热交换器在多种应用中不可或缺。一般来说，热交换器用于在流体之间传递热量（通常是运动流体），以消除组件在工作过程中产生的过多热量。特别是在航空航天应用中，发动机的大部分冷却是由位于发动机和机舱之间的空气-油热交换器提供的，热交换器可以冷却运行中发动机的机油，从而尽可能优化发动机的容量。因此，该器件必须能够在高温、严重腐蚀和磨损的条件下运行，适用于在海洋大气、动态振动和长时间运行的地区停顿时间较长的飞机。 热交换器传统开发和制造面临挑战  由于结构复杂，航空航天热交换器传统上通过钎焊或扩散接合组装薄板的漫长流程生产而来。钎焊使用熔点低于所连接基材的填充金属，可产生牢固的粘合并提高耐腐蚀性等性能，但它并不完全适合具有多个接头的大型部件，并且需要高技能和经验丰富的操作员才能达到最佳结果。创新的扩散接合可以使金属部件之间更好、更容易的结合，从而形成高性能的紧凑型热交换器。特别是，该过程包括施加高温和高压来粘合板材，而不会熔化或使形状变形。然而，该过程需要专门的设备和较长的处理时间。此外，连接的成功依赖于表面处理和表面之间的紧密接触，限制了复杂几何形状的应用范围。多年来，航空航天业取得了巨大的技术进步，如今热交换器的组件制造效率更高，以最大限度减少浪费。然而，新的、更高效的热交换器的开发仍在继续。最重要的是通过影响尺寸等来减少组件的最终重量，同时热效率方面的性能必须达到高水平。因此，热交换器的设计和制造过程中有几个主要目标，从工程和生产成本的角度来看，这些目标都具有挑战。 航空发动机中的油热交换器 如今，航空航天领域使用的所有组件都对制造和使用寿命提出了要求，以满足最严格的环境规则，迫使这些行业对热交换器有了新的愿景，希望通过复杂设计提升热交换效率，但通过传统制造技术却实现复杂系统的制造。此外，这项新规定引发了对新型制造技术的考虑，因此也考虑了具有高密度/强度比的材料。 由3D打印制造的热交换器 热交换器的设计通常是最大化零件表面积和最小化零件内压降之间的复杂平衡。通常，热交换器可以通过多种方式进行分类，例如传递机制、过程性质、流体流动和紧凑性。紧凑型热交换器的特点是每单位体积具有大量的热交换表面，通过最小化组件的总体积来最大化传热是紧凑型热交换器设计的基础。由于体积相对较小、重量轻且热效率高，这些紧凑型热交换器已在航空航天领域得到广泛应用。 拓扑优化与晶格结构受重视 科学界仍在探索新的设计工具和制造方法，以解决热交换器的现有局限性，并最大限度提高热效率，同时实现组件的极度紧凑和轻量化。热交换器的许多细节最终不是由性能要求驱动，而是由制造能力驱动。因此，了解节距、翅片高度和翅片厚度等变量的影响对于重复生产轻质、高性能的热交换器至关重要。过去，大量关于翅片形状与热效率之间相关性的研究推动了新热交换器的设计。传统上，所使用的翅片类型是金属板材成型或弯曲工艺的结果，并且其几何形状必须允许在最终部件上轻松连接。这减少了用于生成新的、功能更强大的热交换器的可能的几何形状组合。 Sintavia 3D打印制造的大尺寸热交换器   现代工业已达到一定的技术进步水平，可以保证克服上述限制。特别是，设计阶段的拓扑优化和生产阶段的增材制造这两种新技术的结合，扩大了热交换器的生产空间，增加了可能的类别，并且在一些限制下，可能有助于提高性能用于航空航天和其他应用。 拓扑优化是一种数学技术，它使用可变的设计参数和约束条件来生成形状，以保证一个或多个目标函数的最大化或最小化。具体来说，在满足约束条件的情况下，通过调整工程参数的值来达到目标函数的最大值或最小值，这就是优化的实现。这种有用的工具与先进的计算建模软件和增材制造技术相结合，可以创建具有优化表面和低重量的热交换器设计。 使用优化模型和增材制造生产的新型热交换器 对最大化散热和性能的日益增长的需求是热交换器设计的新愿景。例如，晶格结构的使用被证明是增强传热从而提高热交换器效率的一种可能方法。晶格结构是一种由支柱组成的结构，以周期性排列的拓扑顺序排列，重复一次或多次。网格结构保证了显著的机械阻力，从而形成高效的负载支撑系统，并且还为横流热交换提供了制造的可能性。由于冷流体通过孔道传播的横流，来自热流体的热量通过传导和对流通过网状结构局部消散。晶格结构的空区域中的高热传导和对流以及低流动阻力的结合导致了高效的热交换。传统上，晶格结构是使用传统制造技术生产的，这在架构数量上有很多限制。另一方面，现代增材制造技术的引入扩大了可以创建的可能几何形状。 带有晶格结构的3D打印热交换器   目前，对空心结构使用的研究正在进行中，与晶格结构的结合可以显著提高热效率。这些通过增材制造制造的新型空心壁热交换器具有巨大的工业发展潜力，但传热、损失和结构类型之间的关系仍需要正确评估。尽管如此，通过增材制造晶格结构和薄壁特征的一些限制仍然是科学研究仍在努力应对的挑战。最小和最大倾斜度、厚度和精度的限制并不总能保证实现复杂结构的制造。 热交换器的增材制造 增材制造是一种现代制造工艺，为创造具有复杂几何形状的新产品提供了极大的灵活性和机会。近几十年来，增材制造开始对传统制造技术难以制造的产品且原材料浪费非常严重的工业领域产生了巨大影响。此外，增材制造的引入使得拓扑优化等技术的实施成为可能，从而通过减轻组件的重量来提高性能。因此，在航空航天领域使用这些工艺制造组件增加了创新机会，并提供了制造热交换器的新方法。 GE9X上的3D打印热交换器 如今，增材制造工艺多达几十种，但能够制造热交换器的3D打印工艺需要仔细甄别。直接能量沉积（DED）技术能够生产大型部件，但产品的最终表面和尺寸精度较差，使得该工艺不适合生产薄型特征的热交换器。超声波增材制造 (UAM)利用超声波摩擦来连接薄金属板，然后通过减材工艺对该层进行加工以创建所需的几何形状，目前有许多研究正在证明该技术制造热交换器的能力。粉末床熔融技术是迄今为止大规模生产金属零件时使用最广泛的增材制造方法，该工艺制造了当前最常见的3D打印热交换器。 赛峰金属3D打印的新型高性能热交换器 为航空发动机等行业设计更为高效的热交换器因3D打印技术的成熟而变得可能。本文为热交换器增材制造的第一篇内容，下篇将介绍3D打印制造热交换器的挑战及材料选择。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 | 赛峰集团推出新型航空发动机热交换器HIPEX 2.90万欧元3D打印热交换器订单！ 3.高导热、高强度——用于热交换器3D打印的「双两百」铝合金问世 4.增材制造高性能换热器的应用设计

结构拓扑优化设计以寻求材料最优分布形式与最佳承力路径为目的，在符合结构材料力学特性的前提下，实现结构的轻量化设计。然而拓扑结构往往比较复杂，传统制造技术难以实现精准、快速制造。金属增材制造技术可实现复杂零件的快速制造，极大地拓宽了设计空间。 增材制造技术前沿注意到，来自沈阳航空航天大学机电工程学院和中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所的研究人员发表了《面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展》一文，综述了面向金属增材制造技术的结构拓扑优化设计研究进展，从优化拓扑算法的角度，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施；从金属增材制造约束的角度，总结了考虑几何约束、成形约束、材料性能约束的拓扑优化方法，并结合金属增材制造与拓扑优化技术的发展趋势进行了展望。   面向金属增材制造的拓扑优化设计随着我国航空航天事业的持续发展，航空结构件需满足轻质高效、长航时、高机动性等要求，因此，进一步降低结构质量系数是结构优化设计领域面临的一项严峻挑战。传统轻量化设计大多是基于经典结构的等效替换，例如通过新工艺、新材料等精益改善和挖掘结构潜能，现已趋近“天花板”。 拓扑优化技术作为结构优化设计的重要分支，通过定义材料属性、载荷工况与约束条件，寻求给定设计域内材料的最优分布形式，是结构轻量化设计、获得高性能创新构型的有效设计方法，现已被广泛应用到航空航天、汽车制造等领域中。例如，应用填充微观点阵结构的卫星支架多尺度拓扑优化设计，使卫星支架减重17%，动态响应减少25%；考虑切口、保持传统钣金轮廓的涡轮发动机支架的拓扑优化设计，使发动机支架减重25%；考虑增材制造工艺、扩大设计空间的拓扑优化设计，使发动机支架减重66%，最大位移减少约50%；由30多个单独部件组成的稳定器前翼梁支架，应用拓扑优化一体化设计，成功实现前翼梁支架减重30%，显著改善结构性能，提升加工效率。  金属增材制造技术   然而拓扑构型通常较为复杂，受制于传统制造工艺限制，设计人员往往需要简化最优拓扑构型，这导致拓扑优化的结构优势不能充分体现。增材制造技术使用高能束热源，采用“自下而上”材料逐层熔化沉积的叠加方式，无需模具，可实现复杂拓扑构型的快速“自由制造”，解决了结构优化存在的“制造决定设计”的问题，极大地拓宽了设计空间。但金属增材制造技术并不是完全“自由制造”技术，仍存在特有的制造约束，如当拓扑构型最小尺寸小于设备精度时，则会出现打印失败现象；受制于设备成形腔与结构热变形限制，增材制造大型构件时，需进行分块与连接处理；增材制造零件有时会沿构建方向出现20%~40%的强度损失；对于粉末床增材制造技术，在制造含有封闭孔洞的拓扑结构时会出现内部粉末与支撑难以去除等问题。因此，在拓扑优化设计中考虑增材制造约束，发展面向金属增材制造的拓扑优化设计方法具有重要意义。 金属增材制造技术虽有效解决了复杂拓扑结构可制造性差的问题，但仍存在某些制造约束，如当结构最小尺寸小于束斑直径时，零件实际打印轮廓会超出设计轮廓；激光选区熔化技术所能制造的零件几何尺寸受限；当悬垂角度选择不当时，会产生零件装配孔材料塌陷、支撑结构断裂等现象；采用粉末床增材制造技术时，制造的含有封闭孔洞的结构存在内部粉末与支撑无法去除等问题。因此，在拓扑优化设计中需同时考虑结构几何约束、成形约束、材料性能约束等多种增材制造约束，从产品拓扑优化设计源头改善制造工艺局限性，以实现结构设计制造的一体化。   增材制造打印失效 ：（a）装配孔材料塌陷；（b）支撑结构断裂；（c）内部支撑无法去除 拓扑优化设计可以依据材料属性、约束条件及载荷工况，在给定设计区域内寻求材料最佳分布形式与最优承力路径，实现高性能轻量化设计。金属增材制造技术基于高能束热源，采用快速熔化与逐层叠加的成形方式，可实现复杂拓扑构型的快速原型制造与实体自由制造。将拓扑优化设计与金属增材制造结合，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施，总结了考虑金属增材制造几何尺寸约束、成形约束及材料性能约束的拓扑优化方法，为学者们进一步研究面向金属增材制造的拓扑优化设计提供了参考。   考虑最小尺寸约束的拓扑优化：（a）节点设计变量与投影函数 ；（b）鲁棒公式 ；（c）空间梯度算子 ；（d）骨架提取与最小特征优化 MBB 梁自支撑优化：a）悬垂投影约束；b）优化悬垂角度与打印方向；c）多边形特征孔；d）非线性虚拟温度场   考虑连通性约束的拓扑优化：a）虚拟温度场；b）最短连接隧道；c）边约束；d）应力最小化   考虑材料各向异性的拓扑优化：a）强度各向异性 ；b）量化增材制造工艺参数   拓扑优化设计存在设计变量巨大、计算效率较低、求解困难、弱收敛等不足，现有拓扑优化算法往往难以输出可直接应用于增材制造的结构性能最优解，学者们往往基于最优拓扑构型进行二次简化设计，损失了结构性能。因此，结合并行计算技术，开展设计变量较少、收敛性较好的算法研究以输出可直接应用于增材制造的最优拓扑结构具有重要现实意义。 宏观拓扑优化与微观点阵结构研究日趋完善，将宏观拓扑优化设计与微观点阵结构有效融合，建立多尺度结构之间的高度衔接性，充分利用拓扑优化的高性能构型及增材制造提供的广阔设计空间，追求高性能的轻量化设计具有广阔发展前景。 考虑金属增材制造约束的拓扑优化方法采用较为理想的材料模型，与金属增材制造技术实际打印过程存在一定的差异，因此，通过建立多元工艺参数下的材料各向异性精准拓扑模型，量化金属增材制造设备工艺参数，模拟金属增材制造加工过程及预测零件翘曲变形与开裂，可有效减少残余应力与变形，改善成形精度与表面质量。 面向金属增材制造的拓扑优化往往是基于单一材料的优化，将多材料、拓扑优化及金属增材制造有效结合，研究功能梯度材料的拓扑优化设计与金属增材制造技术，实现材料、结构、工艺、性能一体化设计，是追求高性能、多功能、轻量化的又一突破点。 该文收录于《中国激光》2023年第12期。刘博宇, 王向明, 杨光, 邢本东. 面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展[J]. 中国激光, 2023, 50(12): 1202301.本文已获取作者及期刊特别授权，如有转载，请联系授权方。《中国激光》由中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办，创刊于1974年，是国内唯一一本全面报道激光技术领域最新研究成果的专业学报类期刊，被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。在光学领域唯一连续2次获得全国“百强科技期刊”，多次获得“百种中国杰出学术期刊”称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年获得了“第五届中国出版政府奖”期刊提名奖。面向国家重大发展需求，《中国激光》于2021年推出“前沿激光制造”专题刊，以强化国家战略科技力量，推动制造强国战略目标加速实现。“前沿激光制造”专题刊聚焦国内外激光制造领域的优秀成果，以前瞻视角为站位，以激光制造领域的战略性支撑技术为出发点，通过快速报道领域内的动态与发展趋势，推动激光制造领域的产学研创新发展。专题刊收稿范围包括：激光增材制造、激光微纳制造、激光成形制造、激光表面加工。欢迎各位老师持续关注。    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.增材制造：拓扑优化与梯度点阵结构提升零部件附加值 2.案例剖析 | 拓扑优化与点阵填充实现轻量化的秘诀 3.整体化、轻量化与批量化 | 铂力特展示航空航天金属3D打印潜力与趋势 4.直接和间接3D打印部件，大量轻量化技术和材料——奔驰下一代电动汽车制造思路

目前，中国航空航天、舰船、轨道交通等新兴战略领域发展迅速，对金属构件的性能、精度、制造效率的需求不断提升。采用高性能大型轻量化整体构件替代传统的铆接、焊接结构拼合件，不仅可减轻装备重量，还能提高性能参数与服役寿命。金属增材制造技术以零件的三维数字模型为基础，通常使用激光、电子束、电弧等热源，将金属丝材、粉材熔融再结晶，运动机构按照既定路径将熔融金属逐渐累加直至成形最终金属零件。因脱离了模具、锻压及加工设备尺寸的限制，金属增材制造正逐渐成为新一代大型高强轻质合金结构件的重要制造手段。   典型的能够制造米级金属构件的3D打印技术包括电子束熔丝增材制造（EBFF）、激光熔化沉积（LDED）、电弧熔丝增材（WAAM），其他金属增材方法，如片材层压增材、冷喷涂增材、搅拌摩擦增材等，现阶段不适用于高性能大型件制造。东南大学研究人员在稀有金属期刊发表了题为《大型金属构件多机协同增材制造前沿进展》的文章，3D打印技术参考获得了该文的发布授权，对以上技术分别论述。 1. 大型金属件电子束熔丝增材制造 因电子束具有能量密度高、加热集中、精确可控等特性，EBFF沉积效率高、成形件致密度高、不易产生未熔合缺陷且变形小，可以实现不同材料、不同材料梯度零件的直接近净成形。EBFF需在真空舱内进行，增材过程充分隔绝空气，可保证零件质量。然而，真空舱的应用极大提升了制造成本，使得该方法仅适用于航空、航天等关键领域的小批量零件制造。美国航空航天局兰利研究中心是较早开展针对大型金属构件EBFF技术研究的单位，成功研制了六自由度的EBFF设备，配备2.7m×2.5m×2m的真空舱，可实现大型航空结构件的修复与制造。美国Sciaky公司生产的EBFF系统最大可加工零件尺寸可达5.79m×1.22m×1.22m，回转结构最大直径为2.44m，可加工钛、钽、镍基合金等材料。图1为该公司打印的航空推进剂钛合金存储罐。中国航空制造技术研究院是国内针对EBFF研究的单位之一，开发了国内首台电子束熔丝成形设备，并陆续开展了TC4，TC18钛合金及A100超高强钢零件的增材制造，获得装机应用。 图1 Sciaky公司制造的大型航空推进剂钛合金存储罐 2. 大型金属件激光熔化沉积增材制造 LDED增材常用热源包括CO2激光器、Nd：YAG激光器、光纤激光器。CO2激光器平均输出功率高（最高20kW），金属增材沉积效率可达200cm3·h-1，成形精度较低。Nd：YAG激光器输出功率1~4kW，成形精度较好，但光束质量较差，成形效率低。相较于前两者，光纤激光器的光束质量高、光斑尺寸小、光束集中，成形零件质量好，精度高，且光纤柔性传输便于系统集成。综上，光纤激光器是非常有前景的LDED增材能量源，部分商用光纤激光器功率高达10kW，满足大型金属件材料沉积效率需求。 图 2铂力特3D打印的C919钛合金机翼中央翼缘条 采用LDED方法制造大型金属构件的相关研究较为广泛。20世纪90年代末，美国AeroMet公司针对航空钛合金构件的激光增材技术开展系统研究，指出了大型金属构件增材过程中“热应力”控制是关键科学问题之一。英国伯明翰大学Dil⁃worth等采用激光增材制造方式成形飞机机翼支架，并发现层间不充分重熔导致孔隙，使得零件塑性出现明显各向异性，还需采用热等静压技术消除孔隙，提高延展性。自2000年起，国内科研单位陆续开展大型构件激光增材制造技术的相关研究工作。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东和林鑫采用激光熔敷方式成形C919钛合金机翼中央翼缘条，长度高达5m，性能优于锻造件。北京航空航天大学王华明院士等成功研制出多路沉积“桥式”大型激光增材制造装备新系统。在高性能金属大型关键承力构件激光增材制造“材料-结构-制造”一体化方面形成系列成果，圆满保障了大型运输机、舰载机、大型运载火箭等国家重大装备研制生产任务。 3. 大型金属件电弧熔丝增材制造 WAAM技术通常采用气体保护金属电弧（GMA）、钨极气体保护电弧（GTA）或等离子体电弧（PA）作为热源，将送给金属丝材熔融沉积并逐层成形零件实体。该方法具有沉积效率高、材料利用率高、设备柔性高、制造成本低等优点。同时，WAAM可在无封闭仓的环境下自由成形，制造过程不受零件尺寸、设备尺寸限制。因此，非常适用于大型金属构件的增材制造。 英国Cranfield大学与欧洲航天局合作采用GMA增材制造技术，成形钛合金飞机机翼翼梁和起落架外肋支撑等大型框架构件，材料利用率高达90%以上，产品缺陷少，力学性能优于铸件，如图3所示。然而，因成形零件内部存在大量粗大柱状晶，导致零件整体力学性能各向异性。Almei⁃da和Williams等采用冷金属过渡（CMT）电弧增材方法，成功解决了钛合金增材过程的弧偏吹、大飞溅等问题，并通过提高保护气中氦的含量实现晶粒细化，最终成形了1000mm×400mm×2mm的TC4钛合金垂直薄壁墙结构。 图 3 英尼格玛电弧增材系统 2019年，Ramlab公司采用WAAM技术制造了直径为1350mm，重约400kg的全尺寸镍铝青铜船舶螺旋桨，如图4所示。Cilia等采用WAAM技术制造拖船用螺旋桨，并获得了船级社认证。国内相关单位也开展了广泛研究。华中科技大学的He等采用WAAM技术，成形出尺寸为760mm×37mm×36mm的GH4169航天舵零件，材料利用率高达75%，其抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能优于传统铸造件。然而，WAAM成形过程中随着层数的增加，成形件热积累严重，边缘形貌与成形尺寸的控制困难，使得成形件表面质量较低。哈尔滨工业大学、上海交通大学相关研究团队针对表面成形质量开展研究工作，并应用于大尺寸金属零件制造过程中。 图 4 Ramlab公司采用电弧增材打印全尺寸螺旋桨 图5 10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 图6 Relativity Space采用WAAM生产火箭箭体 2021年，中国国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士等利用电弧熔丝增减材一体化制造技术，制造完成了世界上首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件，在整体制造的工艺稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均实现重大技术突破，如图5所示。 4. 大型金属件增材问题与挑战 现阶段，大型金属构件增材相关研究较少，工程应用中存在问题与挑战总结如下： 1). 大型金属件应力与变形情况复杂。大型金属件熔化沉积增材过程中，成形金属长期处于剧烈、非稳态、周期性、急冷急热的热循环中，带来的复杂热应力。同时，在已成形部分的强约束下熔池快速凝固使构件内存在复杂凝缩应力，非平衡固态相变则会带来非平衡的组织应力，外部机械约束会导致构件内部产生难以预测的机械应力。上述应力相互交织集中，易导致大型金属构件更容易变形、开裂，加剧应力场预测难度。 2). 大型金属件组织性能难控多变。为提高大型金属件增材时效性，通常采用高功率热源增材，随之带来热影响区域的扩大。一方面，熔融金属受多物理场、能量场相互耦合的短时非稳态冶金，导致熔敷金属显微组织以粗大柱状晶为主。另一方面，已成形金属在周期往复复杂热循环的作用下，形成各向异性微结构。尤其是当制造钛合金等对加工温度非常敏感的材料时，组织性能差，控制困难。 3). 大型金属件增材工艺稳定性差。受金属增材热过程残余应力和变形影响，成形件与预设模型易产生尺寸偏差。在大型金属件增材过程中，偏差不断累积，更为显著，使得已成形熔敷层表面变为非平面。因成形偏差，熔敷层部分位置工艺参数与预设不一致，如熔敷头位置、喷嘴高度发生变化，影响材料沉积过程和保护气效果。导致成形件易产生气孔、夹渣、隔层、裂纹等缺陷，无法连续稳定增材，严重影响构件使用性能。 4). 大型金属件增材效率低。现阶段，为保证工艺稳定性，大型金属件增材通常采用单热源设备实现，因工艺窗口限制，材料沉积效率与小尺寸零件相似，加工周期长，部分零件的制造周期甚至可达数月。使得场地、设备和人工成本较高，无法满足快速响应制造的生产需求。 注：本文内容发表于稀有金属，已获得该期刊授权。 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： 1.8月，传统工艺&增材制造：现场碰撞！ 2.2023 TCT亚洲3D打印展预约全面启动 3.火箭院 | 3D打印用于我国两型火箭大尺寸构件直接制造 4.NASA着力开发火箭发动机的多合金和多工艺增材制造

导读COVID-19大流行的一个意外后果是它对价值数十亿美元的半导体微芯片市场的影响：在全球封锁导致消费电子产品需求飙升的同时，半导体的供应因生产中断而陷入瓶颈。现在，供应的短缺威胁到了依赖于这些部件的行业产量。3D Systems公司的Scott Green和Niels Holmstock以及Diabatix公司的Lieven Vervecken和Gert-Jan Paulus探索了如何利用金属增材制造（AM）来提高半导体制造的效率，提升这些重要部件的生产速度。 金属增材制造很容易与航空航天、汽车和医疗保健等细分市场联系起来，但AM提供的价值是独特的，可以应用于任何一个细分市场，该细分市场特点是系统的性能和功能可以受益于功能优先的组件设计方法。   在2021年，半导体制造设备必须拥有尽可能高的生产率、可靠性和技术能力来减轻全球芯片短缺的问题。在没有重大改变时，人们不会尝试新的努力，当有了最后期限、压力或紧急情况--创新竞赛就开始了。当前，新型的AI创成设计软件和金属增材制造技术相结合，正在共同努力提升半导体设备的主要性能，解决半导体供应链挑战。图1是一个具有复杂冷却结构的金属AM晶圆台，它是提高半导体制造效率的关键。 图1 金属AM使生产具有复杂集成冷却结构的晶圆台成为可能，大大提高了半导体的制造效率（由3D Systems 公司提供）微芯片制造和供应链短缺 微芯片制造被认为是先进制造中最高水平的体现。这个行业是由追求更快、更高效的处理器和更高容量的内存芯片驱动的，针对先进工具系统和基础设施的大量投资追求超高水平的细节保真度、分辨率和精度。数十亿美元的生产线在10亿单位的生产运行中不断折旧以及大规模的持续优化需求，这些都是惊人的指标。当涉及到优化生产线上的硬件和工具时，工业增材制造解决方案的出现为处于解决问题第一线的工程师和设计师提供了一个重要的机会。 COVID-19大流行对供应链造成了冲击。这场大流行病的一个意外的副作用是全球半导体的短缺，扰乱了各种消费产品的生产（从汽车到电子产品都是如此）。2020年12月，大众汽车公司表示，半导体供应的短缺迫使公司将在2021年第一季度减少生产10万辆汽车，因为其零部件制造商无法保证供应。日产、雷诺、戴姆勒和通用汽车公司也在与供应短缺作斗争，这可能会导致每周的产量减少多达20%。 除此之外，由于大多数人远程工作和留在家里，对消费类电子产品的需求（如手提电脑和娱乐设备）飙升，这些设备的制造商正在争夺芯片。当前，由于汽车的设计中内置了越来越复杂的技术和计算，因此，微芯片的供应与汽车工业的发展密切相关。 如果需要更多的芯片，难道芯片制造商就不能增加产能吗？理论上说，这应该很容易，但生产事实证明，能力和技术是实现这些目标的障碍。半导体制造厂为了提高产量，需要安装新的生产线，这些生产线需要新的设备，设备制造商也会进行创新，以满足芯片制造厂不断增加的需求。然而，这些设备和工具复杂且昂贵，生产开发周期较长，在某些情况下，交货时间为6至9个月。因此，设备制造商很难仅仅依赖传统制造技术的生产线来满足预期外的需求增长。 增材制造的拯救 在硅片工装中，有许多复杂的问题相互作用，包括温度、惯性、湍流、振动、精度、磨损以及由污染零容忍政策驱动的超高水平的卫生标准。这些构成了重大的挑战，同时也提供了许多优化的机会，这就是增材制造的作用所在，AM可以使组件的性能和效率阶跃式提高。   遵循传统设计和制造规则的常规零件，其性能总是因设计和制造约束而进行一些妥协。通过使用增材制造技术，特别是遵循“面向增材制造的设计（DfAM）”和“针对功能的设计”的理念。处于解决问题第一线的公司能够以之前认为不可能的方式进行创新。AM在半导体设备制造商中的快速应用正在提高质量、生产和技术能力，并降低供应链风险。   在半导体行业有无数有趣的挑战 ，它们可以归结为功能优先设计的三个关键主题： • 歧管流量优化； • 减少零件数量和质量管理； • 热管理。   歧管流量优化 一般来说，制备像歧管这种复杂的部件比较困难且耗时，需要多种制造工艺相结合（从金属板折叠到液压成型和管路折弯），而且零件需要进一步装配。最终的结果永远不会接近完美的解决方案，因为大量的制造工艺过程和装配过程充满了潜在的故障点。当应用AM时，设计师可以呈现完美的管状系统，结合先进的计算流体动力学（CFD）来评估影响。在某些情况下，还可以自动创建方案，并允许整合复杂的挡板。   在最大限度地提高流动效率的同时，允许最小化湍流的策略。这种结构的好处是可以最大限度地减少与系统内湍流相关的振动和共振，如图2所示。   湍流和振动影响了输出的精度，在纳米尺度范围，这是很重要的。使用3D Systems的DMP 350平台，工程师们能够实现由液体引起的干扰减少90%，以减少系统振动，实现1-2纳米的精度提高。   图2 在3D Systems 的DMP 350平台上生产的增材制造液压歧管（由3D systems提供）   减少零件数量和质量管理 AM的另一个好处是它能够让设计者显著提高部件整合水平，这最终推动了减少部件数量的设计原则，从而将复杂的流形表示为不需要组装的整体组件。这种简化不仅可以缩短供应链的准备时间，还可以使设计过程变得更容易。 在一些案例中，我们看到几个月的交货时间变成了几个小时，这是因为消除了工具、装配和相关的检查工作。在一些复杂的系统中，通过部件的整合，零件数量减少到原来的1/50。图3显示了一个相关案例，该案例使用金属AM将高度复杂的光学组件制备为一个零件。  图3 在3D Systems的DMP 350平台上作为单一集成部件制备的增材制造光学组件（由VDL提供）   向下选择合金，使用更便宜的低密度材料，只是减轻重量的一个驱动力。DfAM经常通过更有效的设计来实现轻量化。在半导体行业中，轻量化组件有许多优点，包括： • 较低的热质量，导致更快的热响应； • 较低的惯性导致有机会实现更快和更高精度的输送，以及更精确的停止和启动，更精确的加速/减速曲线，同时减少机构的磨损； • 降低质量/惯性，结合DfAM的改进，提高了高速往复机构中子部件的刚度，减少了系统内的振动。 在硅片工装公司，工程师们能够实现50%的减重以减少惯性，能够实现23%的刚度提升以提高共振频率，减少系统振动，所有这些都相当于提高了生产效率。   热管理 我们看到AM展示的另一个能力是生产高效的晶圆台（如图4所示）。这些晶圆台在生产过程中用于支承和固定硅片。热变化会引起材料膨胀的微小变化。随着时间的推移，这些热梯度和波动会产生这样一种情况：由于晶圆表面的不断加工，其结构位置会发生改变（通常称为边缘放置误差，或EPE）。为了解决这个问题，工程师们正转向AM来设计、开发和制造下一代硅片工作台架构。 图4  使用3D Systems的DMP Factory 500生产的集成了先进冷却结构的硅晶圆台（剖面图）（3D Systems提供）   硅片工装企业能够实现热性能的六倍改善和稳定性的五倍改善。通过调节环内的热曲线可以看出ΔT从13.8 mK提高到2.3mK，热温度梯度从22mK降至3.7mK，在一个反应更灵敏的系统中，时间常数从7秒降低到1.5秒。  …

随着增材制造技术不断发展，越来越多的行业开始采用3D打印和创新材料来生产高精度、高质量的零部件，为工业生产提供了有力支持。这不仅帮助企业获得优化零部件的全新设计策略，还简化了生产流程，实现了成本效益和性能导向的平衡。 工装夹具和其他专用工具在制造和组装汽车、工业零部件以及其他产品时起着至关重要的作用。如今，无论是个人还是企业，都在寻求一种更简单、更快捷的方法来开发定制夹具，而3D打印技术已经成为扩展和改进制造流程的最可靠工艺。本期3D打印技术参考所要介绍的，便是3D打印对工装夹具制造所带来的的革命性改变！该技术的引入，深刻影响了一些企业甚至一个行业的制造流程。   新技术让传统CNC的劣势悉数显现  案例一：在2022年12月之前，山东某线束公司工装夹具制造主要使用CNC外发的方式来制作，然而，这种方式面临很多挑战：   1）外包成本：委托制造商进行CNC加工会带来额外的外包费用，包括人工成本和运输费用；还存有各种工装夹具的破损和缺失风险；   2）生产周期延长：由于委托外部制造商，生产周期往往较长，导致生产效率下降。当面对需要快速响应的客户需求，这些就成了CNC的瓶颈，这也可能延误交付计划。   3）灵活性受限：外包制造会限制对夹具设计的灵活性和迭代，难以快速响应设计变更或改进。   线束工厂购置的Raise3D E2打印机 案例二：在2012年之前，澳大利亚产品定制公司Skyzer主要使用夹具制造外包的方式来制作装配工具或零件，这种方式需要支付高额加工费。Skyzer每年要处理成千上万的设备，如果所有装配夹具都交给第三方来生产，费用将会非常高昂。据Skyzer公司CEO Troy Sneddon表示，“以前用第三方制作的方法，我们每次支出费用高达一万美元，对于大项目来说，这个费用还能接受，但对于较小的订单来说，这个制作成本就太高了。”   3D打印，改变了企业主的思考方式  来自山东的线束公司在2022年年底购置了2台Raise3D 的E2打印机，在Raise3D打印设备加入生产后，极大缓解了生产需求，他们无需完全依赖外包，实现自主生产，这颠覆了他们以往的思维模式和设计开发流程工艺。自公司购置第一台E2打印机以来，已经打印了2000多个工装夹具。 该企业的工程技术主管表示：使用Raise3D E2打印机，在保证零件性能和保持竞争优势的同时，单个零件和批量零件的生产成本都得到了极大的降低。我们估算过工装夹具传统CNC外发每小时工作价格在200元左右，目前使用3D打印，制件时间跟CNC类似，但制作成本只有CNC的十分之一。从劳动力方面来讲，E2在打印时无需人工在旁监督，从而大力减少了人工成本。”   使用Raise3D E2现场打印工装夹具 另外，Raise3D E2打印机可以加速原型设计和测试，原型制作交付周期缩短，流程得到了大幅简化，企业可以更快地进行测试和设计迭代。为扩大产能，该线束公司今年又加购了2台E2，目前有4台E2打印机投入到定制夹具及其他零件的生产中。   澳大利亚Skyzer公司在2012年就引进了3D打印技术，在积累了10年的3D打印经验后，今年，Skyzer添购了多台Raise3D Pro3打印机来扩大产能。据Skyzer预计，在引进使用Raise3D Pro3后，能够减少公司整体32%的生产成本。使用3D打印机制作夹具后，在组装产品时只需要一名工人，大幅减少生产所需劳动力。除了能降低成本，工人使用定制夹具组装产品时，还可以有效的避免损坏或刮坏产品。 打造高精度、小批量、柔性生产解决方案  E2和Pro3打印机是Raise3D推出的两款重量级的专业级FFF 3D打印机，具有满足多种应用需求的潜力。   来自山东的线束制造企业在进行设备选型时，看中了E2打印柔性材料的优势，且拥有IDEX独立双喷头，支持同时打印、双色打印，可支持快速小批量生产。该打印机的优势在于它的高打印精度和稳定的打印性能，可以准确打印出高质量模型，并且能保证打印件表面光滑细腻。 使用Raise3D E2现场打印电测台空板 使用Raise3D E2打印的电测台空板 使用Pro3打印的TwoGood免接触式洗手液机组装夹具 全新自主研发推出的双喷头3D打印机Pro3系列可满足生产以及多尺寸快速原型开发的需求，具有高精度、稳定运行等特点。Pro3系列加粗了Z轴光轴，强度增加75%，提升了设备的稳定性，可实现24小时不间断高效工作。Sneddon表示：“3D打印机的可靠性是指我们能放心让机器整晚不停歇的自主打印。” 作为一种基于3D打印的柔性生产模式，E2和Pro3还可以轻松实现传统工艺无法加工出的复杂结构，除此之外，还可以实施设计策略来优化部件本身，在不影响结构强度的前提下实现轻量化处理，进一步降低生产成本。   基于云的生态系统，助力3D打印高效管理  RaiseCloud是企业生产夹具时必不可少的管理工具。Raise3D的打印机在投入生产后一直处于全天候运转的状态，通过RaiseCloud可以同时绑定和监测多台Raise3D打印机，并支持在同一个界面上查看所有不同设备的状态，工程师可根据每台设备的打印进度进行排单。   RaiseCloud负责生产监控的工程师可以在任何地方、任何时候通过摄像头监测生产过程，一旦发现生产出现问题，也可以及时对打印进度进行调整。摄像头还配有延时摄影功能，当打印出现问题，还可以回顾打印过程的影像记录，进行问题排查，在后期打印中进行调整。在灵活使用RaiseCloud后，3D打印工作间更像是一个无人化的生产车间，助力工程师轻松快捷地进行夹具生产制作。 高成本效益，3D打印取代CNC成为可能 简单易用、精准稳定，Raise3D E2和Pro3适合不同生产线上进行配置，无论是汽车线束还是工控设备，它们都能帮助进行紧急快速工装的交付。Raise3D打印设备加入生产后，为企业提供了足够的支持，满足大多数的批量生产需求，他们的工程师可以根据生产进度灵活排期。   使用Raise3D E2打印的检测夹具 来自山东的企业工程技术主管表示，“3D打印机几乎实现24小时打印，为我们节省了巨大的生产成本和时间，是我们非常重要的生产工具。目前3D打印已经占生产总量的半数以上比例，然而，我们的未来目标是实现全部生产过程的3D打印，成为生产检具、夹具和其他固定装置的理想解决方案。”   Skyzer则在考虑引进Raise3D推出的金属3D打印机和更大尺寸的工业级3D打印机，以及更多种类的耗材。他们认为3D打印拥有巨大的潜力，能够让他们更好服务顾客。“我们预见，利用3D打印技术在公司内部进行产品设计和研发，将给我们带来更多机遇，进一步协助我们拓展客户解决方案。”Sneddon期待看见Raise3D未来在更多领域上的应用。 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.浙大团队利用Raise3D E2为吹塑工件设计低成本4D打印充气结构 2.Raise3D助力低成本小批量生产 3.成本与效率：颗粒3D打印 VS 玻璃钢制作 4.吕坚院士团队：4D增减材复合制造高精度、高度复杂结构陶瓷

当前，“批量生产”正在成为金属3D打印的一大重要特征，尤其在航空航天领域，越来越多的案例证明了粉末床激光熔融3D打印技术批量生产的可行性。工业级3D打印领航企业华曙高科针对批量化生产中效率低、成本高、产品一致性差等难题，不断推进降本、提质、增效的工艺研究，为工业零件批量化制造提供更多增材制造解决方案。 FS511M是华曙高科于2023年发布，针对批量化增材制造推出的四激光双向铺粉金属增材制造设备。FS511M配备自研全套操作系统，可实现产线布局，其成型缸尺寸为540×540×670mm（含成型基板厚度），XY轴成型尺寸为同类产品最高，标配4×500W激光，最大体积成形效率可达100cm³/h。 与行业同级别产品相比，FS511M具备华曙高科四大技术突破，保障用户实现批量规模化高效、稳定生产。 技术突破一：同级别国产唯一自动粉末循环增材系统 在金属3D打印过程中，粉末材料筛分、换粉、输送、粉末封装等环节如采用人工或半自动的方式，将耗费大量人力与时间。这些都是增材制造过程中不容易被看到的隐形成本，但在实际生产中却是影响打印效率、交付工期的重要因素。 华曙高科认为，这些隐形成本可以通过更加便捷、安全的全自动粉末循环方式而减少。 FS511M配备了华曙高科自主研发的自动粉末循环增材系统，集新粉输送、溢粉回收及溢粉筛分功能为一体，能实现惰性气体保护下100%全闭环粉末管理，清粉效率高，安全可靠。 技术突破二：创新风场设计，确保大幅面打印质量稳定 在金属3D打印过程中，激光与粉末相互作用过程中的工艺不稳定性导致了各种缺陷的产生。激光熔化金属粉末过程会产生大量熔渣和烟尘，对成形腔体内光学器件、腔体环境、成形面产生持续性的污染、严重影响光束质量与熔融成形质量，进而成为批量制造质量控制的一大难题。 FS511M具备高质量、稳定一致的批量生产能力。它拥有全新优化的风场设计，多层风场加风墙设计，保证风场从右往左均匀分布，全腔室吹风气流极大减少腔内紊流，提升大幅面多激光打印均匀性，实现高质量长时间打印。 技术突破三：自研精校准系统，实现高精度搭接 多激光3D打印系统是面向高效率、批量制造的解决方案之一，也是粉末床激光成型工艺发展的新趋势，它意味着可以给客户提供高效率、低成本的解决方案，也为3D打印技术在更多行业领域的应用打下坚实的基础。 为确保打印质量，实现高精度搭接，FS511M采用华曙高科自主研发优化搭接策略+精校准系统，全面攻克了多激光增材制造系统中存在的多个激光之间的激光一致性问题、扫描振镜搭接校准问题、搭接稳定性问题以及多激光扫描任务分配问题等诸多难题，使得打印质量及性能更加均匀，多激光搭接偏差≤土0.05mm。 技术突破四：三工位一键转移，方便快捷人机友好 在批量生产中，大尺寸成型缸的转运效率和安全性是一大挑战。得益于华曙高科雄厚的自主研发能力，FS511M配备华曙自主研发的缸体“建造”、“清粉”及“取件”独立三工位，并拥有“一键转移”功能，取件方便，减少人工操作，避免取件过程中的机械碰撞，保护客户资产。惰性气体全程保护，保障清粉安全。 与此同时，FS511M独创的U形梯道设计空间大、便捷性高，支持多人进行不同工作操作，让用户感受人机友好、操作轻松，提升工作效率。 增材制造市场始终保持着高速发展的态势，将为整个制造业带来极大的生产力提升。华曙高科秉承创新推动3D打印产业化的理念，将始终致力于为用户最大化提升产能规模，满足市场多样化需求。未来还将持续发布更多创新、产业化的增材制造解决方案。 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.提升超3倍！华曙高科大尺寸金属3D打印效率获重要突破 2.华曙高科增材制造研发制造总部项目正式启动 3.自支撑、尺寸更小、性能更强│3D打印颠覆性的卫星天线 4.行业论坛：粘结剂喷射金属3D打印基础技术、应用与市场现状，及未来发展

根据Wohlers Report 2021，铝合金构件占2020年3D金属打印总构件的11.6%，相比2017年快速增长了135%。倍丰科技针对这一快速发展的需求推出了适合3D打印专用的高强铝合金。  2017-2020年3D打印材料市场比重 倍丰科技创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士带领的研究团队成功开发出了牌号为GA570的高温高强的3D打印专用铝合金材料，立刻受到了包括美国通用，波音，雷神，赛峰等多家航空巨头的高度赞赏和重视。GA570材料强度达到目前可用于3D打印的铝合金材料中最高水平，抗拉强度稳定达到570MPa以上，延伸率稳定达到12%以上，制备的航空零部件通过了250℃高温下持续5000小时的稳定试验，相当于发动机常规服役25年的要求。   GA570热处理前后样棒室温力学性能 现有3D打印常用铝合金AlSi10Mg的屈服强度为260MPa，打印后的延伸率为4-6%，最高使用温度小于100℃，无论从性能上还是使用温度上，都无法满足航空航天铝合金产品的苛刻要求，而GA570的强度接近常用AlSi10Mg系铝合金材料强度的2倍。特别指出的是，GA570表现出了十分优异的高温使用寿命，对比目前适用于金属3D打印的Scalmalloy铝合金，其在250℃时的使用寿命仅为100小时，而GA570在同样温度下的使用寿命超过5000小时，极大提高了使用寿命。   性能指标 GA570 AlSi10Mg Scalmalloy 室温拉伸 屈服强度（MPa） 560 260 470 抗拉强度（MPa） 570 350 520 延伸率（%） 12 6 12 250℃拉伸 屈服强度（MPa） 180 不适用 120 抗拉强度（MPa） 250 不适用 150 延伸率（%） 9.5 不适用 9.8 250℃使用寿命（h） 25年 不适用 100 GA570力学性能与其它铝合金的对比 目前，GA570材料已连续打印各类产品两年多，产品得到了国内外航空航天和科研等领域客户的广泛应用和性能验证。两年多来，倍丰科技根据市场应用反馈，持续深入挖掘GA570GA570规模化应用潜力，优化升级材料成分，配套完善打印工艺和后处理工艺参数包（热处理工艺极为简便，比AlSi10Mg热处理工艺可减少75%以上的时间和能耗），并积极帮助客户完成高强铝合金航空航天等领域复杂构件研制工作。 GA570粉末和打印产品 GA570因其耐高温、高强度特点，当前其典型的应用案例为高效热交换器，一方面在相同的耐压条件下，可实现与常规AlSi10Mg合金相比更薄的壁厚，更轻的重量，并实现更好的换热效果；另一方面可取代原中温环境下使用的低传热系数材料钛合金和不锈钢，实现减重、高效传热双重提升。 GA570弥补了传统6系铝合金材料不能完全适用3D打印工艺缺点，同时解决了传统铝合金强度低、使用温度低等问题，是一种新型高强度铝合金材料，具有着广泛的应用前景。用该材料制作航空铝合金3D打印结构件，更有希望替代目前航空航天上的部分钛合金构件，达到航天航空领域降低重量与节约成本的目的。  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.工艺综述：近十种铝合金3D打印工艺汇总，阐述技术特点及应用方向 2.行业洞察：高强铝3D打印材料体系、市场化历程及其应用现状 3.盘点：2022年值得关注的3D打印新材料、新工艺和新应用突破 4.材料盘点：10款具有特殊性能的3D打印铝合金，6款来自国内

空间通信领域的竞争日益激烈，不断开发创新产品成为趋势。该领域应用的领先机构Thales Alenia Space总结了为设计、制造和测试与增材制造工艺兼容的紧凑轻型波纹喇叭而进行的工作。该研究以减小喇叭尺寸并保持传统波纹喇叭的主要性能为目的开展，设计了具有新轮廓的波纹喇叭，并采用铝合金3D打印一体成型。最终喇叭的长度减少了35%，相关测量指标测试符合要求，这种新产品对空间应用非常有吸引力。 喇叭天线在卫星通信过程中可以避免干扰其他通信系统，波纹状喇叭始终提供非常宽的频率带宽、低交叉极化水平、低旁瓣水平和低回波损耗，使其成为许多应用中非常有吸引力的解决方案。在过去几年中，优化仿真工具的使用已成为紧凑型波纹喇叭天线设计的一场革命。目前，由于优化工具的高度发展，波纹喇叭通常不再通过预先确定的轮廓来定义，并且通常将优化集中在每个波纹的内外半径作为设计过程中的变量。然而，波纹喇叭天线的整体尺寸正成为真正的关键问题。过去，波纹喇叭通常由锥形轮廓定义，当必须设计具有窄波束宽度的喇叭时，传统的锥形轮廓是巨大的，因为它们会导致窄的喇叭角和大的孔径，组件的尺寸会很大、质量重、制造困难且昂贵。 3D打印的铝合金天线喇叭概念模型 使波纹喇叭更紧凑的一种方法是使用混合波纹水平和垂直波纹。与典型的波纹喇叭相比，这种喇叭天线使性能显著改进，获得了相同的辐射性能。近年来，增材制造在太空应用中显著增长。喇叭天线通常是通过将高导电材料（例如铜）电镀到巨大的心轴上来制造的，之后必须用化学方法将其移除。对于波纹喇叭天线，很明显这些方法在技术上要求很高，且很耗时。增材制造通过逐层构建克服了这些问题，这使得创建复杂结构成为可能。Thales Alenia Space介绍了一种紧凑轻便的C波段波纹喇叭天线的新设计，其外形结合了与3D打印兼容的轴向和径向波纹。所创建的天线喇叭中包含了晶格结构，这种方案使喇叭在不使用支撑结构的情况下与增材制造兼容。45°波纹的倾斜对喇叭的射频性能和打印都有直接影响，因此有必要通过修改每个倾斜波纹的深度来重新优化其轮廓。先前在基于超表面的喇叭设计方面的方法开发有助于识别和改进喇叭的优化。   具有轴向和径向波纹的喇叭剖面示例 参考喇叭天线与紧凑型天线的比较   支持径向波纹的格子结构 喇叭天线是在3D Systems的DMP Factory 500上制造的，其成形尺寸为500 x 500 x 500 毫米。零件的材料选择了AlSi10Mg，以60μm的层厚打印，在不到72小时内完成。通过应用DfAM原则（增材制造设计）以及多公司之间的良好合作，零件的功能特性避免了对临时支撑结构的需要。这减少了后处理时间，从而减少了制造成本。RF法兰接口的表面质量对于高性能至关重要，该零件经过了CNC加工。3D打印紧凑型喇叭天线 多年来，Thales Alenia Space已经确定了增材制造解决方案在太空天线应用中的潜力。2022年，超过1500个3D打印组件已安装在Thales Alenia Space卫星上。天线产品的高度可定制性推动了非经常性设计成本，而生产量相对较低。增材制造使设计人员能够实现质量节省、紧凑性和技术性能增强。对于天线组件，质量节省通常会导致组装时间减少，其影响不可低估。虽然增材制造确实有设计限制，但它提供了一种灵活性，即形式服从功能，从而提高射频性能。 使用增材制造的主要优点是设计紧凑，非常适合于太空应用。与传统制造技术相比，其他优势包括质量节省和整体零件设计以及缩短的交货时间。演示器的复杂设计给传统技术带来了很多制造风险，而DfAM方法大大降低了制造风险。在生产成本方面，增材制造解决方案与机加工解决方案不相上下。但随着3D打印技术的发展，生产率和生产成本都在得到改善。 总的来说，本文介绍了一种通过增材制造制造的紧凑型C波段波纹喇叭的颠覆性设计。轴向和径向波纹的特殊性允许显著减少喇叭长度，同时保持与传统喇叭相同的射频性能。这种设计为卫星通信带来了多种优势，减少体积和质量以及节省成本和制造进度。该设计也是可3D打印的，可实现生产形式的多样化。 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： 1.380万欧元！空客大手笔签订3D打印零件制造合同 2.超高温SLS｜聚合物粉床3D打印技术的重要发展，以史玉升教授团队技术为例 3.NASA投入新资金启动25项太空探索3D打印项目 4.62页成果下载：ASTM发布由NASA支持的增材制造现场监控技术战略指南

增材制造生产的聚合物零件根据尺寸可分为：小型增材制造（零件体积小于1m3）、大幅面增材制造（零件体积大于1m3）。聚合物大幅面增材制造（LFAM）是一个具有巨大增长潜力的研究领域，其当前的主要进展是能够以更快、更便宜和可靠的方式生产大尺寸部件。根据市场研究分析，在综合了打印能力和制造成本后，涉及聚合物材料的所有增材制造系列（表1）的结果表明，目前最适合生产大幅面聚合物零件的增材制造工艺为熔融挤出（原材料可以是长丝或颗粒）。 表1 AM系列大幅面聚合物商业打印机的特点 2023年1月，葡萄牙的里斯本大学（ULisboa）的Carlos M. S. Vicente研究团队在《Progress in Additive Maufacturing》杂志上发表题为“Large-format additive manufacturing of polymer extrusion-based deposition systems: review and applications“的综述，该综述对聚合物的大幅面增材制造 (LFAM) 工艺进行了回顾，随后进行了大幅面聚合物商业打印机的市场研究，对当前LFAM系统配置及其控制方面进行了概述，描述了与增材制造聚合物大型零件制造相关的设计和建模方法，以及目前正在应用和开发的材料。最后，总结了LFAM在交通、学术、建筑和能源领域的应用。 大幅面聚合物商业3D打印机 熔丝挤出成型（FFF）或颗粒挤出成型（FGF）已成为业内最广泛使用的增材制造工艺之一。常用的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)、聚碳酸酯 (PC) 或聚乳酸 (PLA) 等聚合物，但是该聚合物机械性能有些限制，为了提高FFF或FGF零件的机械性能（强度、刚度和蠕变），聚苯砜 (PPSU)、聚醚酰亚胺 (PEI) 和聚醚醚酮 (PEEK) 等工程塑料正在不断开发。目前市场上主要的是小型或功能型熔融挤出设备，大幅面熔融挤出增材制造设备市场还有待开发（表3为商业LFAM打印机）。下表为小幅面和大幅面熔融挤出增材制造主要过程特征。 表2 小幅面和大幅面熔融挤出增材制造主要过程特征表   3D打印系统配置 较大零件的制造无疑意味着系统配置类型及其自动化和控制机制的复杂性增加，为了解决这个问题，提出了多种解决方案，如结合机械臂打印、原材料用颗粒代替长丝、在同一打印头上配备多个喷嘴、携带多个打印头的机器人协同工作、模块化协同制造等方法提高打印速度、精度（图1）。   图1 LFAM打印机的系统配置 各领域应用  大幅面增材制造技术在航空航天、汽车、建筑、模具、能源应用等经典工业领域及定制化、小批量制造领域（如消费品、医疗保健等）具有广泛应用。 大幅面增材制造技术在各领域的应用（2020）  其中航空航天一直是引领增材制造市场的主要行业之一，该行业具有特定的制造要求（设计复杂、轻量化、需具有阻燃性），LFAM技术在该领域的应用包括飞机内饰和机舱部件、制造空气动力学模型、飞机概念模型验证、模具及夹具、无人机及火箭上的部分零部件。2019 年，Diel Aviation 宣布交付其最大的全 3D 打印部件——Curtain Comfort Header，该部件安装在 A350 XWB 飞机上。阿提哈德航空采用 LFAM 方法首次对空客 A320 侧壁进行全尺寸打印，其中包含打印导电轨道、天线和装饰部件。 汽车行业是增材制造技术的主要用户，该行业的竞争力主要取决于设计能力及更清洁、更轻、更安全的产品，主要应用包括汽车部件、汽车原型及汽车模具及相关工具。2013年，第一辆“3D打印汽车”Urbee诞生，该汽车的车身、保险杠、仪表盘等零件都是3D打印工艺制造。   图2 LFAM在交通运输领域的应用 LFAM在建筑和建造中的主要应用包括建筑模型、房屋、窗户、家具和装饰物品以及用于场外施工的模具。增材制造综合能源(AMIE)示范项目中使用LFAM制造房屋（图3a）大约 80% 的房屋（包括各个部分）是使用 ABS/CF进行3D打印的，沉积速率为45公斤/小时，该房屋面积为19.5平方米，其建造目的是建造一座节能建筑，减少材料浪费，作为增材制造在建筑行业能力的典范。另外，中国公司青岛独特产品开发有限公司开发了一台大型3D打印机（12×12×12 m），可以用GF增强石墨烯打印整个房屋。   图 3 LFAM 在建筑施工领域的应用  LFAM在能源领域的主要应用之一是风力涡轮机，例如风力涡轮机原型、风力涡轮机叶片、分流器以及机舱盖的开发。2014 年，Abdelrahman…

液态金属打印是一种新型但有前途的增材制造技术。该工艺的特点是，材料以线材形式送入，并在微铸造工艺中逐滴施加。 液态金属打印工艺属于金属基增材制造工艺，其中通过重复应用材料逐层构建组件。与大多数基于焊接的工艺相比，液态金属打印不需要高能量光源来熔化材料，因为材料是被熔化并逐滴施加的。这些组件是通过在构造方向上应用材料并结合高精度工作台来构建的。   液态金属打印功能原理示意图（来自弗劳恩霍夫 IGCV）  利用液态金属3D打印技术，可以实现液滴直径在500-750微米之间的近净形状生产，施用量高达400立方厘米/小时。该工艺的主要优点可概括如下： 生产时间短，订单率高； 生产过程中热负荷低； 与粉末和激光工艺相比，原材料成本更低（基于线材）。 采用液态金属3D打印技术加工铝合金，可以为航空航天、交通、能源等行业释放新的潜力。2022年，3D打印技术参考注意到，美国海军将基于液态金属3D打印的增材制造设备安装在了战舰上。 在一个名为“AluWireLMP”的项目中，Frauhofer IGCV（弗劳恩霍夫浇铸、复合材料和加工技术研究所）与项目合作伙伴 GROB-Werke GmbH & Co. KG（明德尔海姆）和 Gutmann Aluminium Draht GmbH（魏森堡）一起，致力于建立和鉴定新型工业相关的铝合金打印技术。为此，Frauhofer IGCV配备了格劳博GMP3000，作为首个用于液态金属3D打印的系统。 重点是通过确定和评估断裂伸长率、屈服点或拉伸强度以及密度和尺寸精度等部件特性来系统优化含镁铝合金的工艺参数和工艺资格。 液态金属打印的AlSi12测试样本，液滴产生和环境条件发生变化 该项目的目标是使用液态金属3D打印技术优化加工AlSi10Mg。为了接近和探索可加工的材料范围，当前研究的重点是AlSi12合金。研究人员将使用测试样本检查液滴驱动和环境条件对部件和工艺性能的影响。 面向应用的组件，由AlSi12打印，具有经过再加工的功能表面 目前，使用液态金属打印技术，可以制造密度超过98%的AlSi12组件。基于数字化建造模型，在没有支撑结构的情况下，在大约120分钟内制作出了面向应用的演示组件。 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.上舰 | 美国海军部署第一台金属增材制造装备——液态金属3D打印机 2.工艺综述：近十种铝合金3D打印工艺汇总，阐述技术特点及应用方向 3.上海交大采用国产装备开展铝合金蓝色激光定向能量沉积研究 4.科技讲台 | 纳米陶瓷铝合金的进一步研究，将带来轻量化材料的新一轮变革