2019年，3D打印技术的革新继续获得突破，从打印速度提升到打印材料扩展，从应用深入到生产流程的全自动化，新突破和新技术引领2019年度3D打印行业的发展。本期，3D打印技术参考例数本年度本行业的技术突破和应用。 1. 轴向光刻技术 如果传统上提到的3D打印还只是二维打印的纵向叠加，那轴向光刻则能称得上是真正的三维成型。1月31日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）与加州大学伯克利分校的研究人员于《Science》发表最新成果，其采用多激光在轴向旋转过程中实现不同角度同时曝光，使材料能够从模型的“内核”逐渐向外部固化，实现了真正的立体打印。 轴向光刻体积打印 轴向光刻技术比现有的聚合物3D打印技术快很多倍，通常只需几分钟就可以完成打印，生产的零件具有良好的表面粗糙度，并且可以做到更大的尺寸。此外，轴向光刻技术所打印的零件受周围液体浮力的支撑，首次实现真正无支撑3D打印。未固化的光敏材料也几乎零浪费，100%可重复利用。 2. 3D打印会生长的骨、会呼吸的肺，会跳动的心脏 2019年，生物和医学3D打印取得重要突破。4月15日，以色列特拉维夫大学在Advanced Science上刊文，宣布成功用人体细胞制造出世界上首颗3D打印心脏。这颗人工心脏大约两厘米长，不仅有心脏细胞，还有血管和其他支撑结构，甚至能像真实的心脏一样跳动。最关键的是，这颗心脏的“打印原料”和“粘合胶水”，均来自患者本人体细胞，不会在进行器官移植时产生任何排异反应。这项研究为器官移植带来新的可能。 心脏3D打印过程 4月18日，西北工业大学汪焰恩教授团队3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展，团队研制的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致，可在生物体内“发育”，甚至使自体细胞在人造骨中生长，最终，人造骨与自然骨很好地生长在一起。 3D打印的活性仿生骨 5月3日，《Science》最新一期封面文章带来了美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队的一项里程碑式发明，他们采用立体光刻3D打印技术制造了肺部错综交缠的血管网络以及用于运输空气、淋巴液等物质的管道。这枚3D打印的肺具有完整的血管结构，能够朝周围的血管输送氧气，完成“呼吸”过程。 3D打印的可呼吸肺泡组织 8月2日，美国卡内基梅隆大学Feinberg教授团队提出了一种利用悬浮水凝胶自由可逆嵌入(FRESH)来对胶原蛋白进行3D生物打印，这种方法能够从毛细血管到整个器官的不同尺度上直接获得具有精确控制组成和微观结构的人体心脏组织成分。相关论文以“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”为题，发表在《Science》上。 用人类心肌细胞打印的心室显示同步收缩‍ 从这四项重要进展可以看出，3D打印对于医疗的贡献是巨大的。在未来10年，人们有可能会采用自身的组织细胞制造出活性的组织和器官，这无疑能够最大程度解决移植器官的供体短缺问题。 3. 新型大尺寸、高速、光固化技术，突破Carbon打印速度最高纪录 2019年10月18日，《Science》发表美国西北大学关于一种大尺寸、高速、光固化（DLP）3D打印机的最新成果，其改进的重点与Carbon的CLIP技术类似，即通过树脂槽的改进（创建隔离层）防止打印过程中零件与树脂槽的黏连，从而可连续性实现快速打印；同时，该方法还可消除固化过程中产生的热量，最终突破了Carbon CLIP技术打印速度的最高纪录。 HARP快速打印过程 得益于良好的散热技术，HARP技术打印的零件不会出现破裂和变形，可打印高强度、弹性以及陶瓷零件。这些连续打印的零件机械性能很好，可用于汽车、飞机、牙科、矫形器、时尚等领域。HARP原型机尺寸为610*380*3960mm，每小时连续垂直打印高度超过430mm，固化树脂100升，具有3D打印创纪录的吞吐量。HARP技术有望在未来18个月内进行商业化应用。 4. 高强铝合金材料屡获突破 本年度，国际范围内有多个牌号的高强铝合金获得上市和应用。 3月，中国长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段，成功研制出了一种高强铝合金粉末材料。通过在多家用户不同型号设备上机使用验证，此种合金粉末材料的成型零件室温拉伸强度达到535MPa以上，屈服强度达到510MPa以上，延伸率达到12%以上。与空客公司研发的高强铝合金粉末产品性能相当，目前已被航空航天用户采购应用。 8月，莫纳什大学吴鑫华院士领导的研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料，为3D打印铝合金材料再添一名明星成员，其拉伸强度目前已超过600Mpa，屈服强度可达580MPa，延伸率11%，制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验，相当于发动机常规服役25年的要求。此举受到了包括美国通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。同月，英国铸造专家Aeromet International宣布，其获得专利的铝合金A20X已超过500 MPa的极限拉伸强度，这一成就将这种材料确立为“市售最强的铝增材制造粉末之一”。A20X是一种铝铜合金材料，已经被领先的航空铸造供应商的全球网络所采用。 当前高强铝合金的性能对比（具体成分数据上传至QQ群） 10月，美国休斯研究实验室（HRL）开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600 Mpa，成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。 据SmarTech介绍，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量（按体积计算）将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料，成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。 5. 哈佛大学开发多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统 11月13日，哈佛大学工程与应用科学学院研究团队在国际顶级期刊《Nature》在线发表研究文章，涉及一种新型的多材料全彩3D打印系统，为3D打印功能材料制造提供了一种新的途径。 研究团队采用该技术开发的16脚软硬质弹性体功能机器人 该团队设计的多材料多喷嘴3D打印系统通过使用高速压力阀控制并行排列的多达128个喷嘴，能够在极短时间内实现八种不同材料无缝高频切换，实现对材料组成、几何形状和结构性质的体素级别控制，从而大大拓宽了可以设计和制造复杂图案的体素化材料的范围，推动了增材制造可达到的速度和材料界限。这一突破不仅仅是实践应用的进步，更具备改变设计、制造功能器件的潜力。 6. eos金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功 自2017年5月以来，EOS联合戴姆勒汽车、Premium Aerotec（飞机零配件制造商）发起名为“NextGenAM”的新一代增材制造试验性生产线项目，旨在探索金属3D打印在批量生产中的自动化潜力。今年5月，该项目成功完成，11月，该项目成果在法兰克福3D打印展会期间面世。 金属打印无人干预、全自动化的生产流程 “NextGenAM”致力于无人干预、全自动化的生产流程，所有机器网络化，全部由中央自动控制站发出命令并控制，集成质量管理的连续3D数据链使该生产系统成为未来工业4.0基准的首批案例之一。自动化的生产线可被轻松复制，以扩大工厂的产能。该项目的成功证明，金属3D打印完全可以自动化的实现经济、高效的批量生产，同时也证明了数字化制造的可行性。 7. 激光烧结技术开启光源性改变 传统上，激光烧结技术一直使用CO2激光器作为能量来源，即EOS于去年推出基于近百万个二极管激光器阵列的LaserProFusion技术之后，SLS技术的光源开始发生多样性改变。 3月，中国华曙高科推出高分子光纤激光烧结技术，在效率、产能、打印细节品质方面刷新现有同类技术的记录，把SLS工艺带到了新的发展阶段。 SLS光源改变，打破常规 11月，EOS再次革新SLS技术—第一次将CO激光器用于工业级粉末床3D打印。相比于CO2激光器，CO激光具有前者一半的输出波长，更高的材料吸收率和更小的聚焦光斑，从而可以更高的粉层厚度和更低的功率进行更高细节表现力的加工。 SLS技术光源形式的改变，均在于提升生产效率和降低生产成本，对丰富技术多样性和促进3D打印应用大有裨益。 8. 飞秒投影双光子光刻，将3D打印提速1000倍 基于双光子光刻(TPL)的亚微米增材制造技术有望实现量产制备具有纳米尺度的复杂三维结构。然而，对于工业应用而言，TPL的连续逐点扫描速度太慢。同时使用多个单光电无法达到亚微米分辨率，或者无法模拟复杂的结构。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和香港中文大学合作提出一种通过超快激光打印亚微米结构的技术，通过投影2D聚焦平面构筑3D模型。这种方法在不牺牲分辨率的情况下将传统方法的产率提高了三个数量级，能够在8分钟的时间内打印出传统TPL方法几个小时才能完成的结构。 制备纳米尺度复杂三维结构 该技术的打印量、分辨率和模式灵活性使其成为一项有吸引力的技术，可实现微纳米结构的批量制造，可用于机械和光学超材料，微光学、生物支架，电化学接口和柔性电子器件多种领域，是一项具有实用性的革新技术。相关研究成果刊发在《Science》上。 9. 中国国产大尺寸SLM设备爆发 此前，基于SLM的大尺寸金属打印机几乎全部为欧美公司所垄断，如SLM Solutions (SLM800)、concept laser (X line…

12月27日20时45分，我国首型运载能力最大、无毒无污染液体火箭——长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空，2000多秒后将实践二十号卫星送入预定轨道，发射飞行试验取得圆满成功。此次发射飞行试验主要考核长征五号火箭总体方案、各分系统方案的正确性、协调性，对后续航天任务的相关关键技术进行验证。 长征五号采用5米直径芯级，捆绑4枚3.35米直径助推器，全长约57米，起飞重量约870吨，起飞推力超过1078吨，拥有近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力。 陈肖/摄 2019年3月，中国航天科技集团有限公司一院211厂完成首批长征五号系列运载火箭芯级捆绑支座的批生产。长五系列芯级捆绑支座是我国首个采用全3D打印的米级关键承力构件。进入批生产前，产品顺利通过静力试验，全面考核了飞行状态下的产品性能。但此次发射的火箭该部件并非采用3D打印。 据了解，早在去年年底211厂就开始启动3D打印大尺寸主承力件首批产品的生产。除了此次实现批生产以外，后续该产品还将用于长征五号B火箭发射任务，并接受飞行考核。 利用3D打印生产的产品正在出舱 捆绑支座为运载火箭主承力构件，综合力学性能要求高，此前主要采用加工性能较好的高强钢，通过锻造再机加的方式成形。但这一加工方式存在材料去除量大、加工周期长等问题。 激光同步送粉3D打印工艺原理 面对新型号减重的迫切需求，该厂于2016年提出采用具有更高比强度的钛合金材料，利用激光同步送粉3D打印工艺，实现捆绑支座的整体成形。经过系统工艺研究，该厂试制的产品顺利通过了成分、组织性能、表面质量及内部质量等各类检测，整体综合性能达到锻件水平，且较原设计减重30%。 激光同步送粉3D打印技术，不仅实现了难加工金属材料的快速成形，同时还为箭体主承力部段的轻量化结构设计与制造，提供了强有力的技术支撑。 更多内容，请持续关注3D打印技术参考。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 2.从嫦娥四号登月，看航天529厂如何实现3D打印在轨应用 3.阅兵式：我国新一代军机普遍使用3D打印技术 4.民航领域可用3D打印材料、工艺和案例，及民航专家的适航认证启示

金属3D打印的产出情况，相信从事这个行业的很多公司都做过计算，据国内某3D打印服务商提供的统计数据，其年度金属零件净重与材料的总消耗（同种材料）之比由于材料的不同从1:3.8到1：2.5不等；另一医疗行业研究机构的金属3D打印材料产出比为1:1.5，通过这两项数据，我们可以知道金属SLM的材料产出率约为26%-67%，实际上多数情况不足50%。当然这个范围并不具备权威性，但却具有一定的代表意义，笔者计算了本单位的产出率也在这个范围之间。 SLM产生的支撑结构和浪费的粉末 这意味着，3D打印虽说节省材料，但同样会造成大量的材料浪费。这些消耗的材料包括支撑结构、废件、被循环系统带走的金属粉末以及粉末筛分过程产生的损失，被循环使用多次的粉末，也需要混合新粉才能继续使用。 3D打印的高成本很重要的一个因素来自于材料，通常情况下，金属打印的支撑结构、废件以及污染的粉末无法再使用，企业多会丢弃而且要付处理费，也许有的企业会当做废金属变卖，也许还有其他的途径，但损失是极大的，我们也在此处做个统计。 在材料本身很昂贵的前提下，如此高额的浪费，造成了如今使用成本的高昂。那么这些打印后的支撑结构和废件，能否重复再使用呢？能用来做什么？金属粉末制造商6K Additive给出了答案。 ▌使用CNC铣削、磨削废料，3D打印支撑、废件生产优质金属粉末 6K所使用的工艺既不是已被广泛使用的气雾化法，也不是等离子旋转电极等方法，而是采用一种称为微波等离子体的制粉工艺。更为重要的是，它所使用的原料是CNC铣削和磨削的废料，并志在将功能扩展到3D打印的支撑结构、不合格的零件以及由于多次循环使用产生的不合格粉末。其目标是使用供应链中100％的3D打印材料，为增材制造应用端提供一种新的方式来管理项目成本和控制供应链，同时还可以促进增材制造向循环经济发展。 促进增材制造向循环经济发展 据6K CEO介绍，气雾化法至少有50％的成本来自粉末的产量损失，而微波等离子体工艺的制粉效率高达90-95％。该工艺能够非常精确地控制金属熔化成液滴的环境条件，通过调整时间、温度和流量大小，可以产生大量近乎完美的球形金属颗粒。 微波等离子体的制粉工艺原理 制粉原料的低成本及极高的制粉效率，导致了粉末成本的下降。进一步的，这种效益又蔓延至应用端，用户的使用成本也因此而降低，由于浪费造成的损失也得以降低。粉末成本，影响了整个生产周期的成本。 ▌可用于SLM、EBM、粘结剂喷射等3D打印工艺 上月，6K Additive推出了其采用微波等离子工艺和机加工废料为原料生产的高级In718镍基高温合金粉末，同时，基于该工艺6K公司还推出有钨、钼、17-4PH不锈钢、IN625以及TC4等粉末产品。除此之外，6K公司还在开发3D打印用非共晶合金粉末，如高熵合金、特种铝合金等。 6k微波等离子体工艺已生产的粉末 据介绍，由于微波等离子体的高度均匀性，该工艺生产的粉末具有高球形度、零孔隙率，高流动性和振实密度，并且消除了卫星粉。通过金属回收策略，6K将粉末分级为不同的制造工艺用粉，如SLM、EBM、粘结剂喷射、激光粉末沉积以及粉末冶金等工艺。其接近100％的细粉收得率是气雾化工艺的3-4倍。 使用Onyx In718打印的火箭喷嘴 在材料性能方面，美国领先的增材制造研究和先进制造解决方案提供商Castheon介绍，使用6K的In718粉末获得的材料强度和延伸率比此前都要高，热处理后可以获得各向同性的晶粒结构和性能。 Castheon使用Onyx In718打印的涡轮叶片 END 目前，6K Additive团队每年可以在航空航天、医疗和汽车行业回收和销售超过500吨的Ti-64，这为该公司提供了大量的工程原料。 回到话题本身，用于金属增材制造材料的匮乏是批量生产的重要限制因素，这是一个恶性循环：需求放缓意味着更少的材料开发，进而导致应用受限。虽然发展缓慢的原因很多，但成本一直备受诟病。6K所提供的3D打印废料再利用方案，不仅仅防止了材料浪费，降低了企业成本，更在于真正将金属打印打造成为循环经济。 本期上传内容：6K公司工艺与产品详解PDF 往期上传内容：粉体特性及杂质对打印质量的影响，粉末循环使用的寿命问题、航天用高品质粉末、材料形态对制件性能的影响等 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.3D打印金属粉末成型工艺 2.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 3.粉末一致性对3D打印的意义 4.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题

不久前，德国Fraunhofer IFAM（制造技术和先进材料研究所）与其合作伙伴共同开发了一款功能齐全的燃气轮机演示模型，其按照“西门子SGT6-8000 H”进行25倍比例缩小，整件模型除主轴外全部采用3D打印制造，实现了多结构一体优化、多工艺和多材料集成制造。借此，我们提出3D打印组装结构的概念，并对此进行介绍。 ▌考虑功能和基于增材制造的设计要求，进行零件集成或重新设计 SGT6-8000 H燃气轮机演示模型原始结构包含近3000个单独部件，这些零件无论单独进行传统加工还是3D打印，都极其耗时。研究人员通过根据结构功能的划分结合实际打印要求，对这些部件进行了一体化集成或重新设计，最终所有组件减少为68个。 据Fraunhofer IFAM介绍，这些组件实际生产之前的准备阶段也特别重要而且非常复杂。工程师必须考虑零件精度和表面粗糙度，还必须考虑支撑结构的必要性、数量以及零件各位置的特征尺寸。 西门子SGT6-8000 H燃气轮机 演示模型实际上是一个复杂的组合装置，其功能性是所有准备工作的前提，而3D打印的组件在大多情况下需要结合传统机械加工才能满足零件要求。例如，轴和涡轮必须能够在定子之间自由旋转，并且组合装置的各个组件必须以最简洁的方式彼此连接，3D打印的零件必须保证足够的加工余量，结合后续机加，才能满足不同连接方式、精度和表面粗糙度的要求。 零件在设计过程中得到了工艺工程师的充分配合，结合后者的制造经验，设计师在原零件的基础上进行了结构性修改，以此能够更加符合3D打印的结构取向同时又能够保证组件的功能性。其中，采用316L不锈钢制造的壳体结构在经过优化后完全不需要支撑。 ▌3D打印制造定标组装结构面临的材料问题 使用3D打印制造定标燃气轮机的主要限制在于材料。Fraunhofer IFAM及其合作伙伴使用了多种可商购的金属粉末，然而由于目前可打印材料种类的限制，实际部件的打印材料并非完全都与燃气轮机的目标材料相一致。 优化后的组件分别采用SLM和EBM两种技术进行3D打印，使用的材料包括铝合金、不锈钢和钛合金。其中，带有定子台的壳体组件使用Arcam Q20电子束熔化Ti-6Al-4V制造，涡轮和其他壳体组件通过激光束熔化打印。最终，Fraunhofer IFAM及其合作伙伴共同完成了这款功能齐全的燃气轮机演示模型。 3D打印的燃气轮机演示模型 采用3D打印制造组装结构，其实在历次展会期间已经多次出现，但它们大多不具备功能性。而此前我们介绍过的国内航发团队打印的微喷发动机则经过了试飞验证。 ▌中国航发采用3D打印制造组装结构的案例 中国航发动研所以一款微型涡喷发动机为技术验证平台，开展了基于3D打印的航空发动机结构集成化及轻量化设计研究，并针对3D打印的零部件及整机开展了验证试验工作，获得了一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机。最为重要的是，这款发动机具备功能性，实验团队将其装在航模飞机上，进行了飞行试验，并取得成功。 中国航发3D打印的微型涡喷发动机内部结构 在此项目在实施过程中，实验团队充分理解项目目标及航空发动机在结构、性能、工艺、强度、刚度、重量等各方面的要求，实现了复杂零件的集成化设计、结构优化设计和一体化打印。与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数量减少81%，发动机本体质量减轻17.3%。 2016年GE 3D打印的微型涡喷发动机测试过程 ▌工艺进步释放更高的结构设计自由度 在这些案例中，我们多次提到零件的重新设计或结构优化要满足增材制造的打印要求，这实际上就是在迎合金属3D打印目前仍难以克服的难点，即支撑的添加与去除。支撑的添加限制了金属3D打印更加复杂的结构的能力。 SLM从传统有支撑打印到无支撑打印的工艺进步 从今年的SLM的发展趋势看，设备商似乎对此问题有了更多的重视。多个品牌在宣传中提到，其目前可以打印45度以下的结构，甚至能够实现低至15度的无支撑结构打印。在这些宣传中最引人注目是来自velo 3D的近乎无支撑的金属打印工艺。 SLM技术在大规模减少支撑的前提下，必然会给复杂零件的设计进一步带来灵活性。这些案例也再一次告诉我们，3D打印的优势在于生产那些传统加工方式难以加工出来的产品，从改变产品设计的源头创造产品附加值，而工艺的进步将使产品附加值进一步提高。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.中国航发：基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验 2.采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 3.全球最大一体式3D打印火箭燃烧室，获美空军150万美金资助 4.velo 3D SLM无支撑智能系统

2019年11月29日，北航侯慧龙副教授以第一作者身份在世界顶级期刊《Science》发表了最新研究成果，论文发现3D打印的制冷材料镍钛合金，可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了3D打印在优化固态制冷技术中的潜力。本期我们不仅要介绍这项研究，还将介绍能够开发超级材料的3D打印工艺。 北航Science最新成果封面 ▌制冷技术介绍 空调和制冷每年消耗全世界约五分之一的电力资源。更高效、更环保的制冷技术在最近十几年发展迅速。固态制冷技术（包含磁热制冷、机械热制冷和电热制冷及其他）近年来引起关注。 弹性冷却效应 应力制冷技术（或称弹热制冷，是机械热制冷的形式之一）是通过外应力场的施加和移除可逆地改变材料的晶体结构对称性的引起材料放热和吸热。该技术发明于2012年，因其巨大的潜热效能，在2014年美国能源部统计的能够取代蒸气压缩式制冷的17种可选技术中排在首位。同时，应力制冷样机和应力蓄热热泵也在不断开发，以期接近实际应用。然而，应力制冷材料的热力滞后会约束制冷系统的效率，并且其对制冷性能的长期稳定性影响也未得到解决。 ▌增材制造镍钛合金：首创性地为长寿命材料制造、选取和工程设计提供科学依据 增材制造镍钛合金能够制造出高效热力学性能、超窄滞后的应力制冷材料。通过精巧设计的“工艺-微结构-属性-性能”策略，利用粉末激光定向能量沉积技术中的局部熔融和快速冷却的特点，调节元素粉末的比例达到近共熔成分混合，实现在二元合金基体中镶嵌富镍金属间化合物的纳米复合微结构。所获得的应力制冷材料在准线性应力-应变行为中展现出极小的应力滞后，相比于通常情况，其材料效率提高了4-7倍，并且在一百万次循环中拥有可重复的应力制冷性能。 图一：A. 粉末激光定向能量沉积技术示意图；B. 镍钛合金相图；C-H. 作为范例展示，获得了柱状、管状和蜂窝状结构；F. 等温加载时各材料行为的对比；G. 绝热加载时各材料行为的对比；H. 各材料的滞后特性和效率的对比 先进的原位加载同步X射线衍射表征手段辅以微观力学模型揭示了二元合金基体和富镍金属间化合物的相互作用机制。基于实验观测创建了应力制冷材料输入能量耗散率与功能失效循环之间的唯象相关性，并且初步的实验统计显示该相关性可普适于固态制冷材料，首创性地为长寿命材料的制造、选取和工程设计提供科学依据，对构筑高效、稳定的固态制冷技术具有重要的科学与技术意义。 图为3D打印抗疲劳、高性能制冷材料的示意图，作为范例展示，蜂窝状构件的形状和高度依次形成 增材制造应力制冷材料可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了增材制造在优化固态制冷技术的潜力。该项工作后续的研究将服务于国家在航空航天飞行器特种制冷技术的重大需求，结合北航航空科学与工程学院特色专业（包括飞行器结构强度和人机与环境工程），并与材料科学与工程学院、机械工程及自动化学院以及国内外相关单位合作进行。 注：研究全文已上传QQ群。 ▌激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力 在《采用人工智能和3D打印设计超级材料》一文中，我们提到，德国Fraunhofer IWS的工程师联合其它五家研究所借助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，并使用激光粉末堆焊技术，在具有挑战性的工作中开发新的超级合金。 通过激光粉末堆焊，可以整体制造由不同材料制成的部件，它可以将特定材料准确放置在需要其性能的位置。该技术为航空航天、燃气轮机开发更轻、更强和成本降低的部件提供了广阔的前景结合我们上周报道的中国留学生博士后Duyao Zhang发表的nature文章，也是采用了激光能量沉积技术制造超强材料钛铜合金。对比北航的最新成果，我们可以发现，这些研究普遍使用基于送粉的激光定向能量沉积技术开发超级材料。 激光能量沉积技术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，不同的粉末可以在激光的作用下实现共熔，构件的不同部位可实现不同的性能特点。因此，激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.采用人工智能和3D打印设计超级材料 2.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 3.大尺寸金属制造--激光熔化沉积技术 4.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法

随着3D打印在制造领域的普及，很多企业已经开始使用外发服务或内部购买设备来开启3D打印应用。然而在当前情况下，终端用户3D打印设备的开机率或使用率仍然偏低，3D打印所制造的零件成本较高，且以传统零件居多。如何遴选适合3D打印的零件，让产品创造更高的价值，成为传统企业使用新技术无法绕过的问题。本期，笔者将从三个维度分析3D打印对零件的应用性和发展性。 ▌为什么3D打印机用不起来？ 用户在购买设备的时候往往有很大的期许，销售商会宣称这台设备可以打印手板、夹具、甚至功能产品，其展示的PPT和国外案例也非常高端。然而现实是，用户把设备买回之后用起来或用的好的却不多，其主要原因有以下几个方面： 1. 应用受限 目前，3D打印虽然在航空航天、汽车、医疗等领域获得了很大的发展，但这些行业往往存在相当大的壁垒，绝大部分用户无法进入这些领域。普通用户的大部分3D打印应用仍集中在手板行业，而手板的实际需求量以及已经存在的较多的服务商，使得服务利润微薄，设备投资商靠量回本变得困难。 2. 只看表面成本，忽视其他利好 这涉及到对3D打印价值的认同度，如果将其视为与传统加工一样，用于制作传统零件，3D打印所使用的材料和工艺形式天然的导致其制造成本高昂。实际上，3D打印应该去做传统加工手段无法做到的事情。使用3D打印制造零件仅是最初级的意义，用户还需要利用其快速制造和复杂制造的特点提高研发速度，更快的占有市场，同时利用它去优化供应链；如果从业者把设计和创新思维融合进去，3D打印所制造的零件将会有更高的附加值。但很多的用户目前仅关注到材料成本很贵、维护麻烦、用不起，看不到后续价值。 3D打印产品的增值空间 3. 不知如何扩展应用 在很长一段时间内，用户购买设备的初心往往是采用一种新技术来制造传统零件，如开发新产品，快速占领市场，或者单纯的做3D打印服务。对产品持续创新能力的缺失，使3D打印应用一直停留在低端制造；而服务商通过拼价格的方式争取客户，经营也面临困境。实际上这都是不知如何扩展应用的表现。 以上几种情况都是笔者根据从业经验所看到的现象，这些原因都影响了内部3D打印机的使用率，而且还有可能是内部的3D打印机满足不了自己的全部需求，如买了塑胶的机器就打印不了金属等等。但无论是持有设备还是外发抑或是组合方案，对于想在自身业务上发展3D打印应用的公司来说都存在着一个困惑，即缺少一套有效的方法来最大化地使用3D打印，缺乏提高产品价值的能力。 哪些零件适合使用3D打印 接下来笔者将阐述EOS在遴选适合3D打印零件和提高产品价值方面的方法策略，希望能帮助到读者快速地评估自家业务的产品，匹配3D打印应用。 ▌零件的筛选要评估技术和经济适用性 技术适用性要明确3个问题： ●零件的尺寸是否符合设备的成型尺寸？ ●3D打印的材料是否跟零件的原有材料接近或相同？某些低强度要求的金属零件是否可以“以塑代钢”？ ● 3D打印是否能满足零件的性能要求？包括机械强度，表面粗糙度，尺寸精度和使用环境或者认证（如航空、医疗）等。 判断3D打印的零件能否满足性能要求 经济的适用性，也须明确3个问题： ●零件是否足够复杂使得3D打印的成本小于传统工艺 ●3D打印的单件成本跟传统工艺对比差多少？ ●3D打印使得零件可产生哪些增值效果？ 3D打印对于形状复杂而小批量的零件更具优势 3D打印的单件成本应该通盘考虑，包括设计优化和前处理的人工成本，设备的分摊和材料成本，后处理的设备分摊和人工成本，客户的订单量以及达到零件要求的后加工成本等。 3D打印的单件成本受到以上不同因素的影响 实际上很多时候我们计算出来的3D打印成本比传统加工高，是否采用3D打印进行生产就要计算增值效益能否抵过超出来的成本。可以叠加产品经过创新后获得的利润和效率收益以及运营效率提升后获得的经济和时间收益，计算整体的净收益然后比对溢出的3D打印成本。 ▌如何判断3D打印产品的增值效益 一是创新性，主要体现在新的设计、轻量化、定制化和多部件合并。 在模具制造领域，注塑模具的随形冷却系统完全是因为3D打印而诞生的新产品设计；在汽车和航空航天领域，特斯拉的金属打印车门支架和宝马I8通过MJF技术打印的车窗导轨以及航空航天工业的金属打印支架，均使用了拓扑优化使零件实现了轻量化；在医疗领域，根据踝关节损伤的病人个体特点定制的足部矫形器，使用3D打印获得了个性化、轻便且透气的功能，增加了佩戴的舒适性；而在航空发动机和燃气轮机制造领域，多部件合并一体化设计，增强了原来组装体的结构稳定性还减少了紧固件的成本和组装工时。这些都是通过产品创新实现的增值。 3D打印产品的创新性体现 二是运营效率提升，主要体现在：制造周期缩短、装配步骤减少、轻资产化和库存减少。 3D打印快在直接制造产品，减少了需求申请、外发等待时间和物流时间等中间环节，真正做到有需求马上能按时按量及时生产；通过多零件合并的部件，可以减少组装工序，从而减少相对应的产线成本，并使效率提升；相比传统的注塑成型，3D打印不需要模具且可以一次性加工不同设计的产品，从而对资产的投入仅是一台3D打印设备而已，减轻了资产负担；而3D打印快速生产的特点，可大幅地降低库存甚至做到零库存，也可减少大量成本。 3D打印带来运营成本的降低 ▌如何量化3D打印产品增值效益 采用一个简单快速的评估表即可检验零件是否适合应用3D打印。我们以一个机械设备操纵杆的案例进行说明。首先根据填写技术和经济适用性等级表格，得出指标等级。 通过表格评估技术和经济适用性 接下来是采用九宫格评估表格得出是否有必要采用3D打印制造，或是需要通过二次开发获取增值效益，后者需要探究轻量化、部件整合以及面向增材制造者的设计等优化策略。 通过九宫格快速评估零件 以上内容就完成了“零件的筛选”阶段。而如果零件需要进行二次开发，则这一流程将进入第二阶段，即通过面向增材制造的设计来优化产品和发展应用，并评估这些零件的业务量。如果零件的需求达到一定的程度，那么可进入第三阶段，即量产阶段。 END 对以上主要内容进行总结，可以得出EOS采用“三部走”的策略来发展3D打印应用，首先是筛选出合适的零件；第二步是针对某些适用性在临界点的零件进行优化，扩大应用量；第三步是利用杠杆加大3D打印零件的产量。这是从三个维度分析3D打印对零件的应用性和发展性，更详细内容将以PPT展现，欢迎进入QQ群下载。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.2019年度3D打印市场发展关键词：增长与活力 2.3D打印产业链：正在由导入期迈入成长期，行业整体毛利率较高 3.专门的增材制造业务部门对整个公司采用新工艺的重要性 4.当前工业企业对于增材制造的五大误解

由于人口老龄化、消费升级和政策扶持，中国骨科植入物市场近年来发展迅猛，市场规模从2009年的67.4亿增长至2018年的262亿，保持了较高的年度复合增长率。其中，创伤类、脊柱类和关节类是最主要的骨科植入耗材。 由于价值较高、对人体生命和健康有重要影响，植入物的生产和使用受到了严格监管。由于制造方式的进步，医疗器械的制造方式已经多种多样，近些年来3D打印的快速发展为医疗植入体的制造提供了新方式，同时也正在被国家药监局大力推进。然而，作为一项新的加工方式，3D打印的医疗器械也面临一项重要的安全性挑战—消毒灭菌，这对于高分子材料尤其重要。 3D打印正在逐步提高到一系列医疗器械更高的生产水平 ▌反复的热灭菌过程导致钛合金、高聚物等材料失效 医用材料在使用过程中需要经常消毒，然而一些聚合物可能符合化学稳定性或强度方面的规定，但可能会因长时间反复暴露于热灭菌过程而过早分解；钛合金植入物经受长期反复高压蒸汽灭菌也会造成材料疲劳引起断裂（氢脆失效）。对于使用特定温度形成聚合物的3D打印工艺，需要高耐热性也就意味着更高的加工温度。这可能需要特殊的高温打印机、加热床等设备，并可能需要一个封闭的内部空间来控制环境条件以防止医用材料被破坏。 钛合金植入体也存在疲劳断裂风险 3D打印的PEEK植入体（来源：陕西聚高） 在医用材料消毒中，挑战不仅仅是加热。用消毒剂擦拭设备等简单的操作会随着时间的流逝而降解聚合物。如下表格是熔融沉积（FDM）工艺可接受的相关卫生消毒方法，目前来说这可能是一种经济高效的零件制造与灭菌方法，可以针对医疗应用进行适当的灭菌。 常见的可消毒材料 材料 制备技术 灭菌方法 ABS M30i 熔融沉积建模（FDM） 伽马射线，环氧乙烷 PC-ISO 熔融沉积建模（FDM） 伽马射线，环氧乙烷 PPSF 熔融沉积建模（FDM） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 PA12(nylon) 选择性激光烧结（SLS） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 17-4PH Stain-less Steel 选择性激光熔化（SLM） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 ▌开发专门用于医疗领域3D打印的更高等级材料 目前全球有多家公司正在努力开发专门用于医疗领域3D打印的更高等级的聚合物。美国某公司去年提出某些材料特性是耐高温、耐化学腐蚀和耐磨损的并且同时宣布了三种新的用于医疗领域材料： 1.KetaSpire PEEK AM Filament NT1 HC； 2.KetaSpire PEEK AMFilament CF10 HC； 3.Radel PPSU AM Filament NT1 HC. PEEK打印机采用高温喷嘴 同年某化学公司一直在追踪医用设备中的聚合物，发现使用溶剂和其他化学物质对聚合物进行消毒可导致过早失效。为此，该公司开始了一项测试，该测试正在被更多公司采用。测试由不同半径的刚性夹具组成，将测试和对照样品安装到选定的夹具上，测试样品暴露于消毒剂中24小时，然后对测试和对照样品进行冲击测试，惊人的发现可以使用任何消毒化学品进行此测试。该公司目前正在与其他公司合作，以帮助医疗原始设备制造商（OEM）将正确的材料用于医疗应用，或了解在不同产品上应使用哪种消毒剂。 END 随着材料供应商越来越意识到对聚合物进行消毒的挑战以及3D打印在医疗行业中的优势，一些供应商正在大步迈进，将更高强度和耐化学性的塑料推向市场。除了灭菌之外，从3D打印原型制作到生产还有其自身的挑战。当然要使用灭菌材料，医疗市场的定制量和有限的投放量还需要进行一定的管制。 本期上传内容： 1.《国产骨科植入物制造中小企业供应链分析》 往期上传内容： 1.《定制式医疗器械监督管理规定》 2.《定制式医疗器械团体标准》 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 延伸阅读： 动画揭示：髋臼杯的机械加工、3D打印及植入过程 国内对3D打印医疗器械的生产、应用有哪些严格要求和限制 3D打印医疗植入体的安全性、国内审批流程及存在的问题医疗：PEEK相较金属植入物的优势与不足

本文所叙述的不仅仅是打印幅面超过400×400×400mm的SLM设备品牌及产品，还包括大尺寸打印不得不关注的几点问题，国内在大尺寸打印幅面方面呈现火爆现象的内在驱动力，以及大尺寸打印所具有的的优势和面临的风险。 ▌国产大尺寸SLM打印机品牌 铂力特 据铂力特相关资料介绍，该公司目前已推出两款具有大成型幅面的SLM设备。其中，BLT-S500成型尺寸400×400×1500mm，首次在全球实现单向1500mm级大尺寸SLM 3D打印，主要面向航空航天长轴类零部件定制开发。目前，已实际打印出最大尺寸1200mm的世界最大单方向尺寸的钛合金制件，是目前全球范围内可见报道中打印高度最高的设备。 BLT-S500打印的航空发动机风扇叶片，钛合金，400*400*780mm，200h BLT-S600主要面向航空航天大型回转体类零部件定制开发，实现了三向600mm大尺寸3D打印，是目前全球可见报道中最大回转直径商业化金属3D打印设备，目前已打印出直径近600mm的高温合金零件，成形尺寸、成形精度处于国际先进水平。 铂力特大尺寸金属3D打印产品 铂力特自2015年启动上述设备研发工作，设备拟自用为主。截至2019年上半年，公司生产自用转固S600 2台，在产S500 12台、S600 6台，实现S500设备销售1台，在手订单2台，S600尚未有对外销售订单。 易加三维 2016年，北京易加三维“大尺寸粉末床选区激光熔化增材制造工艺与装备研发”项目获得该年度国家重点研发计划“增材制造与激光制造专项”1985万元的经费支持。今年10月，易加三维在其金属增材制造用户大会上首次对外公布大尺寸金属打印机EP-M650，该产品系定制机型，成型尺寸为600×600×600mm，目前已成功应用于航空航天、军工和轨道交通领域。 易加三维大尺寸SLM研发机EP-M500 上海探真 2016年，来自华中科技大学武汉光电国家实验室的技术团队通过湖北省科技厅“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备”的成果鉴定。同年，上海探真成立，针对日益增长的以航空发动机叶片为代表的大尺寸工件的3D打印需求，该公司于2018年发布成型尺寸为500×500×1000mm 的大型SLM设备TZ-SLM500。实际上该设备即当年科技转化的成果，目前已迭代2次，生产多台，自用1台。 TS500打印的商发全尺寸航空发动机风扇叶片，304L不锈钢，308*341*724mm，170h 华曙高科 华曙高科目前已上市的大尺寸SLM设备为FS421M，成型尺寸425×425×420mm。FS721M是该公司已开发但未发布的最大型SLM设备，成型尺寸720x420x400mm。 其他及在研设备 此外，天津镭明开发的最大成型尺寸的SLM设备为420×420×530mm，苏州西帝摩为500×500×500mm和750×750×500mm两款。汉邦正在研发的一款最大成型尺寸的金属打印机为600×600×1000mm，苏州倍丰在研600×500×500mm成型幅面的设备。 ▌大尺寸SLM打印机须关注的问题 大尺寸SLM打印机大都突破了四光束联动扫描与拼接等关键技术，采用可移动成型缸。但用户还需考虑设备是采取上送粉还是双缸送粉，双向铺粉还是单向铺粉，毕竟如此大型的设备，粉末的固定成本亦是相当高昂，采取双缸送粉将限制实际的打印高度；而采取单向送粉，则会限制大幅面打印情况下的制造效率。同时也须考察设备是否具备在线监测功能，四象限加工的质量均一性和稳定性，重合区的制造质量控制等问题。 四激光打印分区 在此前我们也曾关注光束的稳定性问题。在打印超高零件时，不稳定的光束可能会造成零件打印错位；多激光的扫描次序与分配方案会直接影响残渣在风场条件下能否被全部带离打印平面；随着打印高度的变化，多激光、振镜系统能否在设备硬件热量变化和环境温度变化状态下一直保持较好的稳定或平衡状态，等等这些问题均会影响到实际的打印质量。 ▌为什么国内的大尺寸SLM打印机研发呈繁荣态势 目前，国际知名的SLM设备生产商拥有的大尺寸打印机分别有EOS M400(400 × 400 × 400 mm)，SLM Solutions的SLM800(500 x 280 x 875mm)、concept laser X line 2000R(800×400×500mm)、1000R(630 × 400 × 500 mm)，以及3D Systems DMP Factory 500等等。 3D Systems DMP Factory 500 国外的大型设备虽不少，但这并不是国内设备商纷纷开启研发的根本原因。在国内SLM设备领域，业内人员基于对EOS品牌的信赖而一直是其产品的跟随对象，但后者最大成型尺寸的打印机也不过如此。造成今天如此情形的根本原因还是在于来自于用户的需求，这也表明国内设备商正在跳出对标EOS产品的设计局限以及国内应用市场的强大潜力。大型 SLM 设备将解决了我国大型航空航天精密复杂构件的生产制造瓶颈问题。 ▌打印一体化的大型零件有哪些优势和风险 我们以世界首台大规模、大尺寸采用3D打印的型号发动机为例来说明问题。 GE Catalyst是世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机，新型的结构设计因为3D打印降低了制造复杂性，它将此前通过传统工艺制造的855个零件经过结构优化减少为12个部件。零件的大尺度合并意味着尺寸的急剧增加，传统尺寸的打印机便无法再满足制造需求，这是应用的刚需，打印尺寸不够，设计的再完美也无济于事。 3D打印的GE Catalyst涡桨发动机中框组件（点击阅读）该发动机最具代表性的集成优化部件就是中框组件，该部件在过去的传统制造中包含了300个单独的零件，通过焊接、螺栓连接等方式构成一个部件。工程师通过结构优化，最终将该零件集成在了一起，形成了一个复杂的单一结构，它无法通过传统铸造或机械加工制造，唯有3D打印能够实现一体成型。由此产生的结果在于该部件不再需要装配，不仅减轻了重量，更排除了磨损的可能性，发动机两次维护的时间更是被拉长了1000小时。 除此之外，大尺寸的超燃冲压发动机、火箭发动机、大飞机风扇叶片，此类结构也非常适合一体化打印。这些案例足以说明大尺寸一体化制造的优势，而后续由此带来的燃油效率提升、制造效率提升、供应链结构优化同样非常明显。 然而大尺寸制造的成本也是相当高昂的，金属粉的准备需要以吨计，这确实是非一般用户能玩得起的产品。同时，大尺寸设备的制造风险也很高，在打印过程中出一丁点的问题，零件就可能报废。想象一下，某用户打印了7天的零件，还剩最后某个部位出现了裂纹或卡刀，所造成的损失不仅仅是浪费的材料、金钱，还有时间，更可能因此造成更大的损失。所以此类设备的稳定性更加重要。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 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打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 4.多激光无缝拼接的大尺寸粉末床激光熔化自动化设备是怎么工作的？

2019年10月17日，美国防部发布了公开版的《有关国防部利用增材制造技术进行零部件维护保障的审查》报告。该报告旨在对美国防部增材制造技术的应用成效进行评审，以核查利用增材制造技术进行武器装备维护保障工作的执行情况，并对后续推广增材制造技术应用提出建议。 由这份文件我们可以看出，将增材制造用于装备维护已经被美军格外重视，同样的，中国的军事武器也存在大量的维护修复需求。这个话题实际上很少在国内圈子里讨论，但其实已经存在很久。本期，3D打印技术参考将介绍国内应用的实际案例，并看看铂力特总经理如何评论。 3D打印移动方舱(仅示意，非实际) ▌美国的发展情况 美国已成功将增材制造技术应用于装备战场的应急保障。在2001年，美军阿拉巴马陆军军械库就已建成LENS军械修复系统并在实际使用中取得了良好的效果。在阿富汗战场上，美军率先采用该技术对黑鹰直升机发动机叶片进行了现场快速维修，修复后的发动机叶片性能比原叶片还有所提高。相应的美国陆军坦克及机动车辆司令部也进行了类似的工作，他们研发了移动零件加工中心，可采用激光增材制造和各种数控加工装备，现场直接加工出满足维修需要的零件。 集装箱性质的移动远征实验室，中国也采用这种形式 此后，美军在这个基础上引入了新型制造技术和维修工艺，建造了移动远征实验室。2012年，美军快速装备部队率先交付了首个移动远征实验室，2013年1月，美军在阿富汗战区又实地部署了第2个移动远征实验室。 ▌3D打印化解中国武器装备维修险情 目前，我国也已开发了相应的武器装备野战环境下的快速维修单元，并且许多科研院所如沈阳自动化研究所快速成形实验室、装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室等也都开展了相关研究，包括采用金属粉末激光成形技术进行部分战机的发动机涡轮导向器和舰船螺旋桨叶片的修复与再制造、移动式增材制造维修战车的设计等。中国兵器工业集团在2015年设立了“中国兵器工业增材制造技术研究中心”，研究增材制造技术在武器装备典型金属零件的维修、维护上的应用，并对金属构件增材制造研究和应用统筹规划。 采用激光熔覆进行零件修复 在2015年8月的“补给行动”军需物资油料保障演练中，西部战区某应急兵站油料保障分队一辆6管加油车联轴器损坏，因该部件为非易损部件，应急兵站无库存，油料保障分队立即启用装备修理工程车，利用3D打印机现场打印制作联轴器。军区联勤部领导介绍，在高原高寒山地作战，携运行的装备零部件有限，装备受损需换件时，常面临“带来的用不上，用得上的没带，后方筹措又太慢”等窘况。他们经论证试验，在油料装备修理工程车上加装3D打印机，并建立齿轮、棘轮、卷盘、轴等各类零配件的三维模型。此次演练，他们首次将这一成果运用于保障实践，在高原演兵场建起“配件制造车间”，创造了首次运用3D打印技术维修后勤装备的先例。 美国海军陆战队使用FDM技术制造零件 2015年元旦过后，海军某驱逐舰支队一艘战舰在进港停泊时，绞缆绳传动齿轮锯齿突然断裂，无法快速抛锚。紧急关头，机电维修人员快速卸下受损齿轮，并利用船尾移动方舱的增材制造装备对齿轮完成了快速抢修，实现了战舰的安全靠港。战舰机电部门值更员介绍，“移动方舱犹如一个微型加工车间，能够快速修复、制造出常用甚至非标零件。” 3D打印快速修复发动机活塞裂纹对比 在更之前，中国海军112舰赴亚丁湾执行护航任务时，战舰柴油机上一根重25千克的轴承断裂，导致主机无法启动，战舰在风浪中面临翻船危险。维修人员利用舰船上的3D打印方舱加工出一个与原件相似的轴承，经过7个小时调试，发动机重新启动，化解了战舰险情。 中国海军112舰 ▌3D打印走进我三军装备保障体系 目前，我们能查询到的公开案例也仅限于此，我们相信经过近五年的发展，我国在此方面已经取得了更大的进展。据中国工程院院士徐滨士透露，舰上采用的3D打印系统已经通过总部机关的评审，走进了三军装备保障体系。如此一来，除非重大故障，战舰维修方面需要的零部件不用再从遥远的岸上调来。由于舰艇可以在海上“生产”零部件并进行维修，大大节约了时间，使战备能力得到巨大的提升。 传统制造和3D打印的MH-60R机载低频声纳罩 能够在舰上用3D打印机制造出急需更换的零件对确保海军形成持续的作战能力具有重要的意义。而且，3D打印技术不仅能够应用于舰船零部件的打印，还具备在航母上打印舰载机零部件的能力。在过去，航母出航需要带充足的零部件，而在以后，这些舰艇带上3D打印机就方便多了。 传统方法和3D打印制造的F-35B起落架舱门缓冲块 目前，美海军舰艇上装备的3D打印仿舱装备有计算机、数控车床、熔铸设备、成型机、3D打印机、计算机辅助切削机、激光切割机、等离子切割机等配套相关制造工具。另外还配备有铝合金粉末、不锈钢粉末、塑料等再制造必须的材料。实际上不仅仅是海军，在陆军、空军、维和等演练甚至实战中，增材制造用于现场抢修并不乏应用。 美海军陆战队移动方舱内景 ▌铂力特高层谈武器装备维修 增材制造为武器装备关键件的损伤维修提供了个性化、高效率的实现手段，能够大幅降低成本，适用于战场装备的应急维修保障。铂力特总经理薛蕾博士在一次论坛期间提到，3D打印用于武器装备的应急维修有一项原则，那就是它并不要求零件具有完全的寿命，只要能保证步战车或坦克等能够坚持回到大修点即可。 这其实为移动方舱所携带的材料种类和制造效率的提高放宽了范围，例如在实战中可能难以做到带齐所有材料，一些材料能够互相暂时顶替使用，这使得3D打印能够灵活的满足战时的应急需求。未来，增材制造技术用于武器装备及关键零部件修复方面将更加成熟，并将成为武器装备修复和维修的首选方法。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.民航领域可用3D打印材料、工艺和案例，及民航专家的适航认证启示 2.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作 3.全球最大一体式3D打印火箭燃烧室，获美空军150万美金资助 4.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度

民用航空3D打印材料包括非金属和金属，在整个飞机上面分散在动力系统、电控系统和内饰等各个部位，涉及到几乎所有我们熟知的工艺。然而3D打印技术在民航领域的应用具有很高的门槛儿，其中一个很重要的阻碍因素就是复杂的适航认证流程。零件采用3D打印技术生产出来只是其中一个步骤，还需要严格按照民航法规的要求走完整个适航认证流程才能装机应用。 本期，3D打印技术参考列举可用于民航的3D打印材料、工艺以及案例，文后还将给出该领域专业人员对3D打印飞机结构件适航认证的启示。 非金属材料 空客自2013年开始与stratasys合作，其在A350XWB上大量使用聚合物材料制造部件，实现了单机超过500件的装机，这些部件覆盖了多个机载系统，含导管、线箍、封罩等多种结构。今年四月，卡塔尔航空公司为A350XWB更换了采用FDM技术和ULTEM 9085树脂制造的客舱门帘头，其尺寸为1140*720*240mm，是目前最大的3D打印客机部件。 3D打印的空客A350XWB客舱门帘头部件 波音自2002年起开始SLS技术的应用研究，其采用基于烧结的PA12和PEKK材料来批量制造功能件，由供应商Hexcel生产的PEKK增材制造件已获波音批准。2018年，EOS发布首个适用于激光烧结的高性能碳纤维增强PEKK，该材料即波音与其合作开发，材料中的碳纤维含量使组件具备出色的各向同性强度，并有助于实现轻量化的关键优势。 SLS技术制造波音PEEK推力反相器级联装置 英国马歇尔航空航天和国防集团采用FDM技术和ULTEM 9085树脂，在经过大幅改装的飞机上安装了多个3D打印的管道系统和用于飞机内饰的安全握把和支架等。9085树脂是经过适航认证的3D打印材料，结构坚韧不易破坏，并且具有很强的耐热性和耐化学性。除该材料外，马歇尔公司还采用3D打印的PA12代替传统的铝合金来制造地面试车设备的导管适配器，从而显著降低了成本，同时部件整体结构重量减少了63%。但实际上，PA12的直接装机应用并未看到。 FDM技术制造的PA12管道系统适配器 除传统的PEI和PA外，PEEK和PA的增强材料也在民机系统中显示出应用潜力。碳纤维增强PA12材料具有超过60Mpa的强度，PEEK的强度可达93Mpa，具有优异的综合力学性能。 金属材料 金属3D打印零件近几年在民用航空领域的应用呈现飞速发展态势，以波音、空客为代表的飞机制造商以及以GE航空为代表的发动机制造商，引领了该领域的创新应用。目前，金属3D打印的零件广泛分布在发动机及辅助动力装置、管路系统以及电气控制等部分。 GE9X发动机是波音777X客机的动力引擎，包含304个增材制造的零件，是新一代商用发动机家族中的巅峰之作。这也是GE首次将多种材料和打印工艺投入到单一航空发动机的生产中。其中，燃油喷嘴采用镍钴合金制成，涡轮叶片采用TiAl合金打印，热交换器则采用的是铝合金，这些部件的3D打印工艺包括SLM和EBM技术。 GE9X发动机上的3D打印零件（点击查看） 利勃海尔集团采用SLM技术为空客A380制造了钛合金的集成液压管路，并为A350 XWB批量生产3D打印的钛合金起落架支架。国内大飞机C919首飞架次也包含28个3D打印的钛合金零件，分别应用在前机身和中后机身的登机门、服务门以及前后货舱门上。挪威公司Norsk Titanium AS则专注于钛合金快速等离子沉积技术，它为波音787设计了4个零部件，并测试了大约两吨材料来获得787零件认证。 世界第一个FAA认证的3D打印结构钛组件(点击查看) 2018年，德国vectorflow公司为空客开发了镍基合金打印的流量测量探头，其最大的特点是在直径仅0.9mm的探头上分布有5个小孔，用于测量和预测飞机和涡轮机械中气流速度和迎角，这种一体制造的探头还提高了预测的准确性。 3D打印的镍基合金高精度探头 今年6月，赛峰3D打印的leap发动机润滑装置获得适航认证，其采用SLM技术和铝合金材料制造，保留了原结构相同的界面和功能。该润滑装置被安装在leap-1a系列发动机上，并为空客a320neo提供动力。 3D打印的leap发动机润滑装置 民航领域专家看3D打印结构件适航认证 从国内外的报道来看，民用飞机上已有应用案例的3D打印材料主要有钛合金、铝合金、UL-TEM9085树脂等，说明这几种材料经过长期的研发试验已经积累了大量的原始数据，材料和制件性能稳定，具备较成熟的应用条件。但3D打印的结构件要真正在民机上实现应用，就必须通过适航认证，对此，上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所丁红瑜工程师给出了非常可观的建议。 要进行结构件的适航认证应尽量在已广泛使用的几种材料中选择，这可以缩短研制周期，降低制件成本。当然，随着后续更多材料被开发出来，选材的范围就能逐步扩大。得益于技术进步，后续将会有更多的选择机会。 从结构件的服役条件出发，对于3D打印结构件的考核指标，除了聚焦其尺寸精度、表面粗糙度、静力拉伸强度等性能以外，其显微组织特征、缺陷形态及分布情况、开孔连接特性、疲劳裂纹扩展性能、耐冲击性能、在服役环境中的组织性能变化特征等因素都应纳入考虑的范畴，以保证构件在服役的全寿命周期内都能稳定地发挥功能。 从适航认证的流程上来说，由于3D打印所具有的材料－结构一体化成型特征，申请方应当摒弃过去“零件制造完成后再提交相关证据给局方检查”的传统观念，主动邀请适航审查当局从源头上加入进来，双方共同探讨，推进结构件研制、生产、认证的整个流程，通过反复讨论协商并不断补充研发试验，使适航审查当局对整个生产流程了如指掌，同时对产品的性能建立起足够的自信。这样一方面有助于从一开始就明确研发的要求，少走弯路，避免做无用功；另一方面能彻底打消适航审查当局对该技术的诸多疑虑，加快结构件的适航验证进度，早日实现3D打印结构件在民用飞机上的应用。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.先进材料正在塑造聚合物增材制造的未来 2.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 3.看东方航空如何将增材制造运用到民航维修改装领域 4.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作