2022年11月，粘结剂喷射3D打印技术的领导者Desktop Metal宣布获得德国一家主要汽车制造商价值900万美元的粘结剂喷射3D打印系统订单，用于动力总成部件的大批量生产。 Desktop Metal表示已为多个全球汽车品牌提供服务——包括特斯拉、宝马、雷诺、大陆和福特——其中许多品牌使用该公司的技术来3D打印最终用途汽车部件。3D打印技术参考查阅了大量资料，发现已有多家知名品牌汽车制造商正在挖掘粘结剂喷射，尤其是用于金属3D打印的应用潜力。 01客户或是宝马同一客户总订单达1690万美元 2021年12月，Desktop Metal宣布获得了德国汽车制造商790万美元的同类订单。尤其值得注意的是，两份合同是同一个买家，订单总价达到了1690万美元（1.2亿人民币）。 这意味着，该汽车制造商对粘结剂喷射技术极为认可，为其带来了显著的成本效益，因此追加投资。考虑到宝马是Desktop Metal通过BMW iVentures的首批投资者之一，大众汽车正在积极与惠普合作，而戴姆勒奔驰已经与EOS合作多年，广泛猜测这家德国企业是宝马汽车。而且3D打印技术参考还在宝马发布的增材制造产业园宣传片中看到了Exone的Innovent X金属打印机，进一步印证了这种可能。这两笔订单也使Desktop Metal成为促使粘结剂喷射技术落地应用、尤其是汽车领域应用的主要推动者。 宝马增材制造产业园中的Exone金属打印机 然而需要指出的是，随着对Exone的收购，Desktop Metal已将前者的砂型粘结剂喷射3D打印技术纳入旗下，后者也并未明确指出两份订单所涉及的系统类型。但新闻稿中一句“to support digitally casted powertrain components for a popular car line”，对于数字铸造的描述似乎有一定的倾向性。而两笔订单所也均提到将用于制造汽车动力总成部件制造。 采用粘结剂喷射金属3D打印技术和SLM技术制造的宝马水泵轮 Desktop Metal目前确实拥有众多类型的3D打印工艺，如砂型、树脂、陶瓷、纤维等，其所提到的众多汽车用户采用的哪种技术无法产生明确的认知。3D打印技术参考进行了包括学术论文在内的广泛查询，发现对该技术的报道或应用公开仍然极少，但本文仍聚焦于金属粘结剂喷射在汽车领域的应用。 02大众汽车将粘结剂喷射金属3D打印用于生产2021年，德国大众汽车透露，未来几年将加速使用粘结剂喷射3D打印工艺进行汽车生产，并将在公司位于德国沃尔夫斯堡的主要工厂进行相关部署。为实现这一创新进步，大众汽车在过去几年中投资了数百万欧元。 采用HP设备制造的大众汽车档杆 此外，该公司还与西门子建立了软件合作伙伴关系，并扩大了与惠普的合作。惠普提供所需的粘结剂喷射金属3D打印机，西门子提供增材制造专用软件。西门子和大众联合开展的一项关键研究是优化构建室中组件的摆放，可以在每次打印过程中生产的零件数量提高了两倍。他们希望通过积累经验，发现哪些组件可以在未来经济快速的生产，或者增材制造如何支持大众汽车实现生产数字化转型。 采用HP设备制造的T-Roc敞篷车A柱组件 大众汽车沃尔夫斯堡工厂的目标是到2025年每年通过3D打印生产多达10万个组件。使用粘结剂喷射工艺制造的第一批组件——用于T-Roc敞篷车A柱组件，已进行认证。这些部件的重量比由钢板制成的传统部件轻了近50%，仅仅是这种质量上的减少就已经使制造商对这种工艺特别感兴趣。到目前为止，大批量生产的成本效益还不够。然而，新技术和相互间的协作已经体现出生产线在经济上的可行性。 03福特汽车布局粘结剂喷射金属3D打印技术 福特汽车对于3D打印技术的最新进展实际上更新非常缓慢。2018年3月，福特领投Desktop Metal 6500万美元，该公司高级工程副总裁兼首席技术官Ken Washington博士在当时被任命为Desktop Metal董事会成员。当年年底，投资4500万美元开设先进制造中心，配备了大量、多种类型的3D打印机。 2020年，福特购买Desktop Metal的P-1粘结剂喷射金属3D打印机。这台设备的打印尺寸只有200 x 100 x 40mm，正如福特汽车研究与技术总监所提到的，购买它的原因更多是为了尝试这项技术，为未来采用其进行生产做准备。 Desktop Metal P-1粘结剂喷射金属3D打印机  2021年，福特与当时尚在的Exone公司宣布突破6061铝合金粘结剂喷射金属3D打印成形。在由福特和ExOne共同创立的项目中，由工程师、材料科学家和制造专家组成的团队共同开发了这种用于铝材的快速可靠粘结剂喷射3D打印和烧结的工艺，可提供与压铸可比的性能，烧结件的密度可达到99％。福特公司增材制造技术负责人表示，“这是汽车工业生产3D打印和烧结零件的一个突破。虽然3D打印工艺与冲压车身面板有很大不同，但我们现在更加了解铝合金的性能，以及铝在轻量化车辆中的价值。高速铝合金3D打印为我们刚刚开始关注的其他应用铺平了道路，因为它能够用铝制作以前不可能的复杂零件。”  福特和ExOne共同开发了铝合金粘结剂喷射3D打印和烧结工艺 福特与ExOne的联合开发项目于2019年就已启动，福特领导了最终的材料和可重复性测试，以验证其准确性。而通过福特对当时两家粘结剂喷射金属3D打印领导者的投资或合作，可以看出这家汽车公司正在积极布局这项技术。相信不久之后，会有比较突出的应用。 04通用汽车应用粘结剂喷射金属3D打印技术 3D打印服务商Azoth于2021年7月发布消息称，其正在采用Digital Metal的粘结剂喷射金属3D打印机为通用汽车旗下2022新款凯迪拉克V系列BLACKWING车型制造手动换档旋钮，这是车辆上的几个3D打印部件之一。这个零件具有装饰性，但它具有只能通过3D打印制作的几何形状，背面设计用于散热，正面具有无法加工的底切。该零件之所以引人注目，是因为它通过了3级生产零件批准程序。 粘结剂喷射金属3D打印技术制造的手动换档旋钮 Azoth的联合创始人兼总经理认为粘结剂喷射将是一项非常具有颠覆性的技术，能够达到汽车生产所需的速度和质量水平，制造商正在努力提高零件产量。在通用汽车上使用该技术，证明了粘结剂喷射金属3D打印具有成本效益。  05展望未来优势与不足 粘结剂喷射金属3D打印能够以高速、低成本、无模制造实现中小批量生产，同时采用大型设备则可以过渡到大规模生产。相对于粉末床激光熔融金属3D打印，其成本更低、吞吐量更高；相对于传统的注射成形，其无需模具。在当零件制造数量处于某一个区间时，粘结剂喷射金属3D打印是具有成本效益的选择。 然而该技术也有缺点。正如3D打印服务商Azoth所提到的，粉末清理为该工艺的实施带来了很大不便，该环节占用了很大的劳动力成本，特别是在复杂零件或有很多内部特征结构时。在该处理过程中，操作人员需要用小刷子或压缩空气进行清理粉末。但此阶段的零件非常脆弱，非常容易损坏。 烧结也是该工艺面临的巨大挑战。一是成本，一台烧结炉的费用可能比一台小型打印机的成本要高的多，这是许多研究人员和设计公司难以接受的。寻求外部服务商是解决问题的方式之一，但需要注意的是，脆弱的零件质量在寻求外部服务时也存在不确定性。二是变形，基于烧结的间接3D打印均面临零件变形的问题，主流的设备商当前通过仿真和零件预变形的来克服，但在实际的生产中可能需要尝试多次以确定形状。 福特汽车公司增材制造技术负责人表示，对于大多数增材制造技术，瓶颈是机器，但对于粘结剂喷射工艺不是这种情况，后处理是其最大的限制因素。尽管如此，它仍然是一项重要的技术。它可以扩展到生产量，过程本身非常灵活，而且零件质量很好。 展望未来，这项技术号称能够实现金属3D打印低成本、批量化生产且拥有高于其他3D打印技术数十倍工作效率的工艺，有望成为取代传统制造方法的领先金属3D打印零件工艺。虽然该工艺目前还不是主导技术，但它是增长最快的技术之一。 注：本文内容由3D打印技术参考创作。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.弥补短板，MIM制造商将粘结剂喷射金属3D打印技术纳入生产体系 2.占地27亩！汉邦科技金属3D打印装备研制基地一期项目开工建设 3.迈向国际，中国工业级3D打印品牌深入欧美增材强国腹地 4.三种金属3D打印技术分别适合怎样的汽车行业应用

基于从提高零件制造质量到支持更大几何复杂度的考虑，人们对多轴增材制造的兴趣显著增长。最为知名的是由Relativity Space开发的世界最大金属3D打印机，它基于定向能量沉积技术，拥有三只庞大的机械臂，一只用来熔化金属丝进行增材制造，另两只则用以进行减材加工。其典型的成就就是通过这台打印机来制造整枚火箭。 3D打印技术参考还于视频号推送了美国橡树岭国家实验室的3机器人定向能量沉积大型金属3D打印机，依赖于多机器人和旋转台协同，同时打印，极大提高了大型金属零件的生产速度。该实验室表示，将使用更多机械臂（如多达6个）来进一步提高零件的沉积效率。 橡树岭国家实验室的3机器人定向能量沉积大型金属3D打印机  这一突破随之而来，笔者注意到橡树岭国家实验室制造科学部的研究团队最新公布了一种使用8轴工业机器人的5轴增材制造工艺，并通过构建板旋转实现零件成形的方法。在研究中，采用激光定向能量沉积打印了四个验证零件，高度超过500毫米、重44公斤、无支撑悬垂达45°的演示零件，从不同的角度证明该技术的制造潜力。 需要验证的零件结构 橡树岭国家实验室的团队开发了一种切片技术、过程控制方法和多轴系统，支持使用激光热线能量沉积工艺打印中等复杂度的大型Ti-6Al-4V结构。系统的主要组件包括带有两个10kW光纤传输二极管激光器的透射光学器件，其输出经过光学组合，总功率为20kW、丝材预热系统、送丝机、环境控制系统、运动控制系统。运动控制系统由安装有打印头的KUKA KR-90 6轴工业机器人和提供构建板倾斜和旋转的KUKA DKP-400 2DOF定位器组成。所有部件均使用Ti-6Al-4V线材作为原料进行打印，并在完全惰性环境以最大限度地降低打印部件上的氧化水平。 研究中所采用的工艺控制方法包括熔池尺寸控制和层厚控制。在熔池尺寸控制方面，采用了实时监控策略，使用轴内NIR相机监测熔池，该相机通过激光光学系统的二向色镜接收来自熔池的发射。对图像进行处理可产生由等温线定义的熔池大小信号。实时调控激光功率可以以控制熔池大小，事实证明，实时控制熔池尺寸对金属能量沉积有多种好处，包括实现高度的净形几何控制，并且这对于悬垂几结构的打印也具有重要意义。使用基于传感器的测量方法和前馈控制技术进行层厚控制。该方法包括对打印几何结构的层间扫描、层高度图的生成以及当打印头在高度图中移动时对后续层上的送丝速率进行调制，纠正与层标称预期高度的高度偏差。 验证零件实物 最终，研究团队完成了所有测试几何结构的打印，其中悬垂测试打印了两次，一次没有构建板倾斜，一次有构建板倾斜，通过构建板旋转打印的零件被认为非常成功。未使用构建板旋转打印的悬垂结构的主要失效模式是工艺和几何稳定性遭到破坏，在凝固之前熔池从零件边缘发生了滴落，飞溅量的增加也很明显，几种不稳定因素联合出现可能导致熔融金属从沉积点喷出。此外，5轴零件的的关注项目之一是机器人在执行5轴运动时的轨迹规划和速度控制；多层多道结构的打印代表了为具有复杂性和内部特征的各种应用部件可能需要的策略。 在打印过程中旋转台未倾斜导致打印失败 大规模（或大尺寸）金属增材制造正在成为工具和最终用途零件的主流生产技术，特别是在用于生产传统长周期产品如模具或作为机加工零件预成型件的铸件或锻件替代方法方面。在航空航天工业中，金属增材制造正被用于生产更高效的零件预制件并减少废料，特别是对于Ti-6Al-4V等高价值材料。在国内，最为知名的是王华明院士团队采用该工艺制造的大尺寸飞机机身整体加强框。 根据所选工艺，金属增材制造还可以提供更大的几何复杂性并实现小批量生产。虽然激光粉末床熔融或粘结剂喷射等金属增材制造工艺支持更高的零件复杂性，但定向能量沉积是一类具有高速率、大尺寸金属结构构建能力、足够分辨率和几何复杂性的技术，其用途广泛。 王华明院士团队采用该工艺制造的大尺寸飞机机身整体加强框（来自CCTV4） 定向能量沉积根据原料分为两类，即送丝工艺与送粉工艺，前者可以通过热源进一步细分为单激光、激光热丝、电弧和电子束工艺。橡树岭国家实验室的研究团队指出，与电弧增材制造 (WAAM) 相比，作为激光能量沉积具有显著优势，包括将原料输送和热源控制，实现高度的几何和热过程控制。此外，激光沉积过程具有较低的烟雾和飞溅，金属预制件也会具有更出色的表面质量，这为打印后处理阶段所需要考虑的工具磨损、成本等带来了优势。 为了实现更大更灵活的工作空间，激光送丝能量沉积经常部署在6轴工业机器人上，并且该领域对开发新的机器人系统实现构建体积大小、吞吐量和几何复杂度的组合方面产生了浓厚的兴趣。新兴方法包括使用外部运动轴、多个机器人串联工作、机器人和龙门系统的组合以扩展构建范围，以及使用移动机器人。 除了机器人系统本身之外，还必须发展必要的3D打印切片和工艺规划技术，支持系统和零件的复杂性，这是一个多智能体系统和先进切片方法的协调的领域。 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; 硕博千人交流群：248112776；网址：  延伸阅读： 1.激光+电弧混合增材制造新工艺 | 哈工大团队取得重要研究进展 2.弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术 3.波音扩大电弧增材制造工艺测试，将3D打印大型铝合金构件 4.电弧增材如何实现基于三维数据的离散堆积或层叠3D打印？

增材制造技术越来越多的应用于航空航天、医疗保健、汽车和能源领域。尽管具有良好的设计灵活性、较短的交货时间和较高的材料利用率，但铁路行业对增材制造的应用与航空航天和汽车行业相比仍有一段差距。此外，各种增材制造组件在维护、优化设计和生产中的作用尚不完全清楚。 近日，3D打印技术参考注意到，西南交大联合华中科技、中车工业研究院、中车青岛四方机车、北理工以及曼彻斯特大学发表了联合综述，总结了当前铁路行业利用增材制造技术的优势和挑战，对增材制造部件的疲劳评估进行了强调，详细讨论了应对挑战的潜在设计方法，包括公认的结构完整性和未来前景。研究结果不仅有利于铁路工程增材制造技术应用的发展，也有利于实现金属部件的轻量化设计，改进性能评估和安全检查策略。   (a) 火车转向架中使用的候选部件；(b) 防侧倾系统支撑的拓扑优化流程图  一. 增材制造对铁路行业带来改变 与传统制造技术相比，增材制造将3D制造转变为简单的自下而上的2D层沉积，从而大大降低了设计和制造的复杂性。可以快速生产出几乎任何形状的零件，这是增材制造的核心优势。 （1）设计自由度高  由于3D零件是逐层构建的，因此在设计零件时，不再需要考虑传统的设计规范，例如底切、工具进入和拔模角度。这为设计师提供了前所未有的设计自由度，可以轻松创建非常复杂的几何零件。结合拓扑优化和其他设计工具，增材制造可用于生产性能优异的轻量化零件。它还提供了整个部件的微观结构和成分变化的可能性，以局部定制属性。  （2）缩短交货期 作为一种数字制造技术，增材制造过程依赖于使用数字工作流程，无需工具（如模具）来构建零件。以前，获得原型可能需要几天或几周的时间，而增材制造将其缩短到几个小时。增材制造支持的一步制造减少了其他工艺的使用，如机加工和焊接。尽管有些零件需要更长的后处理时间，但与传统制造工艺相比，增材制造小批量生产最终用途零件的能力仍然可以节省大量时间，并能够按需制造，从而避免可能会损坏的产品的可能性和最终变得过时/过剩。 （3）材料浪费减少 提高原材料和最终组件之间的重量比对于减少制造的经济影响至关重要。对于通过CNC铣削等减材制造制造的物体，在极端情况下，不到5%的原始材料可能构成成品部件，从而产生高达95%的废物。增材制造工艺通常会产生更少的浪费，因为材料只在必要时熔化，而且大多数原材料都可以回收利用。在激光熔化过程中，该过程生产出接近最终形状的零件，导致废品率约为5%。需要注意的是，增材制造原料可能无法完全回收，支撑材料和后处理加工也会产生废料 （4）原型制造风险降低 原型制作成本是设计师最关心的问题。即使是制造过程中的微小变化也可能对时间和成本造成巨大影响。在生产昂贵的组件（例如模具或工具和夹具）之前，通过增材制造制作的原型验证设计可以消除原型制作过程中的重大风险。 （5）小批量生产更具成本效益 如果需要数以千计的重复零件，设计模具可能是最经济的方式。但是，如果只需要少数相同的零件或过时的备件（不再制造的旧零件或制造商不再营业），增材制造可能是最经济、最快速的生产方法。增材制造不需要工具，使其成为小批量生产的最合适选择。增材制造不仅适用于需要一次性生产的定制零件，也适用于按需制造零件。它允许企业根据需要生产备件，从而减少对仓库空间和成堆备件的需求。 二. 增材制造技术在铁路行业的应用 经过30多年发展，增材制造技术已广泛应用于许多领域，然而应用于铁路行业却是在最近十年才发生，许多铁路公司和研究人员已经开始考虑在本行业中使用该技术。相关应用涉及使用激光熔覆修复表面损坏、制造不再生产的零件、打印复杂零件以及开发超高强度材料等等。  （1）损坏零件修复在铁路车桥装配、卸车、运行维护过程中，车桥的轮座、齿轮座、轴身等部位会受到划伤、凹痕、微动磨损等，激光熔覆广泛用于局部损坏部件的快速修复和再制造。 铁路车轴的激光熔覆  激光熔覆铁路轴材料   2010年，澳大利亚Hardchrome Engineering Pty Ltd首次提出利用激光熔覆技术对铁路车轴进行试修；2013年，皇家墨尔本理工大学针对轴面损伤开展了基于激光熔覆修复轴颈位置的研究；2017年，焊接研究所 (TWI) 检测了大型金属部件的激光熔覆工艺，该项目证明了激光涂层对铁路车轴的适用性；中国中车、西南交通大学等国内机构也探索了激光熔覆用于铁路车轴修复的研究，相关研究旨在为电动多单元车桥的再制造选择最佳工艺参数，以满足车桥的机械性能要求和轮对压装条件。除了铁路车轴，激光熔覆还被用于修复铁路车轮踏面、辐条板、齿轮箱等，并取得了一些成功。  （2）更换常规零件在许多情况下，铁路公司所需备件的生产可能已经停止。此外，还必须考虑列车每天停运所产生的成本。为了解决这些问题，增材制造成为及时且低成本生产过时备件的一种选择。德国国家铁路德国铁路DB公司在2015年就将增材制造技术应用于铁路设备的运维，其为每个维护车间配备了至少一到两名增材制造专家，确定哪些部件可以有效打印；瑞典SJ AB列车运营公司也部署了该技术用来生产过时零件。  (a) 使用 WAAM 技术打印二次挡辊的过程；(b) WAAM 打印的近净形轮对轴承盖；(c) 打印的 转向架连接器使用增材制造技术快速生产模具也是铁路行业的重要应用，采用砂模打印无需其他工具即可快速生产原型和所需要的零件。除此之外，该技术的定制制造特点还可以减少对外包工具的以来，西门子移动在其 RRX铁路服务中心采用增材制造来生产工具。 （3）优化设计 近年来，增加有效载荷和降低维护成本一直是铁路行业提高效率的最大问题。有效载荷的效率可以通过有效载荷比来量化，铁路部件的重量优化设计是提高有效载荷比的一种方法。   (a) 二级垂直阻尼器座(b) 抗蛇形阻尼器座 (c) 横向止动器的拓扑优化流程图  基于增材制造复杂晶格结构零件设计流程图  虽然增材制造技术可以提供更多的设计自由度，但传统零件（设计用于铸造或其他CNC加工技术的零件）无法充分利用该工艺。在增材制造可行性研究中，克诺尔制造了一种用于铁路打磨系统的创新控制面板功能载体，该面板比传统的铝面板轻90%，允许更紧凑的组件排列方式。在低地板车辆和未来可能的铁路应用中，这是一个极具吸引力的解决方案。越来越多的案例证明，增材制造与结构优化相结合，包括集成设计、拓扑优化和点阵结构，可以在结构轻量化、装配集成等方面取得突破。 注：下篇将介绍增材制造技术在铁路行业应用的挑战与策略、铁路行业增材制造路线图。参考：Structural integrity issues of additively manufactured railway components: Progress and challenges 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请联系授权，侵权转载会违规。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.北理工院士团队：采用国产多激光金属3D打印装备制备出高铁刹车盘 2.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M 3.金属3D打印专家铂力特与西门子签署战略合作协议 4.占地27亩！汉邦科技金属3D打印装备研制基地一期项目开工建设

导读：去年，弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。3D打印技术参考注意到，哈工大团队采用同样的工艺取得了研究进展。 线材和电弧增材制造 (WAAM) 是一种基于线材的增材制造方法，使用电弧（如惰性气体保护焊、钨极惰性气体保护焊和等离子弧焊）作为热源。近年来，随着技术成熟度的提高和产业发展的需求，电弧增材制造以其对设备要求低、运行成本低、沉积速率高（可达9kg/h）和相当的机械性能等综合优势越来越受到关注。 在焊接领域，激光的引入对稳定电弧行为和提高工艺稳定性的有益作用已得到广泛认可。去年，弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。近日，笔者注意到哈工大陈彦宾教授课题组开发了一种基于线材的激光-电弧混合增材制造 (LHAM) 工艺，并将其用于制造Al-Mg-Sc合金薄壁。   激光辅助电弧增材制造 需要注意的是，当前铝合金电弧增材制造正在加速得到应用。含钪元素的铝合金（Al-Sc合金）因其在强度、焊接性和耐蚀性方面优于传统铝合金而备受关注。由于Al3Sc颗粒和基体之间的晶格失配差异很小，因此在铝合金中添加少量Sc可以显著细化组织，从而提高力学性能。然而，由于Sc的价格昂贵，Al-Sc合金的应用在过去一直受到限制。对于传统的减材制造（如车削、钻孔、镗削、铣削、铰削），大量材料在加工过程中被丢弃，这对于昂贵的Al-Sc合金来说是无法接受的。3D打印为制造该合金提供了一种有效的解决方式，不仅可以节省材料，避免浪费，还可以制造更为复杂的结构。而采用电弧增材制造，则为大型铝合金的制造带来了可能。 Al-Mg-Sc 合金的 LHAM 实验装置 对于铝合金的激光-电弧复合焊，电弧形成的熔池降低了铝合金对激光的反射率，激光诱导等离子体具有压缩、引导和钉扎电弧的作用。激光和电弧这两种不同性质的热源的协同作用，可以使焊接过程更加稳定，优化焊缝形貌。据此，一些学者探讨了激光-电弧混合增材制造提高铝合金表面质量的可行性。同时，激光的加入可以促进熔池的流动，有利于细化晶粒和强化性能。因此，LHAM将是制造铝合金薄壁的一种有前途的方法，特别是对于昂贵的Al-Sc合金，这需要可接受的材料利用率以及可观的沉积速率。 沉积薄壁的表面形貌（最左侧采用了混合热源） 具有不同化学成分的各种铝合金，包括包括Al-Cu、Al–Mg和Al–Si合金都能够通过电弧增材制造技术制备，基于冷金属转移，该工艺具有热输入低、材料飞溅少、可操作性好等技术优势。而铝的电弧增材制造由于高热量输入容易导致出现粗大晶粒，机械性能低于预期。此外由于阶梯效应，元件表面会出现波动，当施加低电流时，这种现象通常会变得更加明显。为提高表面质量并改变微观结构和机械性能，通常会采用控制热输入和层间温度以及额外的铣削等方法来实现。然而它们的作用是有限的。因此，需要一种更稳定的高沉积速率线材增材制造工艺来构建结构合理、性能优越的铝合金薄壁部件。 研究人员系统研究了激光+电弧混合工艺制造Al-Mg-Sc合金的宏观形态、微观结构特征和机械性能。由于激光对电弧行为的稳定作用，沉积零件的的表面质量得到显著改善。在相同的热输入条件下，混合热源制备的沉积物显示出细化和均匀的微观结构。显微硬度结果表明，由于微观结构均匀且镁的烧损较少，混合热源制备的样品具有更高且更稳定的显微硬度分布，同时所制备的零件的各向异性更小。 沉积薄壁的横截面形态（最左侧采用了混合热源） 每层沉积物的宽度，混合热源熔池最为均匀 不同工艺沉积零件的拉伸特性 总的来说，本研究对比了在相同电弧电流和相同热输入以及电弧、激光双热源条件下沉积样品的表面形貌、微观结构和力学性能，展示了双热源工艺的有益效果，并为线材3D打印Al-Mg-Sc合金的微观结构和机械性能提供基础研究。同时，本研究也证明了国内在激光辅助电弧增材制造研究和应用方面处于国际同等水平。 文章： https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110674 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.重点关注：黑格科技将推出消费领域桌面3D打印机 2.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 3.智能制造，共创未来│3D打印专家铂力特与西门子签署战略合作协议 4.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M

德国铁路股份公司（德语：Deutsche Bahn AG）一般简称为德国铁路（DB），是一家总部设于柏林的德国国有运输公司，于1994年创立，由原德国联邦铁路及德国国营铁路合并而成。3D打印技术参考注意到，该公司采用3D打印技术已经生产了100000个备件，在使用增材制造技术方面达到了一个重要的里程碑。这一成就说明了3D打印对列车维护的变革性影响。 DB使用3D打印创建的零件 该公司于2015年开始使用3D打印，最初生产塑料衣钩等简单物品。近期，该公司生产的第10万个零件——一个用于调车机车的齿轮箱，采用3D打印模具铸造。该部件重达570公斤，占地近一立方米，是DB使用该技术生产的最大、最重的产品，该公司在铁路行业的3D打印技术应用方面处于全球领先地位。 DB使用3D打印制造的齿轮箱 据DB称，通常情况下，由于制造商的交货时间，通过标准采购获得齿轮箱等零件平均需要10个月。为了解决这个问题，DB已转向3D打印，以将交货时间缩短至仅两个月。使用粘结剂喷射，通过将粉末材料与液体粘结剂混合以形成用于铸造外壳的模具来制造齿轮箱。 齿轮箱是DB不断扩展的数字仓库的一部分，该仓库存储备件的虚拟技术图纸。这些部件可以使用3D打印机快速方便生产。目前，该仓库包含大约1000个虚拟模型，但DB的目标是到2030年将其增加到10000个不同的组件。 DB使用3D打印创建的零件 DB表示，这种方法不仅可以节省空间并降低存储成本，还可以缩短交货时间和供应链，从而促进独立性。DB公司的一位数字化和技术董事会成员强调了3D打印在全球供应紧张和原材料短缺时期对于列车维护的关键作用。此外，DB指出，3D打印更具可持续性——通过最小化距离和库存来减少二氧化碳排放和浪费。因为在生产中只使用必要的原材料，该技术还节约了资源。 为了促进生产，DB使用自己的打印机并与合作伙伴网络合作。2016年，DB发起了“Mobilitygoes Additive”网络，该网络目前包括140多个组织，包括用户、打印机制造商、打印服务提供商、大学和初创公司。该团队合作使用各种3D打印技术（如材料挤压、粉末床工艺和粘结剂喷射）推进创新。 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; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.重点关注：黑格科技将推出消费领域桌面3D打印机 2.TCT解析 | Stratasys & Desktop Metal合并的背景及未来发展 3.回顾与再现 | 十年前的全球发动机支架轻量化设计挑战赛 4.麻省理工：使用陶瓷强化金属3D打印材料

由于设备和组成材料的技术进步，复杂陶瓷结构的增材制造在过去几年中得到了极大的发展。由于市场上出现了新的3D打印设备，在可用的非直接制造技术中取得了明显进展。这些技术能够以更好的方式处理液体或粉末床，实现高分辨率零件制造。 1. 氧化物陶瓷与非氧化物陶瓷的3D打印工艺不同 零件生产的加速首先从最常见的氧化物陶瓷开始，对于这些材料，已成功制造出用于生物医学、多相催化、太阳能、滤水器、热管理、多孔燃烧器、汽车等领域。这些组件主要由立体光刻(SLA)生产，由于其良好的光学特性，该技术对许多氧化物粉末都是成功的。非氧化物陶瓷难以以这种方式加工，因为此类陶瓷粉末通常不透明、吸收或反射紫外光，不允许光聚合物进行适当的光固化。文献中很少有通过立体光刻工艺制造非氧化物陶瓷生坯的例子，只有少数如分散碳化硅(SiC)粉末的光固化浆料立体光刻的例子。另一方面，使用与光固化聚合物混合的前陶瓷前驱体，在碳化硅部件的立体光刻3D打印方面开展了几项工作。 光固化3D打印的陶瓷（来自lithoz） 将聚合物的增材制造与传统的陶瓷加工路线相结合也是研究的方向之一，例如聚合物生坯3D打印，然后进行聚合物渗透和热解；通过粘结剂喷射和热解进行生坯3D打印，然后进行聚合物渗透和热解；其他还有化学气相沉积、渗透或活性硅渗透的研究；此外，还有一个有趣的应用是在干碳化硅-硅粉床上采用选择性激光烧结(SLS)。硅用作碳化硅粉末的结合相，通过向预成型件提供额外的碳，通过反应键合进一步转化为碳化硅。这些技术各有优缺点，在这些优势中，其中一些易于使用并且已经工业化，可以实现高精度零件制造。对于缺点，在生坯制造中，不可能在复杂的陶瓷结构如蜂窝结构中实现高分辨率。对于光固化聚合物和SiC粉末的直接立体光刻，主要缺点是粉末的不透明性，不允许高粉末填充。 2. 一种新颖的混合增材制造工艺 在过去20年，瑞士南部应用科学与艺术大学(SUPSI)的混合材料实验室(HMLab)一直在对陶瓷进行前沿研究。2019年，HM实验室负责人Alberto Ortona教授已经展示了多孔3D打印技术在陶瓷材料方面的潜力。当前，Ortona教授的一名博士生Marco Pelanconi在陶瓷3D打印方面取得了新进展。 该团队提出了一种新的混合方法，该方法利用激光烧结结合聚合物渗透和热解。除了使用热塑性粉末的工艺成熟度和成本之外，这种方法的显著优势在于可以通过调整几个SLS参数来控制塑料预成型件的微孔率。通过调整预成型件的微孔率，能够控制在第一个浸渍周期中渗入预成型件的陶瓷前体聚合物的量；由于热塑性聚合物和陶瓷前体聚合物的陶瓷产率不同，可以在第一个热解步骤之后控制预成型件的收缩。之后，在大约1000°C下发生热解获得陶瓷转化，通过熔融硅渗透实现最终致密化，获得高密度的陶瓷部件。 采用SLS工艺打印混合粉末 SLS工艺打印陶瓷的机理 研究团队相信，了解哪些构成材料的特性将有助于进一步设计和制造复杂陶瓷制品，通过上述混合方法已成功制备碳化硅陶瓷。这个过程允许制造复杂的SiC周期性结构，具有高分辨率和比迄今为止开发的更小的单元。 3. 具有开放参数的孔隙度控制 该研究团队使用了Sintratec开发的SLS 3D打印机，能够改变包括粉末表面温度、层厚度、激光速度、扫描间距等工艺参数，从而轻松控制3D打印部件的孔隙率。通过改变这些参数，SUPSI大学的材料工程师能够获得理想的孔隙率（对于进一步渗透至关重要），从而获得高质量的零件。 SLS工艺打印陶瓷 SLS工艺打印陶瓷 在材料选择方面，研究团史使用两种材料制造最终陶瓷部件：PA12与SiC。PA12的黑色球形粉末用于聚合物预成型件的3D打印。PA12是一种适合用SLS技术加工的热塑性和半结晶材料，密度为1.0g/cm3，通过改变SLS工艺的参数可以定制成品的微观结构和性能。SiC的前体用于渗透聚合物预成型件并在热处理后产生最终的SiC产品。 4. 制造复杂的陶瓷结构 为了说明这种方法如何用于特别复杂的形状，Pelanconi的研究集中在两种具有不同拓扑结构的圆柱形多孔结构：旋转立方体和陀螺仪。在用PA12打印并随后转化为陶瓷后，所得部件表现出出色的机械和热性能，收缩约25%，可保持原始形状，没有变形或宏观裂纹。根据Pelanconi的说法，通过进一步的工艺优化，它们仍然可以提高双轴强度。 研究人员去除生坯粉末 采用混合工艺打印的陶瓷零件 END 研究人员表示：“这些类别的材料具有钢无法提供的无与伦比的热机械性能，如耐高温、高抗氧化性、高抗热震性和高强度。” 陶瓷非常适合用于极端环境，如热交换器、催化剂载体、蓄热器、燃烧器或航空航天。归功于可从范围广泛的预陶瓷聚合物中获得许多不同的陶瓷材料这种新颖的混合制造工艺可以被高科技行业利用。 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;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.干货分享：陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战 2.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 3.主流3D打印工艺制备SiC陶瓷的优缺点及国产方案带来的新突破 4.2300万！燕山大学陶瓷增材制造课题获科技部国家重点研发计划支持

3D打印技术参考注意到，由麻省理工学院领导的团队于近期发表了一篇论文，展示了一种简单且低成本的方法来强化航空航天和核能应用中使用的关键材料。该团队使用3D打印技术制造了一种用陶瓷纳米材料增强的金属粉末，从而生产出强度更高、裂纹和孔隙更少的部件。   该技术涉及将常用且能够承受极端条件的超级合金In718与陶瓷纳米材料一起研磨，以在合金表面实现纳米陶瓷的均匀包覆。然后将所得粉末用于激光粉末床熔融3D打印，以生产复杂的零件部件。 具体的说，是采用高速球磨法制备了含SiC纳米陶瓷的复合粉体，在In718颗粒表面形成了均匀的SiC包覆。在激光熔化过程中，SiC溶解，导致原位形成Nb和Ti基硅化物和碳化物纳米颗粒。这些原位形成的纳米颗粒使增材制造的In718具有更理想的凝固微观组织结构，具有更少的打印缺陷(裂纹和孔隙)和略微细化的晶粒尺寸。力学性能表明，与未添加SiC的样品相比，复合材料的硬度、屈服强度和极限抗拉强度分别提高了16%和12%。经过热处理后，相同的复合材料试样的极限抗拉强度比相同处理的未增强材料高10%，而总伸长率保持在14%左右。这种原位沉淀的形成为增强增材制造的高温材料提供了一种简单有效的方法，可以用于日益恶劣的能源和推进应用环境。  由LPBF In718和LPBF In718+SiC在热处理和不热处理的情况下获得的室温拉伸结果  打印和热处理的In718 和In718+SiC室温拉伸应力-应变曲线 研究人员认为，他们的方法也可以扩展到提高其他材料的性能。所得部件表现出改进的延展性、抗辐射性和高温强度。此外，该过程具有成本效益。这项工作的主要研究人员LijU教授表示，3D打印的冷却速度比传统熔体凝固工艺制造的部件的冷却速度快得多，这为探索添加陶瓷的基底金属开辟了更大的组成空间。该团队的创新方法得到了该领域专家的赞扬，他们认识到其在增强其他金属基复合材料和合金方面的潜力。 参考文献：Strengthening additively manufactured Inconel 718 through in-situ formation of nanocarbides and silicides 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; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.麻省理工-通过SLM原位形成纳米碳化物和硅化物强化In718合金 2.好书推荐 |《增材制造先进材料及结构完整性》 3.西工大黄卫东教授团队：3D打印稀土金属氧化物增强镍基高温合金 4.八校联合-重磅综述：场辅助金属增材制造技术应用潜力巨大

 一、内容简介 结构完整性是自工业革命发展起来的一种主要基于断裂力学的工程装备抗疲劳设计思想。但与传统铸造、焊接、锻造等成形材料不同，增材过程形成了难以除去的内部缺陷，是制约增材结构应用于高端装备的瓶颈技术之一。同时，鉴于增材制造“数字建模、分层制造、逐层叠加”释放出的巨大设计空间，一些负泊松比、零剪切模量等新型结构制造成为可能，在航空航天、国防军工、生物医学、高速列车等领域展现出巨大的应用潜力。《增材制造先进材料及结构完整性》在系统总结国内外研究进展的基础上，把“结构完整性”概念引入增材制造材料及部件的力学性能设计与可靠性评价中，推进增材制造在重大装备研发中的广度与深度。同时，一些新的技术或概念，如X射线原位成像、人工智能算法、智能材料结构、图像有限元建模等也在本书中进行了阐述。 本书可为从事增材结构设计、工艺优化、装备研发、性能评价等领域学者和技术人员提供参考，也可作为力学、材料、医学、信息、机械、控制等学科的高校院所研究生和教师授课的参考书。 二、前言 增材制造被称为新一轮产业革命的代表性技术之一，在航空航天、生物医疗、国防军工、轨道交通等领域显示出了巨大的发展潜力与应用效率。然而，金属增材制造在高端装备关键承力部件中还鲜有公开报道，亟待解决的共性技术科学问题主要有微观组织、残余应力、表面质量和内部缺陷等4个方面。同时，基于上述4个方面的增材材料及部件的结构完整性评价已成为国内外前沿研究课题，也是金属增材制造技术走向高端装备必须通过的核心环节。其中，通体或广域分布的内部缺陷称为增材制造发展的顽疾，而其他3个方面均可通过工艺优化、后热处理、机械加工等手段予以有效缓解。本书在简要叙述了增材制造技术的基本概念及内涵后，分章节论述了典型增材制造的微观组织、缺陷行为、表面质量和残余应力及其对拉伸性能和疲劳性能的影响，重点讨论了基于高分辨X射线三维成像的缺陷统计表征方法及缺陷与疲劳强度和寿命的映射关系，对人工智能在增材工艺-组织-缺陷-性能的跨尺度关联建模中的应用也进行了介绍。 与此同时，基于金属增材制造技术的先进结构设计及评价研究引起了材料冶金、计算力学、实验力学、先进制造等领域学者的广泛重视。其中，在增材制造复杂结构时，探索外部激励后的变形损伤行为，成为学科研究前沿。与此同时，作为一项诞生于2000年的新兴交叉学科研究方向，超材料结构曾两次入选美国《科学》杂志“世界十大科技突破”，更被美国国防部列为21世纪六大颠覆性技术之一。点阵结构是由杆件组元或薄面板组元沿着空间取向排布构筑的二维或三维胞元结构，可以产生超常规的机械和力学性能，具有优异的比强度、比刚度、抗冲击吸能、减振降噪、弹性波调控等多功能一体化的综合性能优势。随着增材制造技术的快速发展和应用，点阵结构设计-制造-功能-应用一体化得到快速发展。本书在第8章和第9章对增材点阵结构的力学设计及图像仿真方法进行介绍。 作者自2005年攻读博士学位至今，坚信金属增材制造必将在长寿命高可靠性重大工程装备中得到运用，见证了中国增材制造技术的发展壮大之路，有幸自2012年以来引入同步辐射X射线三维成像技术开展增材缺陷与疲劳演化关系研究，在对高铁关键结构（车轴、构架、车体等）进行疲劳行为研究中提出了“时域阶梯评估方法”，认识到金属增材制造材料及部件的抗疲劳设计与评价已是当前亟待开展的重大技术课题，进而提出了增材制造结构完整性概念。 本书共11章，由西南交通大学胡雅楠博士、吴圣川研究员、吴正凯博士、吴文旺副教授和钱伟建博士共同撰写，在结构完整性框架内，围绕增材材料的力学性能和疲劳性能，以实验分析、理论建模和图像仿真为手段展开叙述。由于从事增材制造材料结构强度及寿命评估研究时间不长，知识深度与认识能力有限，行文中难免有疏漏甚至错误之处，恳请大家批评指正。三、目录左右滑动查看左右滑动查看   四、作者简介 胡雅楠，博士，西南交通大学力学与航空航天学院讲师，硕士生导师。主要从事增材制造结构完整性、极端力学行为研究、材料疲劳损伤行为的先进光源原位表征。在 Nature子刊、Int. J. Fatigue、Mater. Design、Mater. Sci. Eng. A等期刊发表论文20余篇，引用量700余次，3篇论文入选 ESI高被引论文，单篇最高引用次数160余次。合作出版专著2部。曾荣获2022年度中国质量协会技术奖一等奖、2022年度中国交通运输协会科学技术奖一等奖等。 吴圣川，四川省学术与技术带头人，西南交通大学“扬华学者”、轨道交通运载系统全国重点实验室研究员，博士生导师。主要从事先进材料结构的高分辨原位试验系统研发、疲劳损伤多维多尺度表征研究及应用工作。以第一/通讯作者在Nature子刊、Acta Mater.、Int. J. Fatigue等顶刊发表论文100余篇，8篇论文入选 ESI高被引论文，Elsevier中国高被引学者和全球前2%影响力科学家。出版专著5部和教材1部，参编国家标准3部，授权专利15件和软件10件。担任疲劳顶刊Int. J. Fatiuge编委和断裂顶刊Eng. Fract. Mech.客座主编及Tomo. Struct. Mater.创刊编委等。现任第八届计算力学软件专业组秘书长、中国材料研究学会疲劳分会理事、中国腐蚀防护学会环境断裂专委会委员等，在国际会议作特邀报告20次。主持/参加国家973项目及国基青年、面上、联合、重点及军科委和企业项目等30余项。曾荣获四川省科技进步二等奖（排名1/8）、中国质量协会技术奖一等奖（排名2/15）、中国铁道学会科技进步一等奖（排名2/25）等多项奖励。  吴文旺，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系副教授、博士生导师。本科、硕士和博士分别毕业于中国科学技术大学、清华大学、瑞士洛桑联邦理工大学，主要研究领域为机械超材料、增材制造轻质多功能复合材料与结构力学设计及性能评价、数据驱动和人工智能技术在机械超材料力学设计及多功能一体化领域的应用。在Prog. Mater. Sci., J. Mech. Phys. Solid等固体力学、材料科学顶级期刊以第一作者、通讯作者身份SCI论文70篇，SCI他引次数2300余次。主持国家自然科学基金 2 项（青年项目、面上项目）、军委科技委国防科技创新特区163重点项目（1 项）。 吴正凯和钱伟建为西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室博士研究生，导师为吴圣川研究员。 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; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.首款用于激光烧结3D打印的PLA粉末，可为PA12提供生物基替代品 2.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 3.采用3D打印制造整枚火箭？Relativity工厂内部曝光 4.3D打印后处理过程复杂，自动化趋势明显，市场规模将达18亿美元

增材制造技术为现代制造业提供了自由度高的设计能力。然而工业应用需要对增材制造零部件可靠性问题进行广泛的分析，而重复性问题目前阻碍了该技术向充分、广泛的生产方向发展。随着当前研究的重点扩展到增材制造技术，需要确保现有方法的可重复性。近日，美国德州大学阿灵顿分校机械与航空航天工程学院的研究人员回顾了当前围绕增材制造零件以及类似可变制造过程的零件可靠性分析，概述了增材制造方法的可重复性问题的发生情况和影响。介绍了增材制造的验证方法和当前设计与验证方法的发展，以帮助工业领域采用增材制造技术。相关概述发表于《Journal of Materials Engineering and Performance》期刊。  原文链接：https://doi.org/10.1007/s11665-023-07897-3增材制造和可靠性介绍  在过去几十年里增材制造技术迅速发展，正受到越来越多的关注。增材制造技术的核心是实现其他方法无法实现的复杂几何形状零件，以小规模生产，并且引入更复杂的零件可以减少子零件的制备。数字化到成品方法的使用减少了制备零件的流程步骤，进一步缩短供应链结构。尽管增材制造技术在制造业中具有明显优势，但在工业上的应用却非常有限。很大原因是由于增材制造零件的可重复性和可靠性较差。要将增材制造技术制备的零件性能实现到传统制造方法的水平，必须注重可靠性。图1是综述论文组成图，表明对可变性、可靠性和最终设计的主题进行分析的必要性。作者这项概述填补目前增材制造研究中可靠性这一首要主题的这些空白。   图1 与可靠性主题相关的综述论文的比例 确保可靠性的流程  可靠性在制造和应用领域发挥着重要作用，尤其是航空航天和汽车等行业严重依赖认证程序来确定零件或结构的可靠性。在当前航空航天领域，工艺、设备和部件的认证对安全高效地使用关键产品至关重要。增材制造C20-29、JSSG-2006和MIL-STD-1530C等文件概述了应用于整个飞机结构的模拟、测试和验证以及后续认证策略。这些指南依赖于模拟结果来帮助零件制备减少成本和时间。由于与生产全尺寸零件相关的巨大成本，一种通用的测试方法被称为图2所示的“构建块”方法。另一种方法通常在增材制造零件中引用，被称为“点测试”。这种方法的特点是用全尺寸零件进行测试。通过对几个全尺寸零件的统计分析来建立设计的完整性，可以在特定情况下优化认证程序。在这种情况下，生产完整零件的成本几乎与生产大量较小样品的成本相同。  图2 用于减少资格鉴定和认证过程中的成本和资源的基本构建块方法通过实验、设计和分析预测可靠性 可靠性指标，如疲劳寿命或几何变化已被证明在增材制造和传统制造技术(如铸造和复合材料)中是相似的。然而可重复性却没有，可靠性需要可重复性。因此首先了解该技术固有的可变性。可变性源于制造技术所固有的工艺条件，如在增材制造方法中可用的一些常见可改变参数（包括扫描速度、构建板温度、层高度和间距等）。在优化可改变参数的实验设计和响应面法方面进行了广泛的研究。按照这种方法，创建流程图将质量特征与可改变的参数联系起来，如图3所示。另外一个大的变化是增材制造中不确定性影响的量化。预处理的变化从来源开始，粉末形态和原料粉末的化学成分是增材制造工艺引入的许多变量的起源。粉末直径、球形度和颗粒附着力的分布影响填料密度和熔化颗粒的流动性，并最终影响表征打印局部热特性的熔池形态。机械变化，如疲劳，强度和缺陷分布，通常出现在增材制造通过所有输入变量的自然波动，几何设计与机械性能相关联，如不同壁厚的样品机械性能不一，不同摆放位置零件性能不一，不同高度部位零件机械性能不一（图4）。此外，粉末的汽化导致粉末液滴形成具有较差的球形特性也会机械性能的变化。增材制造机械性能可靠性的另一关键指标之一源于缺陷密度和分布。   图3 各种工艺缺陷形成与扫描速度和功率映射 图4 不同厚度样品机械性能不一   图5 增材制造样品的不同位置缺陷分布 验证和检查的可变性 无损评估对零件进行检查，不会对零件的功能产生负面影响。正在开发的无损检测技术标准，如ASTM WK47031和ASTM 52908，可以帮助选择无损检测方法。工艺后处理检查，从模拟到物理检验，无损检验提供了检查部件故障或缺陷的方法，以更新部件的预期寿命，并确定部件何时达到预定义的退役标准。图6表明工艺选择可以通过3D-XCT来检验。此外，这项研究还提供了一个关键的力学元素，即临界孔径。临界孔径决定了基于最大检测孔隙的整个零件的强度，提高了增材制造零件在设计和制造方法中彻底无损检验的重要性。增材制造技术在逐层打印方法中提供了独特的优势，可以直接监测打印过程中的异常。破坏性测试是在机械极限下对部件的机械性能进行表征，不适合未来使用。  图6 三维X-CT孔隙度与激光功率的过程映射图，缺陷分布和最大检测孔径的表征对于理解打印组件的机械性能是不可或缺的 增材制造中的可靠性设计  可靠设计的起点是利用研究和测试中发现的统计信息来开发确定设计允许范围的置信带。制定这些限制的一种方法是通过物理测试产生统计信息。然而模拟可能不总是与物理现象一致，但相关性会随时间的推移而提高。在产品开发的初步阶段，通过模拟添加优化设计可以帮助辨别设计决策，在增材制造优化早期具有优势。在物理层面上，使用有限元模拟制造结果，可以帮助减轻昂贵的机械测试。这些结果可以实现可靠性优化，例如减少残余应力和变形。可以确定导致产生可靠结果的最高概率的设计参数。如不简化模型，模拟的计算成本非常巨大。代理建模和降维已经进入增材制造建模和仿真领域，作为有效的工具来降低全尺寸模型的计算强度。制造后增材制造零件的无损检测标准正在制定中，并发布了ASTM E3166-20e1等指南，协助将传统的无损检测技术过渡到增材制造。 研究者开发了标准零件如图7，用于所有增材制造机器评估关键可靠性参数，以确保来自不同机器和工艺的零件之间的同一性。同时提出了三个关键元素，化学成分，相组成和热历史，需要观察以确定成品零件。还有学者研究了16个不同的参数，其中气室压力被发现有显著影响，因此在后续生产中得到了更严格的控制。图8中看出得到的拉伸率和拉伸强度的置信范围缩小，降低了整个过程的不确定性。零件的后处理也可以减少可变性，减少可能导致性能特征不稳定的因素，如疲劳和残余应力。一些传统的后处理技术在增材制造中的有效性已被核查。此外测试这些工艺对增材制造后续设计性能的优势是至关重要的。如热等静压可以减少增材制造样品中的缺陷。为了减少表面粗糙度的可变性及其对机械性能的后续影响，可以利用喷丸强化等流行技术。   图7 标准测试工件(a)用于增材制造零件的鉴定,以及(b)在拉伸试样移除后 图8 (a)和(b)分别显示了正控制腔室压力前后的平均伸长率与平均抗拉强度的差值。采用过程控制后，通过清楚地显示95%预测界限之外的异常值，增加了过程的可预测性 未来需要确保增材制造的可靠性  这项研究阐述了增材制造中开发方法和标准以确保可靠的必要性。然而这个过程本身存在一些局限。其中由于行业制造商之间缺乏标准化。随着新技术的逐年增加，所需要的是一套经过测试的增材制造技术，用于生产零件。研究表明通过灵敏度分析和不确定性传播等技术对确保可靠性的最关键因素有更全面的理解，则将提供进一步的帮助。虽然许多方法侧重于使用现场监测和前/后工艺测试，但显然需要更成熟的技术来快速分析缺陷。数据库的开发对于采用增材制造以提供无损检验收集的信息至关重要。通过增材制造流程各个阶段的分析和数据记录，行业可以共同开发增材制造零件统计分析所需的测试，从而减少这一通常昂贵且耗时的过程。 展望未来，增材制造最关键的焦点需要是实现和认证。这篇综述介绍了可靠性的关键要素以及标准和确定的差距，这些都推动了可重复的发展过程。这些与可靠性相关的关键要素如图9所示。增材制造工艺分为五个阶段，每个阶段都代表了定义增材制造技术的前置、现场和后处理的关键方面。可变性，如结构高度对质量特征(如熔池大小、残余应力和缺陷密度)的影响，被相互关联地展示出来，证明这些参数之间的相关性，这些参数有些由用户控制。最终图9显示了可变性对增材制造中再重复的影响。虽然不是全面的，但这些可变性来源可以作为未来研究的主题，以量化并反过来减少其值的波动性。 图9 增材制造过程中对性能指标产生负面影响的可变性来源流程图 总结 总之，纵观制造业历史，新技术不断发展为旧技术中遇到的问题提供解决方案。从铸造和机械加工到粉末冶金和纤维复合材料，增材制造似乎已经成熟到可以广泛引入工业的地步。在评估行业时我们可以参考美国国家航空航天局(NASA)在20世纪70年代引入的技术成熟度来衡量制造技术的成熟度。这种规模提供了一种想法，即一项技术何时可以被行业采用。从测试技术的基本操作原理的第1级开始，在所有希望利用增材制造技术的行业中始终达到第9级。牢记这一目标，各行业人们将继续努力，确保制造技术的可靠性和一致性，不仅可以提供复杂和限制较少的设计机会，而且还可以带来尚未完全实现的经济、生态和组织效益。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.用好设备，解决问题 | 三维扫描助力轮船制造企业增强综合竞争力 2.国产3D打印数据准备软件重磅发布新版本，助力2万用户效率提升 3.科学家对金属3D打印中的缺陷形成有了新认识，能充分控制熔池稳定性 4.无支撑金属3D打印：VELO3D成功探索全球范围可重复、无差别制造

5月15日，一家致力于数字技术开发名为PTC的公司展示了一台完全3D打印的喷气发动机。这台仅由一个完整组件构成的微型涡轮喷气发动机重约3.6Kg，采用高温合金打印，包括所有旋转和固定部件，采用Creo CAD软件设计。 设计和打印完全自支撑的微型涡轮喷气发动机，包括无需组装的50000RPM转速涡轮，代表了增材制造设计的重大突破。喷气发动机是目前最强大和最复杂的产品之一，其中许多部件以某种方式旋转或移动。 这一案例证明增材制造将对航空航天业以及制造此类微型涡轮喷气发动机的产生影响。当前，该类发动机需要许多昂贵零件的复杂装配，客户对供应链和熟练操作工人的依赖性很强。使用增材制造，没有组装过程，并有可能大大减少生产所需的组件和工具数量。这降低了成本，减少了对金属3D打印机的要求，并开启了直接在客户现场按需制造的可能性。 喷气发动机项目由PTC技术副总裁兼以色列理工学院高级研究员Ronen Ben Horin博士和以色列理工学院航空航天副教授Beni Cukurel构思。两者汇集了喷气推进领域多年的深入科学研究以及先进发动机设计和增材制造设计方面的工程专业知识。许多Creo高级设计功能被用于喷气发动机装配，包括： 轻量化设计：Creo支持复杂的晶格建模和生成式设计，以减少材料和重量，同时保持与更多材料和更重的设计相同的强度和性能。 用于3D打印的自支撑几何体：Creo中基于梁的晶格会自动优化设计以实现可打印性。Creo还支持自支撑的公式驱动晶格，这些晶格可以与可打印性检查及修改器配合使用，以调整设计提高打印效率。 3D打印设备互操作性：Creo与大多数用于打印和后处理的3D打印设备兼容。Creo中的3D组件设计对于执行用于精确装配的传统加工至关重要。 这款微型喷气发动机使用EOS打印机制造。而EOS公司近期则推出了3D打印闭环智能融合技术。 Smart Fusion是EOS致力于通过简化流程、节约成本和提高生产力的创新解决方案来推进和促进金属增材制造（AM）的最新成果。 Smart Fusion可以实时自动调整激光功率，快速有效地解决潜在的制造问题。该技术通过测量粉末床所吸收的激光能量，并使用先进的算法进行调整，可以有效避免甚至消除支撑结构。这不仅节省了时间，而且通过减少后处理和减少材料用量，降低了每个零件的成本（CPP）。 这种新颖的软件解决方案使更多的应用成为可能，特别是对于具有高度工程化应用的行业，如能源、空间技术、移动出行和航空航天。 其核心是，Smart Fusion与EOS现有的监测解决方案配对 (EOSTATE Exposure OT)，并采用先进的算法来逐层监测构建过程，从而提供更均匀、一致的零件。从数据流的角度来看，EOSPRINT准备了发送到3D打印设备的数据，然后Smart Fusion与EOSTATE及其光学断层扫描（OT）相机合作，通过EOSYSTEM监测、测量和调整激光器。 这款工艺控制解决方案包括首创的实时闭环智能热管理，减少或消除了支撑结构，其性能比其他技术快2-5倍。 Smart Fusion主要优势： 设计自由度高 降低单件成本 缩短上市时间 相关案例 采用60微米工艺和Smart Fusion打印的推进剂罐 采用60微米工艺和Smart Fusion打印的卫星碟 （左）有（右）无Smart Fusion技术处理对比 在3D打印技术参考看来，虽然增材制造为优化设计打开了大门，但设计端仍需要遵守符合该工艺的制造规则，尽最大努力发挥这项技术所能带来的所有便利，包括最大规模的集成化制造；而制造端同时也在努力，使进一步增加设计自由度成为可能。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，部分转自EOS，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 2.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M 3.智能制造，共创未来│3D打印专家铂力特与西门子签署战略合作协议 4.使用知名国产DLP设备3D打印仿生晶格结构发表Nature子刊