仍然满足性能要求。这个过程中，设计师的角色更多的转变为对结构功能等的设定。 简化设计，减轻重量，提高散热效率 Hyperganic的创新设计为传统火箭发动机提供了整合的替代方案。Hyperganic设计总监表示，这种简化的设计还可以减轻重量并提高散热效率。轻量化的实现部分是通过将多孔几何形状集成到发动机外部来实现的，同时内部结构仍保持坚固。 该设计由EOSM290进行打印，采用IN718高温合金，研究人员将对测试结果进行分析并将其反馈到设计软件中，以进行设计迭代。Hyperganic目前正在与多家航空航天公司就其发动机设计方法进行谈判。 借助AI进行先进结构设计确实更为先进，这对于发挥3D打印的优势更是显而易见。然而，去年欧洲专利局拒绝了针对AI设计产品的专利申请，并指明，发明人必须是人类。虽如此，AI几乎已经全面融入3D打印。 AI几乎已经全面融入3D打印 材料设计 在材料设计领域，机器学习和预测建模是AI的一个强大子集，它可以加速新材料的设计过程。设计人员只需在程序中输入所需的材料属性，算法就可以预测哪些化学元素可以在微观层面上组合，从而创建具有所需功能和属性的结构。 德国Fraunhofer IWS的工程师联合其它五家研究所执行了一项名为futureAM的项目，即借助AI和3D打印来寻找超级合金的合适配方。项目人员通过使用人工智能和机器学习来研究大量监测数据与实际工艺效果间的联系。例如，特殊分析算法将测量的传感器值与研究所的粉末数据库相关联，通过评估工艺参数，机器将自己做出决策并选择出合适的工艺组合。使用激光粉末堆焊技术，结合优化出的工艺参数，可以同时或连续地将不同粉末送入加工区，精确调节进给速率，性能最好、最昂贵、高抗性的材料只在最需要的位置释放，其他非关键区域可采用价格较低的材料。 工艺预测 金属3D打印对人的依赖性极大，一键打印的畅想仍停留在概念阶段。在不考虑零件设计的前提下，仅打印零件的摆放、支撑添加，打印过程中遇到问题的解决，均离不开专业人员的干预。而这些专业人员还须具备丰富的材料学经验，这无疑对技术普及应用带来了极大不便。 在去年的波士顿人工智能峰会上，GE全球研究中心增材制造项目负责人Brent Brunell谈到，在工业金属3D打印的背景下，对AI的需求正在呈现日益增长的趋势，这一过程通常又与仿真相关。GE研究人员将人工智能与仿真结合，推进计算结果的准确性和有效性。Brent Brunell提到，这是金属增材制造实现广泛工业化的重要保障。 GE的研究人员正在努力将AI集成到工业3D打印机和过程中，目前已经可以借助人工智能确定零件打印的正确参数。未来，GE希望提高计算速度和计算能力，实时处理打印过程中出现的问题。 未来智造 人工智能显然可以集成进入3D打印工厂，并改变制造业的未来。 位于伦敦的AI Build公司，开发了一种基于AI的自动3D打印技术。其设备配有智能挤出机，能利用机器视觉算法分析正在打印的结构，可以检测缺陷问题，并能做出自主决定。它是一个使用工业机器人和机器学习软件的大型3D打印平台。 自动3D打印工厂的可能性现在已成为现实，这将大大节省时间并降低人工成本。事实上，使用打印机和人工智能可以自行决定并打印可行的部件，工厂的时间和资源可以专注于更多其他任务，这是一场真正的革命。 AI Build正致力于机器自动识别、自主学习错误并创建真正错综复杂结构的打印机，这将帮助增材制造技术走得更远。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.GE增材 : 金属3D打印的广泛工业化须受益于人工智能 2.采用人工智能和3D打印设计超级材料 3.金属3D打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法

在《SLS的演变：新技术、新材料和新应用》上篇中，我们介绍了EOS、华曙高科以及Aerosint等公司的新型 SLS 3D打印工艺，并阐述了桌面激光烧结工艺对3D打印行业产生的影响。本期，3D打印技术参考继续介绍下篇内容，包括SLS新材料的演变、后处理技术以及SLS新应用的发展。 SLS新材料的演变 最早的激光烧结技术最常用的材料是尼龙，它是一种流行的工程热塑性塑料，也称为聚酰胺（PA），以质轻、高强、耐用和抗冲击著称，非常适合快速成型和生产。 SLS 工艺打印的尼龙材料 如今，尼龙仍然是最受欢迎的SLS材料。但是，随着3D打印工艺和材料技术的进步，逐渐出现了尼龙基复合材料，如掺杂碳纤维、玻璃纤维和铝等材料，进一步增强了尼龙的机械和热性能。 除尼龙外，当今可用于SLS的材料还有柔性TPU、阻燃聚合物、抗静电聚合物以及PP、PEEK和PEKK等。高性能材料的可打印性与技术创新紧密相关，如EOS首先需要创建高温3D打印机，采用可能打印PEEK等材料。 EOS PEKK 3D打印产品 SLS新材料的开发速度非常迅速，意大利3D打印公司CRP Technology不仅提供一系列的尼龙基复合材料和橡胶塑料粉末，旗下最新产品还包括Windform FR系列阻燃复合材料，可适用于飞机（如内部零件、驾驶舱组件、风道和出气阀）、汽车（如内饰和外壳组件）消费品以及电子产品（照明和电器）等。 化工公司帝斯曼在2019年发布了PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）粉末，它也是第一种商业化的激光烧结用PBT粉末。作为一种热塑性工程聚合物，PBT由于其绝缘性能可在电子工业中得到应用。 DSM PBT材料可用于汽车和电气行业高精度组件打印 此外，化学巨头巴斯夫旗下子公司Forward AM还开发了激光烧结用Ultrasint系列阻燃材料。PA6 FR是该系列的最新材料，具有高刚度和良好的热稳定性，目前已被用于生产具有防火要求的车辆零部件。 不久前，巴斯夫和帝斯曼均从法国制造商Prodways处购买了SLS打印机，此举将进一步加速两家公司用于研发、零件生产和材料测试的步伐。 SLS后处理技术的自动化 尽管SLS技术消除了对支撑结构设计和去除的需要，但它并非不需要面对后处理挑战。其中最大的一点是需要清除残留在零件表面和内部多余的粉末，当前多是通过手动清理以及传统的喷砂、气吹等技术解决。 当前SLS技术的后处理方式 但是，这些方法需要大量的人工操作，从而增加了损坏易碎结构和造成最终零件不一致的风险。对于表面精加工，SLS零件通常使用不是为3D打印而设计的半自动化设备进行处理。这些方法不利于充分利用SLS设备的功能并扩展到更大的生产量。 值得庆幸的是，一些行业参与者正在为SLS工艺后处理开发自动化的解决方案。后处理技术专家PostProcess Technologies通过其Fusillade（TAF）技术提供粉末解决方案，该技术采用两个垂直的单轴射流（包括压缩空气，清洁剂和悬浮固体）进行有针对性的喷砂，同时零件可以360°旋转以获得最大的表面暴露。此外，英国公司AMT也将于今年晚些时候推出自动化的后处理解决方案。 Fusillade（TAF）技术原理 从手动清粉到自动清粉将不仅减少人工劳动时间，还可以使公司更有效地扩展SLS生产，从而将以一种重要方式帮助优化SLS 3D打印工作流程。 SLS新应用：在生产中的使用越来越多 尽管SLS技术此前多用于原型制作，但它在功能部件测试以及最终部件生产中的应用也越来越多。 航空 航空航天领域可以使用SLS技术制造飞机内部零件。一个典型的例子是阿联酋最大的航空公司阿联酋航空与3D Systems合作，使用DuraForm ProX FR1200尼龙材料生产视频监控罩，该材料满足航空航天工业对内部机舱零件的要求；采用SLS工艺生产的通风口格栅已经通过认证并安装在飞机内部。 阿联酋航空3D打印的通风口格栅 消费品 在消费品行业，香奈儿率先将SLS 3D打印用于睫毛膏刷生产。使用该技术生产的睫毛膏刷结构设计得到了优化，使用SLS技术生产的刷子具有粗糙、颗粒状的纹理，可改善睫毛膏对睫毛的附着力。 香奈儿睫毛膏刷 除美容产品外，SLS还越来越多地用于医疗和鞋类领域，可以生产定制的鞋垫和运动产品。 赛车运动 在赛车运动中，该技术可以帮助赛车队创新汽车设计并比传统技术更快地对其进行测试。意大利汽车制造商阿尔法·罗密欧的索伯F1车队一直在使用SLS技术，每天生产多达300个部件，已成功地制造了用于风洞测试的内部管道、手偏转板和发动机盖等部件。 索伯F1 Alfa Romeo汽车的SLS应用 SLS：聚合物3D打印的最佳选择之一 SLS 3D打印市场处于不断发展的状态，通过引入紧凑且价格合理的台式机，该技术将更加亲民。同时，工业SLS设备的制造商更加关注将SLS确立为最终生产工具的解决方案。 SLS技术的应用正在稳步增长，根据著名的3D打印服务供应商Sculpteo的报告， 2019年超过75％的3D打印项目使用了SLS工艺，该技术被认为是聚合物3D打印的最佳选择之一。SLS工艺的新技术、新材料和新应用将继续发展。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.SLS的演变：新技术、新材料和新应用 2.惠普多射流熔融技术与激光烧结技术谁优谁劣，该如何选择 3.2019年3D打印材料市场的演变：趋势和机遇（聚合物篇） 4.中国高分子材料3D打印发展现状概览

众所周知，GE公司自2015年已经使用增材制造技术批量生产发动机燃油喷嘴。与之前传统加工零件模型相比，增材制造的组合喷嘴的耐久度提高了5倍，且增材制造技术将之前20个零件组合为1个单独组件，减少了传统加工工艺中必须使用的焊接技术。这种燃油空气组合喷嘴已经用在LEAP等发动机上。 燃油空气组合喷嘴工作过程 由于增材制造技术在过去几年持续受到重视，燃油喷嘴的组合设计和增材制造方案也开始被包括中国在内的很多国家尝试。本期，我们介绍航发院杨谦研究员关于3D打印在燃料喷嘴组合制造中的应用潜力与优势分析。 发动机燃烧室最关键的一个组件 燃料空气组合喷嘴是燃烧室中最关键的一个组件。它的作用是使液态燃料形成良好的雾化颗粒群，对液态/气态燃料和空气进行高效混合，在燃烧室头部产生稳定火焰的回流区，生成的旋流火焰满足燃烧室的点熄火、燃烧效率、排放物和出口温度指标要求。 目前，先进的燃料空气组合喷嘴往往采用燃油喷嘴+单级或多级旋流组件组成，燃油喷嘴流道和旋流空气流道结构复杂，采用传统制造方法零件数量和加工工序较多，增材制造加工技术的出现为喷嘴生产制造提供了一个优化路径。 正在打印中的喷嘴 另外，增材制造个性化制造的特点在异形组合喷嘴的加工上也得到了应用。无人飞行装置的动力系统在使用高能量密度燃料时会出现燃烧系统低效能的情况。为解决微尺度燃烧室效率和耐久性问题，表面积与体积比率很高的微型燃烧室多采用微尺度和中等燃烧尺度燃烧组织方式，应用传统的制造工艺面临诸多困难。 采用金属3D打印技术成功制造多个4×4中等尺度的受控旋流阵列组合喷嘴，充分验证了该技术加工小型复杂高纵横比零件的可靠性和可重复性。但在加工过程中也出现了一些不足和问题，如孔形变窄、通道塌陷和结构加工不完整等情况。奥地利Combustion Bay One团队为了降低旋流通道的压力损失，优化旋流喷嘴的流动燃烧性能，设计出多个使用数学分析手段得到的螺旋式旋流器。在进行评估之后，采用SLM技术完成了IN718材料的旋流器加工。据统计，一个旋流器的平均加工时间为10h，壁面厚度最小可以达到0.5mm，且在加工过程中不需要额外的支撑结构。 增材制造在异形组合喷嘴加工的应用，加工过程无需支撑 同样，利用增材制造技术进行燃油喷嘴和旋流器制造的还有赛峰直升机发动机公司、西门子公司和Euro-K公司等。在满足制造精度的前提下，增材制造技术使得制造工序大大减少，有效地缩短了生产周期，降低了成本。 传统加工面临的挑战有哪些 燃料空气组合喷嘴航空发动机对燃烧室性能要求的提高使得燃烧室头部的燃烧组织方式发生了较大的改变。从传统的燃料空气组合喷嘴进一步发展出了中心分级头部燃烧组织方式。由于燃料空气组合喷嘴的设计需遵循强化混合的目标，燃料流动通道和空气流道在上游分隔而下游合并，燃料流速较空气更高，因此，流道尺寸小，空气量相对大且需确保均匀，往往采用轴对称的尺寸相对较大的旋转结构，这些特点使得燃料空气组合喷嘴的结构异常复杂。 喷油嘴头部复杂结构 在加工过程中，由于小孔、燃料管道、旋流叶片和复杂混合腔道的存在，需要将喷嘴分拆为多个零件进行加工。在加工和装配的过程中，还需要设计多个工序来保证尺寸、精度、粗糙度和密封性的要求。而且，分级喷嘴的出现，使得燃油流道和空气流道的个数进一步增加，燃油流道由1～2级变为2～4级，空气流道由2～3级变为3～6级。同时，具体结构的尺寸差异也在放大。采用传统加工方式，组合喷嘴分拆出的零件数量将会由5~10件增加到20件以上甚至更多。由于结构复杂性的增加，零件的装配和焊接会遇到巨大的困难，需要进行精细的结构设计来避免装配问题的发生。 增材制造技术的应用潜力及优势分析 增材制造技术应用在燃料空气组合喷嘴上将会大大促进喷嘴研制的发展。其应用在喷嘴研制领域的优势体现在以下几个方面。 一是减少加工装配工序的个数。由于增材制造技术是一次成型的制造技术，在进行喷嘴生产的过程中只需要提供符合设计要求的喷嘴3D模型就可以一次性加工得到。 二是可以实现多种复杂结构的设计方案。对于传统加工方法很难做好的多级旋流结构、油气混合腔道和吹扫空气结构等，增材制造技术通过模型生成都可以做到。 南科大基于增材设计的航空发动机燃油喷嘴剖面图 三是保证密封要求。由于不存在焊接工序，燃油和空气流道的密封性可以得到更好的保证。 四是尺寸精度更高。增材制造技术的最高精度在μm量级，完全能够满足尺寸在mm量级上的喷嘴加工限制要求。 五是加工周期短。由于增材制造技术工序的减少，增材而非减材的方式注定了其加工用时大多短于传统机械加工方式。 国内设备商打印的航空燃油喷嘴 END 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。但我们都知道，如此重要的部件，还需要经过实际应用的检验。 欢迎转发联系笔者：2396747576；交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 2.3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益 3.3D打印实现制造轻量化（二）：优化设计，降低材料使用要求 4.采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印在燃料喷嘴组合制造中的应用潜力与优势分析

增材制造已不再仅用于制作原型件，越来越多的技术被用于制造可投入生产的零件，这迫使工程师开始考虑联合设计和组装过程。 许多打印的组件最终需要与其他零件或组件连接，而且，某些零件太大而无法在单个3D打印机上生产。无论是金属还是塑料，都可以通过传统的三种连接工艺来组装打印的零件：粘合剂粘合、机械紧固和焊接。通常，大多数塑料零件通过粘合剂连接，而许多金属零件是用螺钉和其他类型的紧固件组装。 双缸内燃机气动功能模型，采用不同性能树脂打印零件组装而成 增材制造的好处之一是零件整合。以前需要组装的复杂、多组件零件可以作为单个对象进行打印，这使工程师能够将多个零件或组件整合为一个零件，从而节省了时间和组装成本。增材制造的长期目标是简化或减少组装需求。实际上，许多塑料打印零件都采用卡扣配合，从而完全不需要粘合剂或紧固件。通常，卡扣配合保持在模具制造的几何约束之内，并利用塑料的能力进行弹性变形，然后通过卡扣成形。 3D打印的零件通过卡扣连接 当前采用增材制造技术的驱动因素之一是该技术可以生产高完成度的成品零件，它通常省去了多个组件，或优化了需加工零件或零件组的结构设计。与传统的机加或模制零件相比，通过增材制造生产的金属或塑料零件重量轻得多，并且几何形状更复杂，而它仍然可以使用与传统零件相同的紧固件。 随着越来越多的制造商开始打印可用于生产的金属和塑料零件，他们迟早需要将这些零件连接到采用传统制造技术（如模铸、注塑或机械加工）制成的其他组件或零件上。需要特别注意的是，不同的连接方式，组合体所能实现的功能是不同的，当然，根据需要的不同，也需要选择不同的连接方式。 一、航空航天应用中的连接方式 航空工业一直处于在生产中采用打印零件的最前沿，这些零件可用于从商用飞机座舱到喷气发动机的各种应用。打印的零件通常需要与铝或碳纤维复合材料组件连接主要的航空航天制造商，如波音、空客、通用电气和洛克希德·马丁公司等也都对该技术持乐观态度。 波音公司已经不止于卫星和载人航天器，而且已经将该技术用于导弹、直升机和飞机。随着增材制造成为主流制造方法，通过设计集成的机械系统，可以显著提高可制造性并降低成本。但是，如果没有足够的理解并将整个系统作为一个整体重新设计，就不可能优化增材组件。 1.紧固件连接 大多数航空航天增材制造应用涉及几何形状最优化的金属零件，而传统的加工技术是无法实现的。最终的零件仍具有与传统机加零件相同的功能，实际上，它通常具有与原始零件相同的尺寸范围，并且在连接界面处使用与原始零件相同的紧固件。在优化打印零件的同时，还有优化紧固件的巨大机遇。如果工程师采用最新的增材制造技术，那么也应采用最新的高性能紧固件。 空客将3D打印的钛合金支架连接到了A350 XWB客机的铝制挂架上（来源：空客） 2.开发先进粘合剂 随着增材制造技术的成熟，材料的性能正在大大提高，这为连接打印零件创造了新的机会。汉高公司在大规模定制可获益的行业中看到了更多的应用（如体育用品、医疗设备，还有很多应用是小批量制造工作，如航空航天和专用工业机械），为了应对这些应用，汉高一直在为各种增材制造技术开发先进的粘合剂。 3D打印大型汽车仪表盘，20余种零部件通过紧固螺钉和粘结剂“无缝拼接”（来源：华曙高科） 3.焊接连接—考虑材料性能差异 EWI结构完整性首席工程师表示：“连接打印零件的难度可能会有所不同，具体取决于所打印的材料和尝试将其连接的材料。但是，对于金属和塑料零件，最常见的材料选择很容易焊接到相似的材料上。”莫尔认为，异种材料的连接更具挑战性。总的来说，用于增材制造的合金是可焊接的，即使是用于不同的连接。关注的领域可能是变形、材料性能、性能下降和腐蚀。变形是由于直接来自增材工艺的零件通常已经具有高张力的残余表面应力，该残余应力会在连接过程中通过加热而改变。由于增材材料可能具有产生自沉积的微观结构定向效应，从而导致材料性能下降。 3D打印的零件通过焊接成为一个整体（仅示意） 就像任何需要集成到最终组装件中的工程组件一样，如果工程师对增材制造工艺的能力和局限性有充分的理解，那么连接打印零件就会相对简单。不同的打印技术将生产出具有完全不同特性的成品，即使是打印相同的3D模型也是如此。最终零件的尺寸精度和稳定性，以及表面光洁度和某些机械性能的各向异性都会对最终组装操作产生影响。在这些情况下，可能需要进行设计更改以生产针对整个制造周期进行优化的零件。 二、性能变量影响组装过程和零件最终使用效果 打印的零件会具有不同的性能，工程师应仔细考虑弹性、孔隙率和刚度。不同材料的腐蚀风险也不同，增材制造的材料在化学上往往会发生局部细微变化，从而加剧腐蚀效果。 与使用注射成型等传统方法制造的相同零件相比，即使使用相同的聚合物或金属，打印零件的物理和机械性能也可能有很大差异。从材料科学的角度来看，这不足为奇。例如，最古老、最常见的工程材料之一——碳素钢，可以通过回火或退火来改变其内部结构，从而产生截然不同的性能，3D打印也是如此。 在这种情况下，3D打印会制造出本质上具有各向异性的结构，而且其中还可能存在缝隙或空腔。这种孔隙会影响零件密封或容纳流体，而且零件的表面光洁度或粗糙度在不同方向上也很明显。工程师必须在打印过程中控制零件的方向，这最终将决定成品组装件的承重性能。表面和性能属性的变化也可能对粘合剂分配或组装过程产生影响。 后处理对零件表面质量造成影响，并影响组装连接 在许多情况下，使用增材制造来达到与铸造、锻造或机加零件相同的设计标准，利用工艺的灵活性可以减少总重，同时满足设计意图。这在航空航天应用中非常有益，重量节省直接与燃料成本相关。结构的优化将提高材料的有效利用水平，尤其是对弹性行为更敏感的材料。 3D打印零件的孔隙度对组装过程的影响与铸造零件相似，不同之处在于，打印零件的孔隙分布往往比铸件更均匀。对于在连接界面需要气密密封的情况，对均匀性的预期有助于其设计。此外，针对不同的焊接方式，打印零件的后处理也需要达到不同等级的要求。 三、多种方案，多种选择 粘合剂、紧固件和焊接都可用于连接金属或塑料打印件。用于传统模塑塑料零件的螺纹成形紧固件与打印塑料零件之间没有太大区别，都可以实现良好连接。 Stratasys也是采用这些常规的连接方式，但仍然对不同连接方式造成的影响进行了探索。采用FDM打印的零件可以与多种类型的环氧树脂和氰基丙烯酸酯粘合：二元的环氧树脂在固化的同时可以将粘合部分固定或夹紧；氰基丙烯酸酯的拉伸强度高于环氧胶粘剂，但它对高温、化学药品和溶剂的抵抗力很差，因此，与氰基丙烯酸酯的粘合可能会降低FDM零件的性能。 Stratasys等开发的3D打印无人机（机翼跨距约3m） 超声焊是另一种连接方式，特别是对于用热塑性材料打印的零件。当需要更高的强度时，可以将超声焊与其它方法结合使用。机械紧固是另一种有效的选择，连接FDM零件时，可以使用大量的机械紧固方法和硬件选择。机械连接零件的一种独特方法是在零件的制造过程中将紧固硬件放入零件内部，当打印完成后，可实现内外部的紧固。 注：本文由刘亚威先生编译，3D打印技术参考再编辑整理。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.案例：3D打印如何用于工装夹具生产 2.近3000零件优化为68个，3D打印组装结构的要点有哪些 3.3D打印实现制造轻量化（二）：优化设计，降低材料使用要求 4.基于SLM的增减材混合制造新形式：激光熔融与超快激光切割相结合 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印零件如何实现更好的组装和连接