SLM金属打印技术作为一项关键的3D打印技术，持续获得科研界和工业界的关注，目前在国内，传统制造企业正开始主动接触这项技术。相较于国内的迟缓，国外还是要超前一些。本期，以高温夹具的制造为例，介绍3D打印的在材料测试系统（MTS）中的应用。由于一些特殊行业对材料超高温情况下的力学性能有较高的要求，现有的拉伸试验机夹具多由金属材料压力加工而成，在高温加压过程中会过早出现屈服失效的现象。例如，在测量IN718合金的高温蠕变性能（700℃）时，标准钢夹具很容易断裂；再者，不稳定的夹具在进行性能测试时，数据的准确性和一致性也无法保证，这对于本就存在一致性风险的3D打印零件测试，更是雪上加霜。为了准确量化性能，美国空军技术学院（AFIT）的研究人员对MTS夹具进行了重新设计，并利用SLM技术制造，使其具有了更高的热转换率，减小了高温蠕变过程中夹具的热应力，从而降低了夹具开裂的概率。MTS夹具优化设计3D打印在制造具有复杂内部结构的零件方面具有优势，这种优势不仅可以用在随形冷却水路模具的制造方面，同时也可用来制造具有冷却流道的夹具。优化设计：左边为3mm的三回路流道，右边为5mm的单回路流道起初，研究人员设计了内部直径为3mm的三回路流道，发现过通道内粉末不易清除。经过优化，改进为直径为5mm的单回路流道，加工方向也进行了优化，减少支撑的使用。改进后的设计粉末清除方便，也为实验测试提供了最合适的流体环境。CFD模拟散热为了对比3D打印和传统制造的MTS夹具的散热效果，研究人员对此进行了仿真。将两种模型零件导入ANSYS Fluent软件，进行基于动量、能量和连续性方程额系统焓值计算，总焓值的变化即为系统的散热效果。散热效果模拟通过比较两种模型的温度分布情况，发现3D打印的MTS夹具的焓值变化更高，是传统工艺夹具的2.87倍，温度分布也更为均匀。MTS夹具制造制造所采用的设备为Concept Laser M2 Cusing, 模型留有4mm的余量，用于补偿与基板分离时的偏差，基板材料为钢。打印采用孤岛扫描策略，后处理过程包括线切割，表面磨削，以及关键位置的钻孔等。SLM成形件实验测试AFIT研究人员将SLM成形的MTS夹具安装于22 KIP 810 MTS®，去离子水作为冷却剂，流速为13.5mL/sec，冷却剂温度为22℃，夹紧压力为6.8 MPa，拉力为1000N，蠕变温度为700℃。在蠕变测试过程中，金属夹具表面涂覆Aeroglaze Z306，FLIR® SC7650红外摄像机被用于监测3D打印夹具和传统制造夹具的热图像。热量分布比较：（a）传统工艺制造夹具，（b）SLM制造夹具结果显示，3D打印成形的夹具具有更好的热转换效果，传统工艺制造的夹具冷却过程中，平均温度为31.7℃，而3D打印的只有27.7℃。总结金属3D打印随形冷却水路，为模具提供了更广阔的设计空间，同时这种优势也可应用到其他领域。AFIT研究人员利用SLM制造的IN 718 MST夹具，在高温蠕变测试中具有很低的热应力，降低了夹具在高温和压力环境下开裂的可能性。为进一步提高冷却流道的散热能力，设计更为复杂的螺旋流道，创造湍流环境，提高热传换效率，这种设计也适用于其他类似应用。欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：案例：3D打印如何用于工装夹具生产利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：案例分析∣SLM制造MTS高温拉伸夹具

3D打印用于医疗已经不是什么新鲜事，从医疗导板、护具、牙桥牙冠到替换人体内部零件的金属植入物，涵盖范围不一而足。如果说上面这些看起来比较呆板，那么像心脏、血管这些活性组织器官打印则要更加神奇。关于实际案例我们已经看到了很多，本篇我们来看一个非常唯美的科普视频，来了解生物陶瓷打印是如何帮助修复脊椎损伤的。 脊柱是身体的支柱，由脊椎骨及椎间盘构成，是一个相当柔软又能活动的结构。作为生命的脊梁、健康的立柱，一旦出现问题，将会严重影响人体生命信息的感传和气血能量的即时通达。由于现代人的工作和生活方式的改变，脊柱疾病正在呈现逐年增多并逐渐年轻化的趋势。现代医学的发展的确可以治愈和减缓很多疾病，但由于脊柱内部自上而下有一条纵行的脊管，内含脊髓，当受到损害时常难以治愈。而生物陶瓷3D打印的发展，为脊椎损伤修复带来了新的希望。上面视频揭示了生物陶瓷3D打印修复脊椎缺损的全过程，下面我们解析一下：含椎管的多孔替代结构3D打印的优势之一就是可以制作几乎任意结构。该修复体的多孔结构有利于骨细胞快速长入形成骨组织，并能促进血管化区域的形成，内置的中央管则有利于促进血管组织的内向生长。生物类材料自是植入体内，所用材料必具有生物相容性。从视频中我们也可以看到，椎体结构的打印用了两种材料—生物可降解陶瓷和细胞。陶瓷材料形成了椎体的主体结构，而细胞材料则构成了内部的血管。植入物打印完成之后，经过医学处理便可以植入人体，通过钢钉等器械固定，使其更为脊柱的一部分，接下来便是上面提到的血管化、成骨的过程。生物可降解陶瓷的好处一是生物相容性，例如羟基磷灰石，在体内不会发生排异反应；二是这种材料可以降解，如视频中所展示的，植入体在细胞长入后逐渐降解，最终被自身新生成的骨组织替代。最终的结果，将是解除病患，给患者带来健康。关于医学方面的知识笔者专业能力有限，在此不班门弄斧。生物陶瓷3D打印的技术也已经发展了多年，笔者在读书的时候就看到中南大学帅词俊课题组已经开展了相关研究，相信这种功能植入物在近几年一定获得了更好的发展。视频中的治疗方式涉及到多材料生物3D打印技术，制造出来的是功能性的植入物，相信可以给患者带来更多希望。欢迎转发长按获取更多资料Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：中国科学家如何采用干细胞实现血管3D打印医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：推荐视频：3D打印如何助力修复脊椎损伤（画面唯美）

在往期文章中，笔者提到奥迪在2002年已经购买了第一台Stratasys FDM 打印机，3D打印的引入不仅用来制作原型，还开始制作汽车备件，从而大大减少了压铸等传统工艺的使用，奥迪公司无疑在此方面取得了巨大成功。本篇文章分析奥迪实现高效3D打印产出的应用经验。奥迪3D金属打印中心工业级设备购入3D打印机、输入CAD数据、开始打印过程、完成优化组件制作，当用户真正开始这一流程时就会发现，生产出合格的零件并不是那么简单，而奥迪在2014年就将打印的金属部件直接安装在了汽车上。其所属的整个大众集团在全球拥有120多家工厂，可开展金属和塑料3D打印，奥迪Ingolstadt金属打印中心拥有3台金属机—EOS M400、290以及SLM Solution 280 HL。基于粉末床的SLM技术对于汽车制造来说无疑是最先进和成熟的，而诸如多激光束、独特的气体过滤技术以及成熟的工艺输出确保了零部件的高效率和高质量制作。经过多年摸索，3D打印已经在其公司内部产生出了奥迪标准。专业的3D打印技术团队Ingolstadt金属打印中心隶属模具制造部，具有独立生产车间。为实现高效产出，奥迪改装了SLM送粉系统，配备材料仓库、后处理室以及热处理车间，并拥有多名工程师和技术人员分别处理不同的任务。为了使打印部件达到要求的高质量，应用工程师必须非常了解设备。热成型工具工程师在真正开始打印之前就需要很多经验。除了要符合增材制造的设计结构外，还需要考虑零件结构强度、可能发生的变形、支撑结构设置以及零件的摆放位置等。虽然设备商都会对此进行培训并提供技术支持，然而金属打印过程复杂多变，仅仅依赖设置好的得工艺方案远远不能解决所有问题，高质量零件的打印需要依赖应用工程师的专业知识以及对可能出现问题的反应能力，这也是为什么奥迪需要受过专门训练的员工，金属打印团队在此方面积累了大量经验。用于钣金零件的切割刀片经过多年积累，Ingolstadt金属打印中心设备齐全，成功开发多种工艺技术，在设备使用、材料、工艺以及零件设计方面积累大量经验，零部件成品率极大提高，损坏已经很少发生。其负责人声称这归功于多年的积累和以及工程师丰富的经验。广泛的经验交流经验技术的交流对于技术的进步直接而高效，Ingolstadt金属打印中心负责人的很大一部分任务是就在大众集团内部进行交流，如与使用其他打印设备的同事一起制定设备和软件开发规范，探讨安全生产条例，零件高精度制作、支撑快速去除的方法等等。当前虽仍没有完善的解决方案，但该中心会将行业的高要求传递给软件和设备开发商。通过这种方法，集团以外的用户也可以在这一模式中受益。零件打印过程的监控似乎被奥迪格外看重，工程师每次轮班均需拍照记录，对智能监控的需求极为迫切。奥迪期望打印机可以自动评估打印过程，提供反馈并可以进行周期性的工艺调整，而且可以在必要时自动取消打印。但奥迪并未说明对此需求的原因，笔者猜测这可能与零件性能以及打印过程的稳定性有关。主动寻求技术改进和突破即使智能监控未能发展到令人满意的地步，但实际上依靠成熟的工艺，设备也可以自动运转，即便周末也无需人为干预。零件打印完成后可在打印中心完成切削、车削和热处理。热处理过程看起来似乎不起眼，但增材制造的零件性能却极大依赖该过程。为材料开发热处理工艺需要相当长的时间，而且激光熔化成型的零件有别于传统的铸造零件，具有不同的微观组织结构，因此需要新的热处理工艺。其实这也为传统的制造商创造了新的业务领域，然而由于增材制造尚未引起传统产业链环节的充分认识，他们对3D打印的零部件尚缺乏必要的知识和经验，而Ingolstadt金属打印中心两年时间打印了4000个零件，这是很大的业务量。在EOS M400侧方位操作奥迪为SLM Solutions280 HL改装了一台粉末给料机奥迪在增材制造工艺链中投入了大量人力，除了设备自动化和热处理进一步发展外，还包括进行了加快送粉速度、改进设备清洁效率的方法，这些结合在一起的小细节在实际生产中节省了大量时间。高效产出Ingolstadt金属打印中心的一个成功案例是转向箱原型的打印，该请求来自前期开发中心。他们将交货时间从七周减少到一周，并将该部件的生产成本降低了10倍，这足以证明3D打印工艺的优势。而且近年来在材料和工艺开发方面取得的进步，使一些3D打印的部件也可用作备件。奥迪也已经在使用这种工艺制造展览模型、预生产车辆和赛车零件。lunar quattro铝合金车轮备件生产是金属打印中心的一个重要项目，他们使用的材料主要是AlSi10Mg。3D打印的W12发动机水冷系统连接件已成功通过奥迪的质量检测，可以接受订购。该团队与奥迪传统售后部门密切合作，在该部件获得成功使用后，他们确定了适合3D打印的其他部件。3D打印用于备件生产，不仅可以减少库存，更关键的是可以减少制造备件生产所需的各种工具，极大降低成本。3D打印经拓扑优化的蜂窝结构金属打印中心三分之一的订单涉及设备生产，如冷却模具插件以及用于工厂和夹具结构的仿生优化组件。3D打印在此方面的优势包括模具冷却效率的大幅提升以及仿生组件重量的减轻，例如用于固定装置的零件以前重12kg，经过仿生设计和3D打印制作，重量减轻三分之一。通过这种方式，生产的设备可以更轻、工作效率更高，甚至生产质量也得到提高。延伸阅读增材制造如何重塑汽车产业案例：3D打印如何帮助汽车减重 省油案例探究：3D打印提升汽车性能 加速设计迭代奥迪2002年即购买了第一台Stratasys FDM 3D打印机更多资料获取长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

显微CT技术是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解零件的内部显微结构，近些年来越来越多的被用于增材制造产品的尺寸测量和孔隙分析。本文综述了该技术的几大应用，供读者参考。X射线显微CT扫描图解尽管近年来增材制造技术有了长足的发展，但是仍然存在一些产品质量问题，包括工艺或加工条件不当引起的孔隙、表面粗糙度（甚至表面缺陷）、残余应力引起的变形，以及机械性能的各向异性等。在航空航天和医疗应用领域，产品的质量把控较为严格，近年来，随着X射线显微CT技术逐渐由定性成像演变为定量分析，该技术在增材制造领域应用越来越多。孔隙和缺陷分析在金属打印中，孔隙通常分为锁眼和冶金气孔。冶金气孔的尺寸较小，通常小于100微米, 有的甚至数微米，利用CT扫描技术分析这些内部缺陷的形态和空间分布对于成形工艺优化和零件性能评价尤为重要。研究人员通过显微CT观察HIP前后的孔隙分布，发现在分辨率范围内，孔隙几乎全部消失，但是再次热处理之后，这些孔隙又重新生长，只是数量减少。这表明，HIP之后，孔隙仍然没有消除。由于显微CT分辨率的限制，在探测极小尺寸的孔隙方面还存在困难，而且也限制于分析小尺寸的零件。SLM最佳参数打印的圆柱样品CT图像：以不同的方式进行可视化和量化指标，总孔隙率4.5％显微CT最有价值的地方在于它可以无损评判关键零件是否可以服役；另外，随着高分辨CT的发展，也可用于检测不可预料的小尺寸缺陷。体密度测量阿基米德排水法操作方便、成本低，被普遍用于测量致密度。但是人为操作必定会带来误差，另外一些小孔尽管可能不足0.1%，不影响致密度的测量，但是这些小孔聚集分布在层间等其他重要位置，这可能会直接导致零件不合格。CT扫描理论上可以克服排水法的测量误差，例如零件表面的开孔，附着的气泡等影响，对体密度实现精确测量。在测量过程中将已知的标准样块与未知的样块同时测量，通过灰度对比，计算获得未知密度，测试速度快，结果准确。尺寸测量传统的尺寸测量是通过CMMs或者光学测量系统，这些技术都限于外表面。X射线显微CT技术具有很高的精度，并且可以探测到零件未知的细节，这对于具有复杂内部结构的零件的表面测量具有独特优势。通过对样品尺寸的精确测量，进而考虑材料的收缩率，对原始CAD模型进行补偿，保证增材制造零件的尺寸精度。蓝色区域小于CAD设计，红色区域大于CAD设计模拟由于CT技术可以准确测量孔隙尺寸及空间分布，这些CT数据便可以用于计算机模拟，避免了通过人工建模设计带来的误差，这样模拟的结果将更为准确。基于CT扫描的3D打印TC4试样拉伸测试模拟CT扫描由于高的细节分析能力和无损检测能力，在增材制造中的零件整体分析方面具有很大价值。除去上述应用之外，CT扫描在粉末分析、应力分析、断裂性能分析等方面也有重要应用。详细内容可扫描二维码获取论文内容。扫描获取更多内容延伸阅读增材制造实时监控与工艺过程仿真金属3D打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：X射线显微CT在增材制造技术中的应用

香港城市大学吕坚教授研究组近日首次实现了陶瓷的4D打印。8月17日，相关研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”为题发表在Science Advances上。这种4D打印结合了3D打印，自变形组装和弹性体衍生陶瓷在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度、机械强度、制造成本和适应复杂环境能力上实现了突破，有望广泛应用在太空探索、3C电子产品、航空发动机、防弹军事装备和高温微机电系统等领域中。本篇内容由纳米人整理。论文链接http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641研究亮点4D打印，一般是指在3D打印的基础上增加一个时间维度，使得在一定刺激（如热，水，磁场，电流，紫外线等）下，3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中，包括水凝胶，形状记忆聚合物等。 吕坚团队开发了不同系统的硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体，这些弹性体材料的特性使其可以完成从3D打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，逐步实现打印陶瓷折纸结构和4D打印陶瓷 。成果详解1. 3D打印陶瓷在此次研究中，他们先实现了3D打印陶瓷。他们采用墨水直写打印（Directink writing）这种成本较为低廉的打印方式，用二氧化锆（ZrO2）纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷（poly(dimethylsiloxane) ，PDMS）复合材料作为墨水，构建弹性体3D结构，然后在氩气或真空中进行热处理，得到一级陶瓷，然后在空气中进行热处理，进而得到二级陶瓷。开发这两级陶瓷可以丰富材料的外观，譬如这里一级陶瓷是黑色的，而二级陶瓷是白色的。3D打印出的陶瓷前驱体不仅是软的，而且具有弹性，可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度，这为4D打印提供了自变形组装的可能。 最终打印得到的多级结构陶瓷是非晶-结晶双相SiOC基质纳米复合材料，有的系统还会得到孔径小于10nm的超纳孔。2. 打印陶瓷折纸结构然后他们实现了陶瓷折纸结构。3D打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形，经过热处理弹性体转化为陶瓷，然后金属丝可以被硝酸销蚀掉，最后只剩下陶瓷结构。通过例如弯曲、扭转和拉伸等一些基本负载模式，证明了打印弹性体的柔性和可拉伸性，为复杂折纸变形提供了可能。线状比例尺均为1厘米他们3D打印出有周期性三角形纹路填充的长方体预应变前驱体，构建了复杂陶瓷折纸结构，包括蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、和裙子。3D打印的弹性体经历形状转变, 并且被金属丝约束。弹性体中的周期性三角形纹路增强了整体结构的可折叠性，并且保证了金属丝约束的可编程性。根据高斯绝妙定理，高斯曲率在局部等距变换下不变。弹性体的可拉伸性使得可以改变其表面上点与点之前的距离，也就提供了机会可以构建具有混合的高斯曲率的复杂结构，譬如类似圆柱面和圆锥面的零高斯曲率，类似球面和环面的外表面的正高斯曲率，类似环面的马鞍形内表面的负高斯曲率等不同K值的面可以混合出现在同一个结构中。在打印陶瓷折纸结构的基础上，他们开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。3. 4D打印陶瓷：方法一在方法一中，他们设计制造了可编程自动双轴拉伸装置，将3D打印的基底在两个方向进行预拉伸，拉伸的速度由电机编程控制。在拉伸状态下的基底上打印设计好的连接点，用于连接基底和其上的3D打印得到的主结构。等连接点固化后，在电机控制下释放基底中的预应力，主结构就会发生屈曲变形，与基底一起形成4D打印的弹性体结构，热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。以经典的拓扑结构三浦折叠为例，在可编程自动双轴拉伸装置的辅助下，三浦折叠“生长”了出来，实验结果也与有限元仿真相吻合。基于其周期性和对称性，三浦折叠也可以作为基本结构单元来构建更加复杂的结构。4D打印陶瓷：方法二在方法二中，陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，然后预应力被释放时，就会发生4D变形。他们以几个有代表性的拓扑结构作为例子，其中包括弯曲，螺旋，和马鞍面。陶瓷前驱体上的变形，可以通过在其表面所打印的纹路参数来编程设计，譬如纹路的疏密程度，与拉伸方向的夹角等。4D打印陶瓷优点一：当需要制造一系列相似形状的陶瓷时，这种4D打印的概念就会体现出时间上的高效。因为只需要一个相对简单的图纸设计，就可以衍生出一系列的形状上相似且连续可变的结构，而传统的3D打印只能一个图纸设计对应一个结构。这个优点所带来的在时间成本上的突破，将会在定制设计上体现得尤其明显。4D打印陶瓷优点二：此次研究提出了“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷的概念，并举了两种自变形方法作为例子。这种概念可以有更广泛的变体和应用，譬如引入形状记忆变形等。这种4D打印方法上的多样性，可以为设计制造用其他方法很难实现的复杂陶瓷结构提供巨大的自由度。以电子设备行业为例，因为陶瓷材料在电磁信号传输上的优异性能，5G时代的到来将会对陶瓷产品的发展提出更高的要求。另外，相较于金属，陶瓷材料颜值高，质感佳，密度低，而且还有不易变形，耐磨防刮，耐化学腐蚀等优点。但是，陶瓷材料熔点极高，较难加工成型，所以目前陶瓷产品的应用受到了技术和成本上的极大限制。下图是他们打印的陶瓷手机背板，左边是平面板结构，右边是曲面板结构，小图里是平面板结构的另一个表面。相较于传统的陶瓷成型工艺（譬如注塑成型等），他们的技术较易实现个性化定制，尤其在制造类似曲面板这样的陶瓷结构上，而且可以实现超复杂精细结构，成本低强度高，有望应用在包括陶瓷手机背板和中框，陶瓷手表的表壳表圈表链等3C产业中。4D打印陶瓷优点三：作为陶瓷前驱体的弹性体具有强变形能力，可以提高结构材料适应复杂应用环境的能力，譬如太空探索。3D打印的前驱体可以在地面被折叠以节省空间，然后到太空后展开为需要的结构。前驱体转化为陶瓷后，这些4D打印的陶瓷结构可以被用来做耐热结构。4D打印陶瓷优点四：此方法得到的陶瓷结构具有很高的比强度，并且可以兼具高强度和大尺度。下图显示了抗压强度-密度的Ashby Chart，此次研究中的SiOC基质纳米复合材料的晶格和蜂窝结构（红色星号标记），与其他参考文献中报道的结果和市售的SiC、AlSiO泡沫的性能作了比较。此次研究中的打印陶瓷晶格结构的抗压强度可以达到547 MPa（密度约为1.6 g cm-3），其比强度约为传统SiOC泡沫的19倍。下图显示了他们的结果（红色星号标记）攻克了打印陶瓷结构强度与尺度不可兼得的普遍难题。相较于3D激光光刻得到的纳米结构，此次研究中兼具大尺度和高强度的陶瓷材料将有较大机会应用在实验室之外的机械系统中。这些轻质高强多级尺度的陶瓷结构也有相当潜力用于制造机械超材料中。参考文献：1. Eckel,Z.C. et al. Science 351, 58-62(2016)2. Zanchetta,E. et al. Adv. Mater. 28, 370-376(2015)3. Meza,L.R. et al. Science 345, 1322-1326(2014)4. Bauer,J. et al. PNAS 111, 2453-2458 (2014)5. Bauer,J. et al. Nat. Mater. 15, 438-443(2016)6. Colombo,P. et al. J. Am. Ceram. Soc. 84,2245-2251 (2001)4D打印陶瓷优点五：相较于陶瓷增材制造的其他方法，此次研究中开发的“墨水直写陶瓷前驱体+热处理陶瓷化”工艺成本相对低廉，因为这种方法不需要3D光刻法所要求的相对昂贵的激光或者紫外光能源，也不需要一般陶瓷粉末烧结所要求的超高温度（对于SiC和Si3N4，一般粉末烧结温度要超过1600oC，而此工作中热处理1000 oC即可陶瓷化）。结语在此次研究中提出的“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷概念里，用于陶瓷前驱体的硅胶基质纳米复合材料可以进一步推广到其他两相或多相材料系统中，这种方法开辟了做复杂形状的高温合金和陶瓷等高温难熔材料的一个新工艺，有望用在航空发动机上。3D打印方式也可以根据材料特性推广到墨水直写以外的打印技术中，变形过程可以推广到形状记忆变形，多材料打印的热膨胀变形等方式中，热处理工艺上也有相当的优化和拓展空间。总之，这个工作在研发复杂形状的轻质高强、大尺度的结构陶瓷上取得了一定突破，其在高温材料相关领域的广泛应用值得期待。此项研究获国家自然科学基金委员会重大项目、香港大学教育资助会的协作研究金和主题研究计划、香港创新科技署（通过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心）、广东省科学技术厅、和深圳市科技创新委员会等单位的支持。吕坚教授简介吕坚教授现任香港城市大学（研究及科技）副校长及研究生院院长，机械工程学院讲座教授，先进结构材料研究中心主任，香港工程科学院院士，法国国家技术科学院士。2006年及2017年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”，2018年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟，生物与仿生材料力学，航空航天材料与结构预应力工程，3D打印先进材料与产品集成设计等。本文相关成果：1. Guo LIU, Yan ZHAO, Ge WU,Jian LU, Origami and 4D printing of…

增材制造工艺的主要特征之一是其制造的部件形状复杂性几乎是无限的。然而，金属部件的高表面质量通常只能通过铣削或磨削精加工操作来实现。然而薄壁零件在进行铣削加工时经常会引起振动，这会对零件精度和加工时间产生不良影响。弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT）和亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）共同开发了一种特殊用途的支撑结构，以消除后处理过程中产生的振动。振动会影响表面质量通常，在选择性激光熔化（SLM）工艺中，金属部件会被设计成比实际需求更大的尺寸，以允许完成铣削操作，这是确保部件尺寸和功能表面的唯一方式。薄壁部件在打印过程中容易变形，清粉操作及后处理加工过程中也特别容易发生振动，导致表面质量差，甚至使部件无法使用。支撑结构解决方案Fraunhofer IPT和ILT增加了增材制造的部件的外围设计，通过添加支撑结构增加了易受影响区域的刚度并减少了振动。在表面精加工操作过程中，可以用相对较少的力量去除这些支撑。支撑结构增加了薄壁零件的刚度支撑结构可以减少铣削过程中的振动这种方式可以稳定部件，也可以在更短的时间内以更低的刀具磨损水平达到更高的质量。欢迎转发延伸阅读：3D打印技术参考，一周年如何选择3D打印树脂材料案例：3D打印如何用于工装夹具生产利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构

高强度复合材料3D打印和金属3D打印都是当前较为先进的制造方法，从单独使用的角度来讲，两者从模具、夹具到小批量最终用途零部件，都可以提供突破性的解决方案。然而本文要讨论的是将两者结合起来，利用复合材料和金属3D打印改进制造流程，来解决更多挑战。复合材料打印机可以将碳纤维、玻璃纤维等增强纤维嵌入常规线材中，打印部件强度是ABS的23倍，而金属打印机可以打印不锈钢、铝合金、钛合金等多种材料。通过了解他们的优势，可以最大限度的提高3D打印的实用性。金属和高强度复合材料具有不同的材料特性，它们本身有着不同的应用。复杂金属零件带来了对3D打印的需求零件在制造之前必须先完成设计，但金属3D打印释放了设计极限，可以制造以前难以完成的几何形状。打印的零件可以采用传统的金属制造工艺（如攻丝、抛光或机加）进行后加工。然而随着零件设计自由度的增加，零件越复杂，标准的夹具就越难以满足使用要求。高性能复合材料为定制工装夹具带来可能复合材料打印机可以制造高强度保形工件夹具，这些工具和夹具成本低、高效、耐用，对于小批量的金属零件，由金属和复合材料构成的组合夹具将简化工件夹具设计过程，同时确保完美配合。应用1. 攻丝夹具使用打印的复合材料夹具来对齐和支撑需要后处理（如攻丝）的金属打印件，定位孔垂直以便于攻丝，坚固的复合材料夹具可轻松承受来自虎钳的夹紧力以固定零件。有效固定特殊形状零件其实只要有金属零件模型，便可以设计专属于该零件的复合材料夹具，这个过程简单实用，可有效解决复杂零件的夹持问题，无论是攻丝、QA检查还是其他后加工都能轻松解决。2. CNC铣床软钳口在这个例子中，工人使用定制打印的工件夹具来固定金属打印的轴承座，来保证后加工精度。复合材料软钳口与金属零件的复杂轮廓相匹配，强度高、耐化学腐蚀，使其在机加工车间经久耐用。3D打印异形零件的夹具比零件本身要容易设计的多，只需要将零件模型导入设计软件，进行布尔运算等简单操作，便可以得到夹具的设计模型，大大简化了夹具设计流程。再通过3D打印制造，比传统的编程加工要快速方便的多。3. 为复合材料工装打印金属插件工装工具通常由多种材料制造，以最大限度提高性能和实用性。采用传统加工方式制造工装通常非常复杂和昂贵，而3D打印复合高性能材料与金属打印相结合让流程变得简单且成本大大降低，工程师可以充分利用两种材料的优势来制造特殊工具。定制扳手复合材料的手柄内部填充连续玻纤，增加了其强度和耐用性，保持轻便的同时又复合人体工程学特点，可以分散使用过程中的扭转载荷；安装在复合材料手柄中的金属打印插件提高了零件接触区域的硬度和耐磨性，两者的组合大大提高了工具的实用性。定制打印 多材料工具的益处●可以打印与各种金属嵌件相连接的复合材料手柄或安装件，将工具整合进入一个更紧凑的单元中。●可更换磨损部件并延长工具使用寿命，当外部手柄磨损时可以轻松打印替换件而非替换整个工具。●当金属插件分离开来时可根据其用途快速迭代外部设计。使用合适的材料来满足工具要求金属和复合材料都具有高强度，在工业应用中扮演着不同的角色，但将两者复合使用，两者的其他性能便可以互相补充，生产出坚固耐用、耐磨或坚韧无损的多种高强度工具。此外，金属和复合材料的协同使用还可以支持生产，简化制造流程。欢迎转发延伸阅读：3D打印技术参考，一周年案例：3D打印如何用于工装夹具生产被状告的Markforged打印机是如何工作的从制造特点和产品周期分析3D打印相对于传统制造的意义在使用3D打印的情况下如何进一步降低成本长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战

石墨烯特殊的二维蜂巢晶格单原子层结构决定了其具有独特的物理性能，如质量轻、比表面积大、导电导热性好、力学强度高等，因此可作为理想的结构和功能性填料来制备复合材料。 3D打印是近年来快速发展的成型制造工艺，又被称为“增材制造”。相比于传统的减材制造过程，减少了模具制造的过程。这种无模具自由成形的技术摆脱了空间几何及设计工艺的束缚，可将复杂结构设计转变成实体产品。 将3D打印技术与石墨烯/聚合物基复合材料的制备结合起来，可以实现复合材料的快速制造成型，制造复杂结构的产品。石墨烯的加入，使得3D打印产品具有更好的力学性能和功能特性，同时还可以更方便地制备梯度化功能制品。此外，3D打印逐层制造的方式，抑制了石墨烯在聚合物基体中的大面积团聚，更有利于实现均匀分散。目前用于石墨烯/聚合物基复合材料的3D打印方式主要有以下四种。喷墨打印成型（Inkjet）喷墨打印已在电子电路、柔性器件等方面得到了广泛的应用。在常用的压电式喷墨打印成型过程中，打印材料首先溶解或者分散在溶剂中形成“墨汁”，而后根据打印需要适时将电压加在压电陶瓷片上使其产生变形，挤压腔体中的墨汁使其逐滴喷出，在基板上层层累积形成需要打印的形状，最后通过热处理、光照、冷冻干燥等后处理方式去除溶剂定型。石墨烯高载流子迁移率使得其非常适用于纳米电子器件的制备，喷墨打印便是一种常用的方便高效的制备方法。而聚合物的加入可以稳定墨汁，防止石墨烯沉淀分层，还可以调节墨汁黏度，使其处于便于打印的范围。喷墨打印成型设备简单，成本低，操作简易，非常适用于制备微纳米器件和电子电路。喷墨打印成型实例熔融沉积成型（FDM）熔融沉积成型主要适用于热塑性聚合物的3D打印，是目前最常用的一种3D打印方式。该方法需要将聚合物制备成标准直径的线材，而后通过步进电机将线材输送至喷头处，加热熔融挤出，在基板上根据所需形状层层堆叠粘连，冷却固化后得到所需成型件。 FDM打印演示将通过熔融混合、溶液混合等方式制得的石墨烯/聚合物基复合材料通过挤出机等设备制成3D打印线材，即可进行石墨烯/聚合物基复合材料的熔融沉积成型。石墨烯的加入不仅可以增强3D打印制件的力学性能，还可以赋予制件优异的电学、热学以及摩擦磨损性能等。熔融沉积成型可打印材料广泛，设备成本低，操作简便，打印速度快，并且可以用多喷头同时打印不同种类的材料，因此是最具有工业应用前景的打印方式之一，制备的部件具有用于机械、汽车、航空航天等领域的潜力。熔融沉积成型实例立体光固化成型(SLA)立体光固化成型也称立体平板印刷或立体光刻，是一种以光敏树脂为打印材料的成型方式。激光束按照设计路线扫描液态光敏树脂表面，使得光敏树脂特定区域固化，形成模型的一层截面。而后升降台向下移动一个微小的距离，进行新一层截面的固化，直至形成完整制件。从液体中打印出来的“倒立铁塔”从液体中“拉”出来的“富勒烯”形状的空心球体采用立体光固化方式成型石墨烯/聚合物基复合材料时，一般将石墨烯溶于溶剂后加入光敏树脂中或者直接加入树脂中混合，之后进行光固化成型。立体光固化成型打印精度很高，表面质量优异，可以成型很复杂的结构，是目前高端3D打印市场的主流技术，常用于生物支架、口腔医学等生物医药领域。立体光固化成型实例选择性激光烧结（SLS）选择性激光烧结是一种适用于粉末成型的3D打印方式，主要用于金属和陶瓷粉末的打印，但也可用于热塑性聚合物粉末。 向聚合物粉末中加入石墨烯，可以提高粉末的导热性能，对于减小热翘曲有显著改善作用。同时，石墨烯也可以改善制件的力学性能。目前采用选择性激光烧结成型石墨烯/聚合物基复合材料的报道还相对较少，并且主要集中在尼龙基材料上，今后的研究可向更多的复合材料种类拓展。选择性激光烧结成型实例石墨烯/聚合物基复合材料和3D打印成型方式是两个近年来快速发展的研究方向，将二者结合起来，可为石墨烯/聚合物基复合材料功能性制件的复杂结构成型提供有效的解决途径。采用3D打印成型石墨烯/聚合物基复合材料的很多技术目前还不够成熟，仍处于研究之，但其在电子、能源、生物医药、机械、航空航天等多个领域的应用前景值得期待。（来源：航空材料学报，材料+编辑整理）欢迎转发延伸阅读：高强耐用 PLA 3D打印材料及其设备另一新碳纤维3D打印技术几种碳纤维3D打印技术长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：石墨烯3D打印工艺及其应用

增材制造不仅可以生产最终用途的功能零件，作为传统制造手段的必要补充，从难以加工的定制软钳口到用于焊接的定位夹具，工业3D打印机可以轻易完成这些高难度制造工装夹具的制作，帮助完成与传统制造相关的许多幕后工作。本期笔者列举Markforged用户如何使用高性能FDM打印机制造3D打印工具和夹具，以降低成本并优化日常生产操作中的工作效率。1. 三坐标测量仪夹具三坐标测量仪夹具能对检测工件进行快速、方便、稳固的装夹，有效地完成各种复杂型面工件的固定和夹紧，最大限度减少测量的误差和保证测量的精确度。由于常用于大批量和高精度零件的测量，要求夹具必须具备精确地几何精度、可重复性和强度，这无疑增加了成本和制造时间。3D打印当前的材料强度和精度完全可以满足测量仪夹具的制造要求，在满足更低成本和更短交付周期的同时，帮助制造商更加一致和有效的认证更多零件。2. 焊接夹具由于通用或多用途夹具往往无法满足特殊结构零件的夹持，焊接作业通常需要较长时间的安装工作，固定不牢固会导致零件变形、引起尺寸偏差、影响后续装配。3D打印可以设计和制造专门的校准夹具、定制工具和夹具，大大缩短安装时间，提高焊接操作的精度。3. 软钳口软钳口是在零件加工过程中常用的夹具，通常由软金属加工而成，目的是避免在夹持硬度较低或表面粗糙度要求较高的工件时损伤其表面。3D打印采用复合材料制作软钳口，可以承受重型机械加工所产生的强作用力，柔软的钳口可以使用数百次而不需要校准。4. 终端效应器机器人终端效应器又称夹持器，用以直接抓取工件或工具，较轻的终端效应器减小了它们所连接的机器人臂上的悬臂重量，从而改善了操作期间的运动控制。增材制造的零件摆脱了设计限制，在相同尺寸和强度的产品中使用更少的材料，因此增加了终端效应器的负载容量；同时3D打印快速制造和对成本的降低，可以实现用于新应用专门终端效应器的快速开发。5. 复杂零件设计迭代过程可能过于耗费时间和金钱，制造商往往在勉强可接受而非达到最佳设计水平时而停止迭代。使用传统的铸造和机加工，每次迭代都需要创建新的模具和工具。增材制造则消除了额外的模具和工具制造成本，缩短了加工周期，减少劳动力投入，加速迭代过程。6. 一次性零件大批量生产通常与节省成本相关。 但是，当产品处于开始、结束或远远超过其可销售寿命时，公司必须将剩余存货存入库存。 增材制造提供了仅存储数字设计文件的能力，并且只在需要时快速打印一次性零件。按需打印可节省仓库空间、减少库存，实现快速原型设计和定制，从而提高供应链效率。改变制造业从用于难加工的定制软钳口到用于焊接的定位夹具，工业3D打印机可以改善与制造相关的许多幕后工作流程。 使用增材制造可以缩短交货时间，降低制造成本，加速工作完成。关键看想不想尝试。欢迎转发延伸阅读：奥迪2002年即购买了第一台Stratasys FDM 3D打印机被状告的Markforged打印机是如何工作的大型FDM打印机的工业应用与挑战ARGO 500：去他的金属打印！FDM深度应用：最普及但又最实用的3D打印技术长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：案例：3D打印如何用于工装夹具生产

惠普的3D打印技术名称为“多射流熔融（MultiJet Fusion, MJF）”，设备型号为4200/3200，以及2018年推出的全彩打印机500/300，都是基于多射流熔融技术。其中全彩打印机是3D打印行业的第一款“使制造商能够生产全彩色工业级功能部件”的3D打印机，定位是功能性原型设计。当然笔者认为strategys的J750也是可以的。对于医疗、汽车、消费品或其他行业的用户来说，全彩3D打印的应用会为他们带来研发效率的巨大提升。惠普3D打印应用惠普3D打印机的材料强度毋庸置疑，其中最著名的早期案例，是用打印的椭圆形结构吊起了一辆汽车。该结构打印只用了30分钟，重约113克，可提起最高5吨的重量。113克的结构提起5吨的重量由于其良好的打印质量以及超高的制造效率，惠普3D打印技术在生产制造、医疗、汽车、消费品等领域有着很多的应用。2017年仅一年内，利用MJF技术打印的零件就有150万个，其中有50％用于最终用途。▌HP与机器人IAM 3D HUB公司开发了一个机器人项目，该项目把电子系统结合到机器人当中。1. 机器人手臂机器人手臂的顶部利用MJF技术打印完成，并进行了轻量化设计。2. 气动手柄气动手柄通过调节空气输入和输出来打开和关闭手柄。该产品的抓取能力可以保持至少一百万个周期。3. 气动横向制动器根据手风琴的原理，材料的柔韧性和可延伸性，形成了非常薄的折叠区域，通过加压空气完成折叠或展开。▌HP与工业部件1. 工业贴标机美国工业巨头SIGMADESIGN利用惠普3D打印技术，直接制造苹果贴标机的部件。3D打印零部件代替了原来的12个注塑成型件，且强度达到要求。2. 三坐标测量仪坐标测量仪的支撑机械结构，会因为被测量物体的改变而不断进行调整。在调整和迭代的过程中，传统的CNC制造会带来大量的成本投入。HP利用玻璃微珠尼龙材料进行支撑机械结构的打印。3D打印的支撑结构，能够为测量仪提供强大的稳定性。并且在不断迭代调整的过程中，3D打印在节省时间的同时还能降低成本。3. 机器部件Gimatic是一家迄今已有31年历史的机器人与机械臂末端厂商。每年会投入10%的营业额进行研究开发。GIMATIC使用惠普3D打印技术同时进行原型设计和最终零部件生产，气动夹具、机器人手爪等部件可以直接用3D打印来生产，大大缩短了开发周期和交付时间。4. 束线带高级3D原型制造的领导者GoProto公司，现今在不断扩大惠普3D打印机的产能，以满足日益增长的生产需求。其中最为典型的应用之一就是束线带。3D打印的束线带，在材料强度和韧性上的表现都优于注塑成型，并且能够在很短的时间内交付产品。如今，GoProto公司已大规模扩大其在圣地亚哥的生产空间，以容纳更多惠普3D打印机。▌HP与医疗1. 假肢荷兰医疗制造商Hulotech利用惠普3D打印技术，制造更为轻便、更符合人体需求的假肢。病人今天来做诊断扫描，第二天就可以取走自己的矫形器。2. 头颅重塑矫形器头颅重塑矫形器用于治疗头部畸形新生儿，由InventMedical公司开发的3D打印医疗产品。惠普3D打印技术的版本更轻、更舒适。3. 足部矫形器医疗公司Crispin Orthotics提供矫形器的制造服务。利用惠普3D打印技术打印的假肢已经造福了众多患者。▌HP与文创在上海智慧湾举办的首届2018国际3D打印嘉年华上，为人们呈现了一场精彩的“3D打印时装秀”。3D打印时装秀现场清华大学李薇教授利用3D打印技术进行实验性创作，她设计的多款服装是由惠普3D打印机制作而成。惠普多射流熔融3D打印解决方案，实现了极高的尺寸精度以及精美细节。在与李薇教授的交流中，她提到“在制作过程中，我感受到了3D打印奥秘，它可以随心所欲的自由创作，并可以展示出设计师的个性化设计。与普通服装相比，3D打印服装更加的节省人力物力，是未来服装的发展趋势之一，3D打印服装不仅可以表现艺术性也可商业落地，这也是未来可探讨的课题。”在最新的全彩惠普打印机里有140多个零件，都是惠普自身的设备打印出来，直接进行组装的。HP也把自己称为“能把自己打印出来的打印机”。2017年，美国公司Forecast 3D一次性购入12台惠普3D打印机。他们也因此成为了全球首家能够提供完整一站式hp3D打印解决方案的公司。自此，美国Proto Labs、比利时materialise、制造服务公司Weerg、IAM 3D Hub、丹麦Danfoss以及很多中国企业纷纷展开了与HP的全面合作。2017年7月，国内第一台HP3D打印机在青岛高新中国3D打印创新中心落户。2018年5月，国内首个惠普全球3D打印批量化创新中心落户广东佛山。其实，无论全球哪个角落，工厂的诉求很简单——通过3D打印机缩减成型成本、加快产品上市时间，减少成本和浪费，最终提高竞争效率，他们就会对拥抱3D打印拥有强烈意愿。随着技术的进步、应用的推广，预计到2020年，可能大多数惠普的用户，都在使用这些打印机作为直接制造，而不仅仅是作为辅助工具。未来，会有更多的行业将3D打印技术融合到他们的工厂，包括医疗、汽车、家电、消费品等等。不管是专门的3D打印制造中心，还是融合在工厂里成为流水线的其中一环，这两种可能性未来都会存在而且会发展的更好。据了解，惠普即将推出金属3D打印技术。长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：惠普3D打印技术成熟应用案例