在航空航天领域，零部件的应急保障、修复和替换是增材制造的重要应用方向。在此应用背景下，通常难以配备多种不同牌号的金属粉末，多数时候不得不使用异种材料原位替换件。此外，受有限检测设备和检测时间的影响，要求替换件的功能、性能要与原件保持一致。而拓扑优化技术与增材制造技术结合，可以发挥材料与结构的承载潜力，为航空航天飞行器结构轻量化、高性能的发展提供有效途径。 西北工业大学航宇材料一体化设计与增材制造装备技术国际联合研究中心针对异种材料原位替换件，提出增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法，并以机用散热风扇为例开展应用研究。3D打印技术参考注意到，张卫红院士团队于2024年2月在《航空工程进展》发表了题为“增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法”的研究。 在本研究中，研究人员以某机用散热风扇为例，在分析散热风扇结构、性能、服役环境等基础上，提出优化设计要求并构建拓扑优化列式，基于密度变量法对优化问题进行灵敏度分析推导。根据工程实际建立散热风扇优化设计模型，基于异种材料拓扑优化设计结果开展模型重构并进行力学性能校核，并对重构优化设计方案进行打印加工验证。最终，替换件设计方案达到了散热风扇总质量和转动惯量基本保持不变且满足材料刚度和强度的设计要求。因此得出结论：在异种材料增材制造损坏替换件拓扑优化中将约束定义为在原件相关数据附近小幅波动，即区间约束，能够有效实现设计意图。 铂力特为此次研究提供了设备与技术支持。试验所用的散热风扇替换件重构模型由合肥中科重明科技有限公司利用铂力特BLT-S310设备进行打印。铂力特与课题组积极沟通，根据研究需要多次就叶片的结构优化设计问题与课题组进行探讨，并提供成形工艺参数建议，协助客户圆满完成样件加工，保证试验的正常进行。 利用BLT-S310设备打印的散热叶片 多年来，铂力特致力于与众多高校及科研院所开展试验合作，推动金属3D打印技术的前沿研究以及其在工程领域内的应用。截止目前，铂力特已支持清华大学、西北工业大学、上海交通大学、浙江大学、中国科学院等高校及科研机构用户在航空航天、医疗、汽车等应用领域，新材料、新结构、新应用等方面形成了多项研究成果。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.通知：2024 AM China增材制造展参观攻略、展商名单、展位图！ 2.吉利汽车研究院高级技术专家：3D打印如何实现车规级的创新应用 3.Science团队再发自然通讯：纯铜3D打印获重大研究进展！ 4.3D打印行业盛会TCT展倒计时2个月，首次扩大规模！

3D打印可以快速制造用于导电和热管理应用的复杂几何形状铜组件。然而，通过3D打印生产的纯铜或铜合金在室温和高温下通常会出现强度低或电导率低的问题。3D打印技术参考注意到，来自昆士兰大学、悉尼大学、丹麦技术大学、西北工业大学、重庆大学、皇家墨尔本理工大学、莫纳什大学（七所高校）的联合团队于2024年2月在自然通讯发表了题为“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”的文章。 需要注意的是，该联合团队的Yingang Liu, Jingqi Zhang、Yu Yin、Xiaoxu Huang刚刚于同月作为共同作者在Science发表了关于高性能钛合金3D打印的研究。本篇自然通讯文章同样取得了重大的研究进展，所开发的3D打印强化纯铜，优于红外激光、绿激光和电子束打印的纯铜性能，且强于NASA开发的GRCop-42和GRCop-84！ https://doi.org/10.1038/s41467-024-45732-y 研究背景 纯Cu对于红外激光具有高反射率，因此由最常用的LPBF 3D打印机制造的纯Cu部件通常具有高孔隙率，导致机械和导电性能差。尽管使用绿激光或电子束的增材制造能够制造密度相对较高的纯铜组件，但纯铜在室温下固有的低强度及其无法抵抗热软化的能力阻碍了增材制造的铜部件在要求机械载荷和高温条件下的应用。 a激光增材制造工艺示意图；b材料的激光反射率 将Cu与Cr和Zr等元素合金化提高了激光吸收率并提高了强度，但是由于它们在Cu中的高固溶度，该方法降低了材料的导电性。另一种方法是添加不混溶的异质颗粒来增强，同时保持高电导率。实践证明，要实现外部添加纳米颗粒的充分分散和均匀分布，既提高材料强度，同时颗粒团聚又不会降低延展性和损伤导电性，这是极其困难的。在3D打印铜部件中同时获得高强度和高导电性的挑战限制了其需要机械和物理性能良好平衡的应用。 设计策略 在自然通讯这篇文章中，研究人员展示了一种高强度、高电导率铜3D打印的设计策略，通过激光粉末床熔融 (L-PBF) 将一小部分六硼化镧 (LaB6) 纳米粒子均匀分散在纯铜中。研究证明了LaB6的微量添加可提高纯铜L-PBF工艺的可加工性、强度和热稳定性，同时保持高电导率。所提出的策略可以将3D打印铜组件的适用性扩展到需要高强度、高导电性和热稳定性的更苛刻条件。 该设计策略的关键特征是选择添加剂，其中的组成元素在固体铜中的溶解度可以忽略不计（因此对电导率的不利影响可以忽略不计），但在激光熔化过程中会溶解在熔池中（因此熔点不太高），随后在固化过程中以非常精细的分散度重新沉淀（因此提供了极好的强化）。标准如下： 1.颗粒的组成元素在Cu中的固溶性应可忽略不计，以最大限度减少其对电导率的有害影响，并最大限度增加纳米颗粒的再沉淀； 2.颗粒应当具有相对低的熔点，以最大限度增加在熔池中溶解的机会，并最大限度减少凝固过程中重新沉淀的纳米颗粒的粗化； 3.颗粒应当与熔融铜具有低润湿角，从而使纳米颗粒在液体铜中的聚集最小化。 研究发现 遵循这一设计策略，研究人员确定LaB6是合适的添加剂候选者。LaB6符合标准，因为它的熔点较低，组成元素在铜中的固溶度最小，并且与熔融铜的润湿角较小。添加到纯铜粉原料中的初始LaB6颗粒表现出不规则的形态，尺寸高达300nm。激光反射率测试表明纯铜粉在红外激光范围内表现出极高的反射率，当掺入1.0wt%的LaB6纳米粒子时，反射率显著降低。这种减少可归因于两个因素：LaB6固有的低激光反射率和LaB6纳米粒子的引入，增强了纯Cu粒子的表面粗糙度，促进粉末床内的多次反射。 实验结果也确实取得了改进：未添加LaB6的纯铜，即便在高激光功率下的也存在熔池不连续、未熔合、孔隙、表面粗糙等问题；而添加LaB6纳米颗粒后，材料的密度得到了提高，且晶粒相对较大。研究人员使用Micro-CT和EBSD证明了这一点。 LaB 6纳米粒子的表征 SEM、EDS、XRD、TEM等测试发现，在材料中发现了均匀分布且没有团聚的LaB6纳米颗粒，粒子呈现出平均尺寸低于100nm的矩形形状，并且与Cu基体具有不相干的界面。除此之外，SEM测试发现，La和B在Cu基体中的溶解非常有限，这最大限度减少了溶质对电导率的不利影响。XRD分析进一步表明Cu基体的晶格参数与纯Cu相同，表明溶解在固体Cu基体中的La或B可忽略不计。 因此得出结论，外部添加的形状不规则且尺寸较大的LaB6颗粒在熔融过程中溶解在熔池中，并且观察到的LaB6纳米颗粒是凝固过程中再沉淀的产物，进一步实验也排除了热循环引起的固态相变的可能性。 机械性能和导电性极为出色 3D打印技术参考注意到，联合团队开发的1.0LaB6强化纯铜具有极优秀的机械性能和其他物理性能。具体表现在： 1. 强于近红外激光和绿激光3D打印的纯铜 为了评估LaB6纳米颗粒对机械和导电性能的影响，研究人员对L-PBF工艺3D打印的纯铜和强化纯铜进行了拉伸测试和电导率测量。 纯铜的屈服强度为73±2MPa，极限拉伸强度为121±1MPa，断裂伸长率为 10.8±1.1%，电导率为88.3%IACS，计算出相应的热导率为347W m−1 K−1。纯铜的低强度和低导电率是由于高密度孔隙的存在。强化纯铜的屈服强度为347±2MPa，极限拉伸强度为412±7MPa，断裂伸长率为22.8±1.2%，电导率为98.4%IACS。计算出热导率为387W m−1 K−1。 绿激光和电子束制备的纯铜与1.0LaB6-Cu的拉伸性能比较 虽然可以使用绿激光制造高密度纯铜零件，但这些零件的强度仍然明显低于该研究中所达到的强度。强度的显著增强主要归因于LaB6纳米粒子的弥散强化。延展性的改善部分归因于抗剪切纳米颗粒的均匀分散所导致的应变硬化的改善，以及孔隙率和缺陷的减少。电导率的提高源于所制造部件的更高密度以及均匀分散的LaB6纳米粒子的最小负面影响。 2. 比GRCop-42和GRCop-84铜合金更优秀 总体而言，高强度、高延展性与高电导率相结合，使1.0LaB6强化纯铜优于传统和增材制造的纯铜、铜合金和铜基复合材料。即使是NASA开发的GRCop-42合金和GRCop-84，其85% IACS和75% IACS的电导率仍然本研究的结果 。除了更高的电导率之外，与GRCop-42和GRCop-84合金相比，1.0LaB6强化纯铜Cu还表现出更高的强度，前者合金表现出在172-208MPa范围内的屈服强度。 材料的拉伸性能及电导率 有强化纯铜制造的几何复杂部件压缩机械性能 3. 与传统制造铜材料相当的性能组合 此外，虽然1.0LaB6强化纯Cu显示出与传统工艺生产的铜基复合材料相当的电导率与机械性能的独特组合，加上增材制造提供的更大的设计自由度，对于需要高强度、导电/导热以及几何复杂的铜组件的实际应用来说非常有吸引力。 4. 具有出色的抗软化性 除了室温机械性能外，1.0LaB6强化纯铜还在高温下表现出改善的热稳定性。铜及其合金通常在高温环境下会遭受严重的强度损失，最终导致服务故障本研究的材料表现出出色的抗软化性，即使在1050 °C退火后，仍保留80%的极限拉伸强度以及28%的断裂伸长率。 END 总之，该联合团队展示了一种通过在3D打印纯铜原料中添加少量LaB6颗粒来可靠制造具有高强度和高电导率的高密度铜部件的途径。该方法的关键是向纯Cu中引入适当的颗粒，使其能够溶解在熔池中并在凝固过程中均匀重新沉淀。新开发的1.0LaB6 强化3D打印纯铜填补了金属合金3D打印领域的主要空白，可用于需要苛刻的机械和导电/导热性能的应用。由于均匀分散的纳米粒子通常用于强化金属材料，因此这种设计策略以及凝固过程中相关的溶解和再沉淀可以扩展到其他合金系统，以开发用于增材制造的其他高强度材料。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.电化学3D打印纯铜CPU热交换器，为AI芯片散热带来新机会 2.升华三维：使用挤出技术3D打印纯铜换热器 3.可采集、可分析！国产DED金属3D打印工艺监控迈出一大步！ 4.中国3D打印行业正处于创新与经济转型的交叉点，未来充满挑战与机遇

随着电子设备小型化趋势的发展，过热问题也随之增加。为了应对这一挑战，通过改进散热器设计来提高散热性能比以往任何时候都更加重要。尤其是如今AI技术正在飞速发展，芯片散热问题一直困扰着工业界。指甲盖大小的芯片却是个300瓦的热源。但实际上，芯片远远不到这个功耗时便已经烫得不行。 芯片的小型化和高度集成化，会导致局部热流密度大幅上升。算力的提升、速度的提高带来巨大的功耗和发热量。制约高算力芯片发展的主要因素之一就是散热能力。未来，人工智能行业会因为算力散热问题被“卡脖子”吗？ 中科创星董事总经理卢小保指出，“超过55%的芯片失效，都是源于热量传不出去，或是由温度升高而引起。芯片在70℃以上时，温度每升高10℃，其可靠性就会降低50%。” 芯片液冷技术由此变得更受关注。2023年，中国电信等国内三大运营商联合发布了《电信运营商液冷技术白皮书》，规划到2025年开展规模应用，50%以上数据中心项目将应用液冷技术。 3D打印技术在热交换领域的作用已经显现，对于芯片级别大小的散热问题，该技术亦能发挥作用。3D打印技术参考注意到，一家名为ToffeeX的公司使用自主开发的软件设计了一款CPU液冷热交换器，并使用电化学3D打印技术制造，使散热器的压降降低了60%。 电化学增材制造 （ECAM） 工艺在纯铜制造方面创造了奇迹——它实现了33微米的体素尺寸，这是令人难以置信的分辨率，而且能够在室温下使用低成本的水基原料进行打印。 3D打印技术参考曾经介绍过，电化学沉积增材制造(ECAM)是一种完全不同的金属3D打印技术，可生产出高质量零件，具有优秀的特征分辨率和经济性，且可在高分辨率下实现可扩展大规模生产。 由于金属是以逐个离子的形式沉积的，这使得该工艺能够产生极其精细的特征，目前典型的层厚在10至50微米范围内。该工艺尤其适合于打印纯铜，因此成为小型、精细的冷却板，热交换器、射频天线和类似设备的有前景的新增材制造工艺。 如今，半导体行业依赖于通常锻造或车削工艺制造的冷却板和其他冷却装置。这些工艺仅限于生产规则的翅片，这些翅片只能在一个方向上制作，并且在可以填充这些特征的几何形状方面受到限制。 但除了制造挑战之外，以传统方式制造的热管理设备的表面积和可提供的冷却量也受到限制。3D打印不仅提供了一种增加表面积和粗糙度以实现更好散热的方法，而且还为复杂的液冷板和热交换器制造提供了一条途径，可显著提高性能。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.3D打印纯钛性能媲美TC4！华南理工杨永强教授团队新突破 2.3D打印纯铜：电化学沉积增材制造的原理，潜在应用非常可观 3.LPFB金属3D打印，不同行业应用对刮刀材质的选择有不同效果 4.取得商业化最成功的3D打印Science研究

对于LPBF金属3D打印技术，铺粉装置通常有金属刮刀、陶瓷刮刀以及橡胶刮刀几种选择，业界也一直存在着是使用软刮刀还是硬刮刀解决方案的争论。3D打印技术参考注意到，从事该技术的增材制造专家EOS，对此进行了详细解读，并最终给出了选择刮刀材质的原则。 1. 硬刮刀 EOS设备的标准选项是硬刮刀，因为它在零件质量和可重复性方面具有优势。硬质刀片可确保层厚一致，并可清除部件表面的飞溅物，这些飞溅物在曝光过程中从熔池中喷出，是导致后续层熔合不充分的高风险因素。 由于其形状和硬度，硬质刀片可在铺粉过程中压实粉末，从而提供密度更高的粉末床层。所有 EOS 标准工艺参数都是使用硬刮刀开发的，因为它们对不合适的工艺参数非常敏感。因此，可以很容易地将工艺窗口缩小到稳健的工艺参数上，从而提供稳定的工艺。 与软刮刀相比，硬刮刀具有更强的耐磨性，即使在长时间的生产过程中也能确保铺粉稳定。因此，整个部件的性能更加稳定。尽管硬刮刀通常比软刮刀昂贵，但在进行成本分析时，也必须考虑到硬刮刀的使用寿命更长，所需的维护量更少。 ▲ 采用HSS硬刮刀制造的涡轮叶片，以确保最高的零件性能 由于磨损可能会造成粉末污染并导致夹杂物，因此受严格监管的行业对软刮刀持保留意见。例如，航空航工业尤其希望在发动机应用中避免硅夹杂物。不过，这并不是排除在外的一般标准。 受益于硬刮刀优势的典型应用是在机械性能或尺寸精度方面对可重复性质量要求最高的零件，以及体积较大的零件。 硬质刮刀的主要挑战在于其刚性。如果零件与刮刀接触，就很有可能导致工作中断，而软刮刀可以适应零件的变形。零件与刮刀之间发生接触的原因包括残余应力导致的支撑失效或不合适的工艺参数导致的过热。 不过，对于高质量零件或批量生产而言，这一缺点也可以被视为优点。即使使用软刮刀完成制造工作，损坏或瑕疵最终仍会存在，如果损坏在工序下游被发现，会造成更高的成本。虽然使用硬刮刀时工作会暂停，但 AM 工程师会得到直接反馈，说明设计、支撑或工艺参数出了问题，零件必须进行下一次迭代。 另一个缺点是，由于刀片的硬度，铺粉过程中的所有摩擦力都会传递到零件上，这一事实限制了高纵横比的可制造性。在铺粉过程中，摩擦力可能会使零件弯曲或引起振动，从而影响粉末床。这一难题可以通过调整工艺参数（考虑零部件的热状况）得到部分缓解，但对于高而薄的设计来说，这仍然是一个限制因素。 ▲ 采用HSS硬刮刀制造的带有晶格结构的髋臼杯 然而，用于医疗应用的晶格结构等精细物体表明，在调整工艺参数时，使用硬刮刀可以相当容易地制造出易碎部件。髋臼杯就是一个很好的例子，它的结构精细，但质量要求高，硬刮刀可以证明它的优势。 EOS设备有两种不同类型的硬刮刀：HSS（高速钢）和陶瓷。根据所用材料的不同，必须选择不同的刮刀配置。对于大多数材料来说，使用高速钢刀片是因为即使刀片经过硬化处理，仍具有一定的延展性。因此，与陶瓷刮刀相比，与零件接触后出现缺口的风险较低。不过，如果在粗加工后出现缺口，例如由于支撑失效，则不必更换刀片，只需仔细打磨即可。 ▲ 陶瓷刮刀 如果材料是可磁化的，则必须选择陶瓷类型的刮刀。否则，粉末会粘附在刀片上，并在铺粉过程中产生条纹。EOS 产品系列中的此类材料包括 CX、PH1、17-4PH 或 MS1 等钢材。与高速钢刀片不同的是，由于陶瓷的脆性，无法磨削潜在的缺口。不过，这种材料非常耐磨。 2. 软刮刀 软刮刀的主要优点是在于铺粉过程中减少刮刀对零件的作用力。由于软刮刀更加灵活，因此如果摩擦力过大，刮刀可以让位；如果零件变形并粘连在粉末床中，刮刀可以在一定程度上适应零件的轮廓。因此，软刮刀的优势主要体现在两个方面： 1）能够更轻松地制造高纵横比零件和易碎特征； 2）降低因刮刀堵塞而导致工作中断的可能性。特别是在原型制造中，短期效果往往比确保零件质量更重要。这就是为什么许多服务提供商通常使用软刮刀，以满足紧迫的交货时间表。 之前在与硬刮刀的比较中已经简要提到了软刮刀的主要缺点。由于无法确保在整个成型高度上都能保持稳定的铺粉效果，刮刀的磨损增加会影响长时间成型作业的零件性能。此外，在零件变形的情况下，例如由于与基板的附着力不足，虽然工作仍在继续，但零件的尺寸精度很可能不符合规格。因此，工作的成功完成并不一定意味着零件符合规格要求。 不过，软刮刀是一种有用的工具，其需求是由应用驱动的。对于某些具有上述特点的应用，它可以成为最经济的解决方案：高纵横比、易碎特征或需要短期效果。 EOS 提供三种不同的软刮刀，一个是碳纤维刷刮刀，另一种是用于 EOS M 290 的上述两种聚合物刮刀：硅树脂和丁腈橡胶（NBR）。 碳刷刮刀配备了一组短碳纤维，安装在一个支架上。与聚合物刀片相比，它可能略有优势，但价格更贵。在与零接触的情况下，由于碳纤维可以在一定程度上向一侧弯曲，因此刮刀永久损坏的概率略低于聚合物选项。此外，摩擦力的影响更加局部化，因为零件只与一定量的纤维发生作用，这使其更适合制造易碎零件。 用于 EOS M 290 的两种聚合物刮刀也可用于大型框架系统 EOS M 400 和 EOS M 400-4。最简单的区分方法是看颜色：硅胶刀片是透明的，丁腈橡胶刀片是黑色的，但在性能和使用条件方面也有区别。NBR 材料的指定使用温度不超过 80 °C，而硅胶材料则适用于温度较高的构建工作。 ▲ 硅胶刀片（透明），丁腈橡胶刀片（黑色） 为了展示新型聚合物软刮刀的能力，EOS制作了一些高纵横比部件，并在其上印上 EOS M 290 字母，以进一步增加挑战性。该公司使用 Materialise Magics 制作了树支架，其最大纵横比为 66（直径 2.5 毫米，高度 165 毫米）。上面的 EOS M 290…

2024年2月３日，智星二号A星（济高科创号）搭载中国长征火箭有限公司的捷龙三号遥三运载火箭在广东阳江附近海域点火升空，卫星顺利进入预定轨道，太阳翼和二维扫描雷达相控阵天线顺利在轨展开，卫星建立对日姿态，发射任务取得圆满成功。智星二号A星的成功入轨，标志着智星空间具备了200公斤及以上级别整星研制能力，以及X波段SAR载荷的总体设计能力，成为国内第一家具备卫星与雷达载荷一体化设计的商业航天公司。 智星二号A星（SmartSat-X1星）是智星空间自主研发的、采用星载一体化设计的合成孔径雷达（SAR）卫星。该设计采用平板构型设计，适合未来的一箭多星串联发射，因此对零部件的轻量化及小批量快速制造有着较高的需求。金属3D打印技术在加工商业航天大尺寸、复杂结构零部件时具有先天优势，并可以在保证零件质量性能的同时实现零件的批量生产，帮助客户降本增效。 铂力特为智星空间打印了1件卫星星体结构和3件阵面板结构。其中阵面板结构外形尺寸为1300mm×980mm×20mm，星体结构外形尺寸为1300mm×1126mm×335mm，是目前国内在轨应用的最大3D打印卫星结构。星体结构和阵面板均采用AlSi10Mg材料，为大尺寸蒙皮点阵结构，蒙皮厚度和点阵丝径设计仅0.5mm。铂力特产品团队充分分析了零件的特点及使用工况，通过工艺攻关，解决了大尺寸面板类蒙皮点阵结构零件变形的难题。同时用两台铂力特BLT-S1000设备并行打印，保证了项目进度，助力智星二号A星成功发射，后续将持续开展在轨测试工作。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.又一大型增材展！2024 AM China 3D打印展五展联动 2.2024年13份重要的增材制造科研期刊 3.2024 TCT亚洲展预约参观通道正式开启！ 4.第六届SAMA增材制造大会暨联泰科技分论坛流程公示

2023年度，DED技术科研成果丰硕，不仅登上《Nature》，更有69篇刊发在增材顶刊《Additive Manufacturing》。本期盘点让我们一起来回顾2023年这些颇具前瞻性和创新性的DED领域技术进展和突破。 ●合金设计与增材制造结合，实现钛合金强韧性新突破 2023年5月，皇家墨尔本理工大学、悉尼大学与香港理工大学合作，将合金设计与DED-LB工艺相结合，成功制备出了具有出色拉伸性能的钛合金（α-β Ti-O-Fe合金）。该研究结果可以开拓包括航空航天和能源在内的各个领域的应用前景，并通过从工业废料和低品位材料中生产这些合金来促进可持续性，对经济和环境的影响将是巨大的。相关论文以“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”为题发表在《Nature》上。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6 ●异质多丝间接电弧增材制造原位合成Al-Zn-Mg-Cu合金 2023年6月，河北科技大学、河北省材料近净成形技术重点实验室、电子科技大学和里斯本新大学团队联合在《Additive Manufacturing》期刊发表题目为“A novel heterogeneous multi-wire indirect arc directed energy deposition for in-situ synthesis Al-Zn-Mg-Cu alloy: Process, microstructure and mechanical properties”的论文，研究了新型异质多丝间接电弧增材制造原位合成Al-Zn-Mg-Cu合金构件的工艺、显微组织和力学性能。结果表明，送丝速度、电流和两丝之间的角度对多丝间接电弧增材制造工艺有显著影响。 论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042300252X ●通过丝材定向能量沉积制造钢墙的环境和经济评估2023年1月，NOVA 科技学院在《Additive Manufacturing》期刊发表题目为“Environmental and economic assessment of a steel wall fabricated by wire-based directed energy deposition” 的论文，使用生命周期评估（LCA）和生命周期成本计算（LCC）方法来评估电弧增材制造的环境和经济效益，本文使用的方法可以扩展到其他制造工艺。这项研究结果可以帮助制造商根据环境影响和生产成本选择制造工艺。论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422007059?via%3Dihub ●DED制备SS316L/IN718 功能梯度材料的综合研究2023年1月，德克萨斯大学和美国爱达荷国家实验室合作，在《Additive Manufacturing》期刊发表题目为“Comprehensive studies of SS316L/IN718 functionally gradient material fabricated with directed energy deposition: Multi-physics & multi-materials modelling and experimental validation”的论文，通过建立一种新颖的多物理场和多材料热流体模型，来预测材料成分梯度、金属功能梯度材料的几何形状和构建过程，并使用该模型模拟了SS 316L/Inconel…

随着金属3D打印装备做的越来越大，为打印更大尺寸的零件提供了可能。但目前遇到的问题是，大尺寸的零件数据量很大。从原始设计，到转化为可3D打印的数据格式，还存在转换误差；对零件模型添加支撑或者进行打印过程监控，所产生的数据量已经到达了新的高度，影响到了用户当前的便捷使用。这也是当前诞生出很多新的数据格式的原因之一，但其依然依靠数据格式转换，在应用过程中并不便捷。 01数据流转3D打印面临的现实问题航空航天领域零件3D打印已经成为增材制造服务的重要来源，增材制造也已成为火箭推进器和发动机的完美制造方法。对于太空应用的发动机部件，重量是一个重要因素，增材制造为设计空间带来了无限的可能性，它使用户能够大幅减少质量并快速迭代新设计。 借助于3D打印技术，用户可以在几周内完成从设计、制造到组装和热火测试的整个过程。而传统上，完成一次设计迭代需要数年时间。3D打印带来的效率提升无疑是革命性的，这也是航空航天领域大力发展3D打印技术的重要原因。 但采用3D打印技术制造零件，仅打印部分就涉及到多个环节，如数据格式转换、修复、摆放、添加支撑，为后续的机加工添加预留以及设计夹具等等。所使用到软件可能不止一个。数据在流转过程中，容易出现各种问题。行业内仅有少数公司关注到了该问题，使这些流程能够在一个软件内完成。 其中一个例子是美国太空推进解决方案提供商Agile Space Industries，其提供从设计、3D 打印服务、减材制造到测试能力的多种服务。通过使用Oqton的工业 3D打印软件3DXpert为其生产流程带来了极大便利。 02数据转换与切片造成高精细特征失真 在3D打印制造的过程中，工程师通常需要将数据文件转化为STL文件才能进行切片，这实际上存在很多问题，如修复错误，其中最大的问题之一是对原始几何形状的转换误差。 Agile Space Industries增材制造总监Kyle Metsger表示，“我们的每一个组件都具有精细的通道、精细的特征和严格的公差。当采用CAD数据转换为STL模型时，精细的原始几何形状会转换为近似值，从而会带来误差。由于打印打印数千的孔和通道，因此尺寸变化很难控制。” 该公司增材制造高级工程师也表示，"转换为STL会导致几何图形出现偏差，这也意味着我们正在以未知的方式重新定义特征，这是一种风险。我们所有的产品都是性能驱动的，但性能本质上来自于功能。我们越忠实的进行数据准备，越精细的分辨率越能体现最终设计。” 修复STL是可能的解决方法，但根据经验，编辑客户的几何数据很难确保完全满足法规要求。在这种情况下，Agile Space Industries选择使用3DXpert进行数据处理，其增材制造总监指出了3DXpert为其切片流程带来的多项优势——节省时间、消除可变性和降低硬件要求。这些源于一项功能：使用3D打印机指定格式，对三维模型进行切片计算。 03快速数据准备不必考虑计算机内存 采用3DXpert最大的改进之一是切片时间、硬件要求和文件大小。 由于许多内部功能和高分辨率，航空航天领域制造的许多组件的CAD模型数据量都非常大。复杂的CAD几何形状会产生大型STL文件，计算机在运行过程中需要大量内存。 当将航天领域的一个CAD模型转换为STL时，它可能会达到1GB或更大。该大小的文件的硬件要求逐渐增加。上述用户曾经遇到过这样的情况：在其他数据准备软件中移动文件，加载就需要20分钟；对于一个4英寸的推进器喷射器组件，数据准备需要14小时，并且STL文件中存在1到5微米的偏差。这对他们的工作流程产生了重大影响。 在3DXpert中，可以对原生CAD模型进行切片，并且对电脑内存的要求要小得多。“我们过去常常在工作日进行数据准备，然后让计算机通宵运行来对文件进行切片。我们无法在同一天打印该零件，借助3DXpert，我们发现从数据准备准备到机器的总时间减少了60%到70%。”Metsger 补充道。 04一个数字线程防止产生传输错误 3DXpert的另一个重要优势是可以轻松为在不同位置运行的项目创建单个连续的数字线程。Agile Space Industries在宾夕法尼亚州芒特普莱森特和科罗拉多州杜兰戈的两个工厂生产零部件。两个站点之间的顺畅通信和文件传输是其运营不可或缺的一部分：“当创建关键任务组件时，即使是数字线程中的小错误也是不能容忍的。我们需要在整个制造过程中建立一条无懈可击的数字主线。” “3DXpert软件减少了数字线程中的痛点和瓶颈。将我们所有的数据准备工作集成到一个软件中，简化并减少了转换过程或团队之间简单交接中发生错误的可能性。”Graybill 补充道。 END 事实证明，该软件对于保持数据准备之间的一致性至关重要。当开发工程师将零件交给生产工程师进行数据准备准备时，最好的做法是“锁定”一组参数并限制可以更改的内容，以确保零件保持不变。 总结来说，3DXpert节约了60%-70% 3D打印数据处理的时间，通过直接从CAD模型进行切片来避免设计误差，同时该软件极大压缩了模型数据的大小，这对于航空航天领域大尺寸零件3D打印制造来说至关重要。  欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.白皮书：美国国防中如何使用3D打印技术 2.橡树岭：原位中子衍射揭示3D打印「受控」应变演化的机制 3.2023年国内3D打印领域被广泛关注的十大重要事件 4.视频：3D打印被列入《2024产业结构调整目录》重点鼓励技术

电化学沉积增材制造(ECAM)是一种完全不同的金属3D打印技术，可生产出高质量零件，具有优秀的特征分辨率和经济性，且可在高分辨率下实现可扩展大规模生产。 1. 电化学增材制造的原理 以Fabric8Labs公司开发的电化学3D打印技术为例，它基于现有显示技术构建了专用电极阵列，每个打印头包含超过2亿个微观像素，这些像素由打印算法单独控制。它使用带电金属离子的液体溶液作为原料，打印过程中类似于DLP工艺，通过激活打印头上的像素，可产生局部电场，驱动金属离子快速沉积到构建板上，通过调整打印头上活动像素的图案或图像来实现复杂的几何形状沉积，闭环反馈回路还可监控每个像素的构建。利用基于阵列的打印方法，确保零件质量并能够提供零件认证记录。 Fabric8 Labs电化学增材制造原理 通过激活整个打印头的区域，可以同时构建多个高分辨率零件，直接从打印机生产功能零件，无需昂贵的后处理及热处理过程。 2. 为多行业带来新的解决方案 由于金属是以逐个离子的形式沉积的，这使得该工艺能够产生极其精细的特征，目前典型的层厚在10至50微米范围内。该工艺尤其适合于打印纯铜，因此成为小型、精细的冷却板，热交换器、射频天线和类似设备的有前景的新增材制造工艺。  电化学3D打印的80%陀螺结构填充的冷却板 如今，半导体行业依赖于通常锻造或车削工艺制造的冷却板和其他冷却装置。这些工艺仅限于生产规则的翅片，这些翅片只能在一个方向上制作，并且在可以填充这些特征的几何形状方面受到限制。 电化学沉积3D打印的铜结构 但除了制造挑战之外，以传统方式制造的热管理设备的表面积和可提供的冷却量也受到限制。3D打印不仅提供了一种增加表面积和粗糙度以实现更好散热的方法，而且还为复杂的液冷板和热交换器制造提供了一条途径，可显著提高性能。 3. 打印速度快，可扩展实现大规模制造 ECAM 构建通常只需要几个小时，具体取决于零件高度和几何形状；例如，一台打印机可以在大约三个小时内生产四块冷板。打印完成后，零件在机器内用去离子水冲洗。在许多情况下，零件从可重复使用的构建平台上移除后就完成了，但它们也可以根据需要进行电镀、钝化或机加工。 该冷板展示了电化学3D打印相对于车削的优势：有机会以正确的形状（包括圆形）制造这些板 Fabric8Labs 的三位联合创始人开发该技术时的目标是让金属增材制造变得更容易，并且电化学增材制造比基于粉末或线材的工艺带来了许多优势。与这些工艺相比，基于该工艺的设备功耗较低，使其更具可持续性。用作原料的电解质溶液比金属粉末更安全、更容易处理，并且可以在不需要完全封闭或惰性气体的情况下进行打印。室温过程也提高了操作员的安全性。而且，液体原料为大规模 3D 打印提供了好处，包括有机会从一个大型集中式储罐供应多台打印机，在该储罐中始终保持适当的材料水平。  具有螺旋几何形状的射频设备 该机器相对简单的设计使 Fabric8Labs 可以轻松快速扩展到约20台打印机的生产线，并且该公司计划在 2024 年将其生产设施增加到250台。这种快速增长反映了该公司在半导体领域的潜在增长能力，其可提供的解决方案的成本与传统制造以及现有的3D打印工艺产生了直接竞争。 电化学3D打印的50%陀螺结构填充的冷却板 4. 高精度微纳加工，可制造多材料结构 电化学沉积增材制造技术以离子的方式进行沉积，更有利于实现微纳加工。该过程不会产生残余应力、应变，加工零件表面质量较好。除此之外，电化学增材制造工艺还能将多种金属熔合在一起，这使科学家们可以尝试不同的材料组合，并探索单一金属结构中难以实现的技术。 电化学3D打印的针翅散热器 根据Fabric8 Labs公司官网相关信息，电化学增材制造是一种室温金属3D打印技术，无需热处理即可生产复杂、致密的金属部件。该技术能够制造具有微米级特征、复杂内部特征、高纯度材料的零件，同时具有快速可扩展、支持大规模制造的特点。Fabric8 Labs正致力于通过提供取代传统制造的先进制造服务来拓宽金属增材制造的市场。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.升华三维：使用挤出技术3D打印纯铜换热器 2.采用FFF熔丝挤出技术3D打印纯铜部件 3.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度 4.最新突破：粘结剂喷射完成攻克钛、铜、铝3D打印制造

机械超材料是具有特定元素/晶胞排列的人造材料，可实现新颖的特性，例如零或负泊松比、消失剪切模量和高比能量吸收(SEA)。SEA是抗冲击超材料设计最重要的特性，与材料有关。硬质材料通常比软质材料具有更高的 SEA值。SEA很大程度上取决于相同材料的结构配置，例如基于支柱和基于板的超材料。先前的研究表明，基于支柱的八位体桁架超材料具有比体心立方超材料更高的SEA。 具有高SEA的新型超材料可以源自自然生物。例如在骨骼和蝴蝶翅膀中观察到的三周期最小表面（TPMS）显示出优异的SEA特性，而竹子的中空结构承受横向力并避免断裂。原则上，从自然结构中学习的仿生超材料可以改善高比能量吸收特性；受竹子中空结构启发的八面体桁架呈现出优异的SEA，超越了基于支柱的面心立方和八面体超材料；具有高机械性能和SEA的蜂窝结构已广泛应用于航空航天领域。这些发现表明仿生超材料可用于改善SEA。  BPM的形态演变：（a）自然界中的柚子表面和柚子皮；(b) 柚皮的显微结构[ 8 , 15 ]；(c) 受柚子皮启发设计的BPM单元；(d) 支柱的相对密度-直径关系；(e) 设计的UBPM模型；(f) 设计的 GBPM 模型。 柚子皮是一种厚度为3-20毫米的泡沫状结构，由细长且相互连接的八臂细胞组成，具有较大的细胞间隙。整个柚子的自由落体试验表明，由于柚皮的保护，柚子可以承受70J的冲击力。因此，重构和优化柚子皮有望实现较高的SEA。受柚子皮启发，有研究人员提出了一种分层蜂窝结构，与传统蜂窝相比，其SEA和等效平台应力分别提高了1.5倍和2倍。然而，分层蜂窝表现出极大的各向异性，无法承受另一个方向的外力。另有研究人员探索了板晶格柚皮状多面体超材料的高应变率压缩行为，该行为表现出增强的 SEA。然而，板晶格超材料存在于封闭腔附近，这导致制造困难。 功能梯度（FG）超材料通常用于改善沿相对密度增加的方向逐层断裂的SEA，同时承受单轴压缩。连续相对密度表现出延迟的初始致密化应变。例如，功能梯度基元和陀螺仪的初始致密化应变比均结构高19.18％和18.5％。但也观察到仿生梯度竹结构的能量吸收比传统蜂窝结构高四倍。尽管基于支柱的仿生柚皮多面体超材料具有高散热、抗冲击和可制造性，但它们的局限性能量吸收能力限制了它们的应用。 3D打印技术参考注意到，华中科技大学史玉升教授团队将分级设计引入基于仿生柚皮多面体超材料中，以改进高比能量吸收能力并扩展其应用，并研究了材料对功能梯度设计的SEA定律的影响。  https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100068 研究人员受柚子皮保护果肉的抗冲击性和功能梯度结构可提高SEA能力的启发，采用软材料（光敏树脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）进行3D打印，制备了梯度仿生多面体超材料（GBPM），其SEA超过了前期报道中大多数软材料和硬质材料制造的超材料SEA。 图1 SEA Ashby图与各种现有超材料的对比   论文亮点 •提供了一种实现卓越能量吸收的仿生策略。 •验证了材料对机械响应和比能量吸收的影响。 •仿生梯度多面体的比能吸收超过了以前的大多数超材料。 试验方法 激光选区熔化Ti-6Al-4V粉末及数字光处理光敏树脂制造仿生多面体超材料，扫面电镜观察仿生多面体形貌，准静态压缩仿生多面体超材料，Abaqus动力学显式仿真准静态压缩过程。 结果 在压缩试验和数值模拟的指导下，SEA能力的提高与材料无关。在应力-应变曲线中，波动区出现在硬材料制造的仿生多面体超材料（BPMs）中，而在软材料制造的BPMs中不存在，导致软材料制造GBPM的SEA值的增长率比硬材料制造GBPM提高了5.9倍。软材料和硬材料制造的GBPM的SEA值分别为1.89 J/g和44.16 J/g，超过了先前研究中报道的大多数软材料和硬质材料制造的超材料的SEA。   UBPM和GBPM的压缩结果、力学性能和SEA：(a)软材料制造的UBPM和GBPM的应力-应变曲线；(b) 硬质材料制造的UBPM和GBPM的应力-应变曲线；（c，d）软材料制造的UBPM（c）和GBPM（d）的压缩结果；(e, f) 硬质材料制造的UBPM (e) 和GBPM 在℃ = 0.1 (f) 时的压缩结果；(g) 通过压缩试验和功率拟合获得的软材料制造的UBPM和GBPM的SEA应变曲线；(h) 从压缩测试和功率拟合中获得的硬质材料制造的 UBPM 和 GBPM 的 SEA 应变曲线。  FEM 中的 von-Mises 应力分布：(a) UBPM；(b) GBPM 结论 1. 分级设计降低了力学性能，将45°剪切断裂转化为逐层破坏。与硬材料制造的BPMs相比，软材料制造的BPM表现出延迟的致密化应变。 2. 提高SEA的梯度设计与所用材料无关。与UBPM相比，GBPM可以实现增强的SEA。在软材料制造的BPMs的断裂阶段没有出现波动区，与硬材料相比，软材料制造GBPM的SEA值的增长率提高了5.9倍。 前景与应用 仿生梯度设计可提高超材料的能量吸收效果，本文的仿柚子皮梯度超材料的SEA超过了先前研究中报道的大多数软材料和硬质材料制造的超材料的SEA。以上发现可以指导具有高能量吸收以抵抗外部冲击的超材料的设计。 注：本文部分内容来自AMF增材制造前沿，转载已获授权。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.2024 TCT亚洲展预约参观通道正式开启！ 2.GRX-810新超级合金3D打印火箭发动机成功测试，NASA公布多个新材料使用要点 3.预计营收12.32亿！铂力特发布2023业绩预增预告公告 4.每年3D打印五万件钛零件！华曙助力国内自行车制造商创新突破！

据 NASA 2024年1月消息，其开发的新一代超级合金GRX-810在工程化应用方面取得了新进展，由该材料3D打印的液体火箭发动机已成功进行热火测试。   GRX-810是一种氧化物弥散强化 (ODS) 合金，是NASA专为极端温度而开发。其主要成分为Ni-Co-Cr基合金，使用集成计算材料工程技术创建，并使用一种新的高能混合技术成功将重量百分比为1%的Y2O3包覆在NiCoCr粉末颗粒上，粉末粒径为10-45μm，借助增材制造工艺将纳米级氧化钇颗粒融入其整个微观结构中，从而带来显著的性能增强。总的来说，这是是具有卓越温度和抗氧化特性的新型材料。 与传统镍基高温合金相比，GRX-810合金的拉伸强度提高了两倍，蠕变性能提高了1000倍，抗氧化性提高了两倍。NASA成功展示了通过激光粉末床熔融 (L-PBF) 和激光粉末定向能量沉积 (LP-DED) 工艺使用GRX-810合金开发和制造组件。 根据3D打印技术参考查询到的资料，NASA在建模、评估冶金性能、开发热处理工艺、表征微观结构和确定机械性能方面做出了广泛努力。GRX-810合金专为航空航天应用而设计，包括液体火箭发动机喷射器、预燃器、涡轮机和热段部件，能够承受高达1100°C的温度。该合金开发的目的是弥合传统镍基高温合金和耐火合金之间的温度差距。 NASA对两个批次的GRX-810合金进行了性能对比，并与其他航空航天合金进行了全面比较，讨论了其微观结构、机械性能、加工进步、组件开发和热火测试结果。 研究发现，两个批次的GRX-810存在一些显著差异。在较低的温度下，批次1的GRX-810表现出较高的拉伸和屈服强度。Hall Petch可能解释了这一点，因为批次1 GRX-810确实表现出了更精细的晶粒尺寸。这种抗拉强度的差异随着温度的升高而减小，两种版本的GRX-810在1093°C时表现出相似的强度。然而，与原始批次1 GRX-810相比，批次2 EOS M280 GRX-810样品的伸长率在1093°C时明显更高。这也可能是两种材料之间晶粒差异的结果。与批次1相比，这种伸长率差异也可以代表批次2中氧化物分散度的改善。在NiCoCr基合金中，当微观结构中包含纳米级氧化物时，拉伸伸长率在高温下提高，而非ODS GRX-810在1093°C下的延展性比其他ODS版本低得多。在这些升高的温度下，晶界氧化开始在机械性能中发挥重要作用，氧化物被认为有助于改善氧化并稳定晶界，从而提高延展性。氧化物影响氧化行为本身，还是简单的稳定微观结构尚不清楚。更好的氧化物分布也可能在GRX-810的蠕变特性中发挥作用。 此外还比较了625合金、718合金、230合金、AM NiCoCr、AM NiCo Cr ODS、批次1 HIPed GRX-810和批次2 GRX-810的蠕变强度。可以明显看出，与测试的其他合金相比，两个GRX-810样品的蠕变强度显著增加。截至目前，由EOS M280打印的GRX-810蠕变试验仍在进行中，但目前的性能与之前的GRX-810试验相同或更好。这种改进的蠕变能力和高温延展性意味着结构中的氧化物分布是足够的，并且可能优于此前的样品。将GRX-810的热导率与许多其他镍基高温合金进行了比较，导电性与其他镍基高温合金相当。HIPed GRX-810提供了介于750-1000°C之间的高导热系数，目前尚不清楚这种电导率增加的来源，很可能是微观结构。 NASA优先考虑GRX-810合金的早期材料开发，以建立符合预期机械和热物理性能的最佳工艺参数。同时，在GRX-810推进的初始阶段，重点放在了组件开发上，以验证可以成功构建预期的复杂几何形状。GRX-810被提议用于多种应用，特别是热交换器、涡轮机械和在高热通量环境中运行的部件。在液体火箭发动机的背景下，具体应用包括设计用于减轻涂层面板、再生冷却喷嘴和涡轮泵中的喷射器。选择示例如图7所示。NASA使用GRX-810借助激光粉末床熔融工艺构建了涡轮叶盘、具有内部特征的导流器、喷射器、再生冷却喷嘴、涡轮叶盘以及带整体端口的涡轮叶片。 GRX-810合金表现出与典型的镍基合金（如625合金和718合金）相当的构建速度。构造限制和几何形状表明与其他镍基合金相似。此外，该粉末在构建过程中多次重复使用，表现出一致的性能，保持了均匀的构建几何形状。正在进行的工艺开发工作仍在继续，以提高GRX-810合金在各种L-PBF平台上的成熟度，包括后处理。使用热等静压的单次热处理最大限度减少了晶粒生长，增强了材料的结构完整性。此外还需要继续优化热等静压以及抛光、表面增强等技术，并探索其他工艺，如激光粉末定向能量沉积（LP-DED）。 GRX-810喷注器制造工艺流程 3D打印的喷注器和喷嘴已经通过了完整的制造工艺流程并进行热火测试 3D打印的注射器和喷嘴已经通过了完整的制造工艺流程并进行热火测试。这两个零件都是为L-PBF设计的，具有整体歧管和通道，以最大限度减少二次制造过程（即焊接、钎焊）。测试成功证明了GRX-810在航空航天应用中的稳健性和准备性。GRX-810技术准备水平（TRL）通过测试取得了进步，在各种压力和推进剂组合中积累了3117秒的热射时间。与普通高温合金相比，GRX-810注射器的坚固性有了显著提高，显示了其在商业航空航天应用中的潜力。未来的工作涉及GRX-810合金原料的额外缩放和分析，以及L-PBF和激光粉末定向能量沉积（LP-DED）的构建，以实现大规模生产和更广泛的应用。 用于测试的发动机结构 重点将是GRX-810合金在组件应用中的持续成熟，最终目标是商业化。NASA指出，研究工作正在探索航空航天和能源行业的其他应用，与行业伙伴的合作对于将GRX-810合金整合到美国国家航空航天局和商业航空航天计划中至关重要，从而提升其技术成熟度的广泛使用。 推荐研究：Extreme Temperature Additively Manufactured GRX-810 Alloy Development and Hot-fire Testing for Liquid Rocket Engines 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.突破：NASA开发出一种新型超高性能3D打印合金，耐温1093℃ 2.Nature：专为极端环境设计的新型3D打印合金 3.一类重要且有前途的3D打印金属材料——氧化物弥散强化合金 4.发表于Nature：通过增材制造获得高强、高延展高熵合金