当前材料仍然是限制3D打印技术应用的关键因素，无论是专门的材料开发商还是如NASA或北航王华明教授团队这样的用户或技术开发团队，都试图开发出更高性能的材料。实际上，研究人员已经不仅仅在开发适合于3D打印成型的材料，也在利用3D打印技术开发新材料，而有些材料对于3D打印的工艺也会“非常挑剔”。 在总结2022年之前，3D打印技术参考先来回顾一下2021年本领域在工艺和材料方面取得的突破，它包括诞生了一批耐热铝合金、耐高温树脂及耐高温尼龙粉末等新材料，还实现了铝合金、铜合金等更多成形工艺突破。2022年，工艺、材料技术以及应用方面继续发展，它们覆盖了当前主流的3D打印工艺以及航空航天、汽车、医疗等多个应用领域。 1. NASA一种新型3D打印合金，将性提升1000倍 4月12日，NASA官网刊发消息，研究团队新开发出一种新型适用于3D打印的高性能合金，能显著提高航空和太空探索系统中零件的强度和耐用性，从而实现更好、更持久的性能。 使用3D打印制造的ODS合金 该新材料是一种氧化物弥散强化合金，被命名为GRX-810，其在极端温度下具有增强的机械性能。在约1000℃时，与当前最先进的材料相比抗压断裂强度翻倍、压裂前拉伸/弯曲灵活性增强3.5倍、在高温应力下的耐久性超过1000倍。NASA指出，这种新合金可用于制造航空航天高温应用环境下的零件，如飞机和火箭发动机内部的零件，它可以在达到断裂点之前承受更严酷的条件。3D打印技术参考注意到，热力学建模和3D打印为开发这一具有突破性能的新型高温合金发挥了重要作用。 评选理由：这款新的金属3D打印材料所带来的性能提升和影响力远超其他材料，是2022年最受关注的新材料之一。 2. 多款高性能铝合金 宝航公司发布了多款高性能铝合金 HS5601超高强度铝合金，这是一种适用于SLM工艺的超高强度铝合金粉末材料，其抗拉强度达到620Mpa，断裂延伸率8%，有望帮助解决航空航天等尖端应用部门对轻质高强材料的需求。 HT4251耐温铝合金，在250℃的高温下，抗拉强度稳定在264.5MPa、屈服强度稳定在198.5MPa，延伸率稳定在15%，表现出了优异的耐温性能。 HC 200双两百高导热铝合金，热导率超过200 W/(m·K，且抗拉强度高于200MPa，特别适用于新型散热器（尤其是微通道散热器）的设计和开发。 宝航公司发布多款高性能铝合金 一种用于3D打印的防爆铝合金粉末 2022年，Equispheres公司开发了一种用于增材制造的不易爆的铝合金粉末，可减少与3D打印材料的日常处理相关的危害。 这种新材料被命名为NExP-1，专为铝合金部件的生产打印而设计，在不改变材料质量或化学成分的情况下实现了关键的安全特性。在打印方面，这种材料的性能与其他铝粉一样，但它具有不易爆炸和不易燃的外优势。 Equispheres公司开发的防爆铝合金 评选理由：铝合金一直都是金属3D打印领域应用的关键材料，在航空航天及汽车领域有广泛应用，以宝航为代表的高性能新材料的市场化无疑会推动行业应用的发展。 3.一种热膨胀树脂3D打印工艺，将推动泡沫制造领域重要创新 传统制造泡沫市场面临着许多挑战——从限制设计的昂贵模具，到高昂的运输成本，再到特定泡沫设计中无法轻松调整的强度和肖氏硬度。3D打印技术参考注意到，Desktop Metal于2022年展示了其在泡沫3D打印方面的创新，采用子公司Adaptive 3D发明的弹性体3D打印技术，开发了新型泡沫材料，能够制造同时保持座椅预期性能和舒适度的轻型汽车和卡车泡沫座椅。 自由泡沫加热膨胀过程 采用FreeFoam树脂和ETEC Xtreme 8K DLP系统进行3D打印，部件可以在大约160-170°C的烘箱中通过短暂加热循环实现按需膨胀。打印部件包含分散的热活化发泡剂，可在材料内部形成闭孔。这种高度可控的工艺使FreeFoam树脂能够根据树脂的等级按照2-7倍持续扩大打印尺寸，从而在所需的公差范围内制造最终部件，同时可以调整想要的柔软度或硬度。这种新工艺允许3D打印机生产比打印机原始构建区域更大的最终泡沫部件，并使泡沫产品能够以紧凑的尺寸运输，用户只需在组装或使用时使其膨胀展开即可。FreeFoam材料预计将于2023年广泛商用。 评选理由：这种新工艺允许3D打印机生产比打印机原始构建区域更大的最终部件，并使泡沫产品能够以紧凑的尺寸运输。对于泡沫制造，这是全新的工艺和材料；对于3D打印，这也是一种全新的展现形式。 4. 一种新型光固化3D打印工艺，能够处理50倍于标准的高粘度树脂 2022年，3D打印机制造商BCN3D推出了一种新型的高粘度树脂立体光刻制造Viscous Lithography Manufacturing(VLM)技术，能够处理比行业标准高50倍的高粘度树脂，获得了3倍于刚性材料的抗冲击性和200%的扛撕裂强度增量。这种工艺的特殊性完全不同于此前的打印方法，为处理高粘度树脂创造了条件。 高粘度树脂层压与打印过程VLM与大多数其他LCD 3D打印机不同，它利用了一种特殊的机械系统，首先将树脂层压到薄膜上，然后该薄膜会被运送到树脂固化的构建区域，再通过曝光实现切片层的成型。由于VLM树脂可以在两种不同的薄膜上（左右两个树脂槽）层压和固化，因此可以加快打印时间，甚至可以将两种树脂组合用于多材料部件和可溶性支撑结构——这是当前树脂3D打印市场上未曾见到的功能。通过使用UV灯和LCD屏幕，无论一次打印1个部件还是100个，VLM都能提供恒定的每层打印时间，从而具有极高的吞吐量。评选理由：这种快速成膜和大表面积成型的结合使VLM成为市场上使用高粘性树脂的最高效的增材制造解决方案。 5. 弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术 电弧增材制造以金属丝为原料、电弧作为热源，可以进行大尺寸金属零件快速、高效制造。同时，基于该工艺的设备简单、材料利用率高、成本更低。但3D打印技术参考根据相关文献，电弧增材制造过程以高温液态金属熔滴过渡的方式进行，随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。由此可见，成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈。 COLLAR Hybrid（同轴激光电弧混合）加工头结构示意图 为解决该问题，弗劳恩霍夫激光技术研究所在今年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。在新工艺中，研究人员使用同轴定向的环形激光束包围电弧，使其不会脱离，通过强制引导它来提高精度。研究发现，新工艺的材料沉积效率最高可提高150%，相比电弧沉积速度提高了一倍，零件表面质量也显著改善，所需要的后处理也大大减少。 评选理由：弗劳恩霍夫激光技术研究所一直是激光技术和3D打印技术的高端研究机构，电弧增材制造也越来越多的用于制造大尺寸构件，这种新的对电弧的控制策略将减少其应用障碍。 6.GE航空最新：合并150个零件，3D打印1米直径高温合金发动机部件 10月，3D打印技术参考注意到，GE 航空采用GE Additive的粉末床激光熔融装备3D打印了直径1米的In718高温合金航空部件，这是该公司使用金属3D打印工艺制造的尺寸最大航空航天零件之一。通过将150多个零件合并为一个，采用3D打印代替传统铸造，使零件的质量和成本降低了30%，交货时间也从九个多月减少到两个半月，显示出巨大的成本、重量和时间节省。 评选理由：GE Additive最具代表性的技术能力便是大范围合并设计传统零件，使其成为一个整体进行3D打印制造。在过去几年，该公司已经实现了大量经典案例，如知名的Leap发动机燃油喷嘴、GE Catalyst发动机中框组件与燃油加热器等。大量合并零件将带来提高部件寿命、缩短供应链、减少成本等在内的大量的改变。本年度3D打印的1米直径高温合金部件，是迄今为止已报到的该团队3D打印的最大尺寸合并零件，使零件合并与制造达到了新的规模。 7.Relativity Space升级3D打印技术，能水平打印超30米大型零件 2022年，使用先进3D打印技术制造火箭的民营航天公司Relativity Space宣布推出其第四代Stargate 3D打印机，其完全不同于此前常见的垂直方向打印和主流成型尺寸的装备类型。 第四代系统“克服了传统的打印限制”，打印机可以水平移动并能够将多根金属丝送入单个打印头。前三代Stargate打印机的打印速度已经远远超过了行业标准，Stargate 4的打印速度比上一代快7-12倍。Stargate 4消除了影响3D打印机垂直打印高度的天花板限制。通过水平打印，能够生产长达120英尺（约36.5m）、宽24英尺（约7.3m）的零件，打印体积容量是之前第三代产品的55倍。同时需要注意的是，更大的打印尺寸，意味着可以合并更多的零件，火箭的零件组成数量将进一步降低，火箭的总体制造速度也将提升。 评选理由：新的Stargate采用先进的“感知技术”，将计算机视觉、传感器和遥测技术相结合，以实现实时过程监控。这种自上而下的3D打印生产方法，利用软件驱动、机器学习来创建更复杂和更大的金属零件，使该行业实现了前所未有的创新以及颠覆性发展。 8.3D打印用于青藏高原水电站建设，引广泛关注 中国采用3D打印建设大坝的项目，在2022年获得了国内外的广泛报道。3D打印技术参考查询到了与该项目相关的一篇论文——《大型填筑工程3D打印技术与应用》，作者为刘天云副研究员，也就是羊曲大坝项目的首席科学家。文章指出，将人工智能、工程装备、工程技术与工程科学深度交叉融合，实现填筑工程智能建造的+3D打印技术时机已经成熟。 研究团队已研发了多种人工智能机器人协同作业的填筑工程+3D打印装备技术系统，并开展了多项示范工程实践。羊曲水电站从2021年12月26号开工，预计到2024年完工。新技术的使用能够使人们摆脱繁重、重复和危险的工作。 评选理由：将3D打印技术概念运用到如此大型的工程建设中，羊曲水电站的尝试尚属世界首例。 9.金属+陶瓷 | 一种基于烧结，可实现多材料3D打印一体成形的方法 不同于Xjet的纳米材料喷射工艺，Grid Logic公司开发的是一种采用传统粉末冶金技术进行多材料3D打印的工艺，可以在同一工作中3D打印金属和陶瓷。其采用基于粉末的3D打印，没有复杂的喷墨或激光系统，也没有铺粉装置，而是使用挤出式3D打印头进行粉末选择性沉积。在打印的过程中，不同的打印头会在所需要的位置施加不同的材料。打印完成后，将带有所有粉末的整个构建室放入烧结炉中，金属/陶瓷颗粒以传统方式熔合在一起，支撑粉末在烧结过程中继续支撑金属和陶瓷材料，并在一定程度上可以重复使用。 评选理由：这种无热量输入的打印方式使加工高熵合金和磁性粉末更为容易，同时，也为高反射金属的3D打印带来了机遇。包括铜以及钨和钼这些难熔金属，往往会反射激光束，但在烧结时不会造成这样的困难。即使是需要非常高温度才能熔化的陶瓷，也可直接使用该工艺，而无需浆料或其他中间材料形式。铝、钢、青铜也可以与其他金属一起打印，并在烧结过程中发生熔渗。3D打印与传统粉末冶金相结合，为制造带来了更多可能性。 10.混合DLP-SLA技术，实现高效率、高精度3D打印 10月，阿姆斯特丹大学同意将混合立体光刻技术授权给数字光处理 (DLP)…

2022年一篇在Nature发表的文章备受关注，获得了国内外多领域媒体的广泛报道，它就是由美国马萨诸塞大学、佐治亚理工学院、橡树岭国家实验室以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室等七家研究机构联合发表的关于高熵合金增材制造的研究。 这篇研究之所以受到关注，是因为研究人员首次利用3D打印技术制造了双相纳米层高熵合金，其表现出约1.3GPa的高屈服强度和约14%的大均匀伸长率，以及近乎各向同性的机械行为，这些出色的性能组合超过了其他最先进的3D打印金属材料。 高性能的获得仍然离不开工艺调整 3D打印通常会产生具有高度不均匀晶粒、亚晶粒位错结构和化学偏析微观结构，这在钴基或镍基高温合金、铝合金、钛合金以及高熵合金中较为常见。共晶高熵合金是一类很有前途的多主元素合金，具有双相片层状异构组织，从而为实现优异的机械性能提供了巨大潜力。采用传统凝固路线获得的层片厚度通常在微米或亚微米范围内，限制了共晶高熵合金可达到的强度。相比之下，3D打印的大温度梯度和快速冷却的特点能够产生纳米层状相并使材料表现出高强度，但通常以牺牲延展性为代价。在这项研究中，研究人员利用激光粉末床熔融（L-PBF）的极端打印条件和高熵化合金的有利成分效应，获得了一种非平衡态的相组织，实现了让人震惊的性能提升。   本研究所获得材料性能与其他材料对比（红框可见其强大的性能） 由于激光加工的参数范围很宽，实现对3D打印材料的微观结构和缺陷的合理控制具有挑战性。使用归一化等效能量密度方法，研究人员确定了一个有效的L-PBF处理窗口，来打印完全致密的AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。 这些组件展示了该合金在各种复杂几何形状方面的出色可打印性 通过调整激光功率和扫描速度，研究人员将层片厚度减少到了数十纳米，并打印了各种具有代表性的工程组件，如散热器风扇、八角桁架微晶格和齿轮结构，这些组件展示了该合金在各种复杂几何形状方面的出色可打印性。 获得高性能的微观组织机理 高屈服强度源于由交替的面心立方体和体心立方纳米层组成的双相结构的强化作用；体心立方纳米层比面心立方纳米层表现出更高的强度和更高的硬化率。 该研究中材料的微观结构 大延展性的产生归因于嵌入微尺度共晶相中的双相纳米层形式的分层微观结构导致的高加工硬化能力，其具有几乎随机的方向以促进各向同性机械性能。 超越最先进合金的最佳性能组合 直接3D打印的AlCoCrFeNi2.1与铸件相比，表现出更为出色的机械性能。其屈服强度达到1.3GPa，大大高于铸件的 510±15 Mpa，提升近三倍。它还在高流动应力下显示出很高的应变硬化率，获得了约14%的大均匀伸长率，同时极限拉伸强度达到1.6GPa。该研究中的共晶高熵合金的层间间距可以通过改变激光加工参数来调整进而改变其机械性能，使用给定的加工方案，沿垂直和水平方向获得了近似似的机械性能。这一结果表明，打印后的纳米层状结构具有几乎随机的形状和晶体学取向，其几乎各向同性的力学行为不同于通过其他途径（如热机械处理和定向凝固）产生的高度排列的层状结构所导致的各向异性力学行为。同时，它也与典型的金属3D打印各向异性行为形成鲜明对比，后者倾向于获得柱状晶粒结构。 该研究中材料在打印态和热处理态的性能 随后的热处理使研究人员能够进一步定制微观结构和相关机械性能。例如，在800°C退火1 h后，实现了超过20%的均匀伸长率，屈服强度约为1 Gpa；在600 °C退火5 h后，屈服强度和极限拉伸强度分别提高到约1.6 GPa和1.9 GPa，均匀伸长率为7.5%。快速凝固的共晶高熵合金微观结构通过退火的高可调性获得了广泛的强度-延展性组合，在此期间可能发生各种固态相变，如沉淀、层状粗化和重结晶。直接比较该研究中材料的拉伸性能与其他高性能增材制造合金，可以发现其表现出出色的强度-延展性组合，超过了最先进的增材制造合金。 END 总的来说，对增材制造高熵合金变形行为机理的理解，对开发具有卓越机械性能的多级、双相和多相纳米结构合金具有广泛意义。这项研究所获得优秀机械性能组合，优于其他先进的3D打印合金，有望催生可用于航空航天、医学、能有和运输等领域的高性能部件。 该研究以“Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”为题发表，链接如下： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8 注：本文内容由3D打印技术参考创作，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.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究 2.清华大学：熔体流动如何影响金属3D打印中的枝晶生长 3.NASA：航空航天领域3D打印材料的可获得性、工艺复合制造及成本组成考量 4.长文干货 | 推动3D打印用于汽车行业制造的关键因素

12月29日，3D打印技术参考注意到，Facebook母公司Meta已收购光学镜片3D打印公司Luxexcell，后者可以凭借其独特的的3D打印工艺可以制造智能、处方光学镜片。 Luxexcell成立于2009年，总部位于荷兰，拥有镜片3D打印相关专利，包括专有的硬件、软件、材料和工艺，这些组合可以制造出不同于当前市场上其他可用镜头的高质量产品——智能处方镜片。这种独特的制造工艺对AR/VR市场具有极重要意义，这对于“深陷”元宇宙世界的Meta公司具有革命性的意义。 3D打印技术参考查询发现，智能处方镜片将视力矫正、光学组件以及电子设备融合为了一体，是制造AR/VR镜片的重要组成部分。而该领域的重大难点就在于相当大体量的用户需要进行视力矫正，如近视、远视等，这成为制造该领域镜片的关键障碍。 Luxexcel的打印从一瓶无色液体开始，把装有无色液体的瓶子装在打印机的喷头上，随后微小液滴被喷射到操作台上，此时还是液体，由于液体的表面的张力作用，液滴互相无缝融合，最后经过紫外线的固化形成光滑表面。 镜片打印完一层在紫外线固化的基础上形成了光滑表面后再打印下一层，每个镜片差不多有五层。以正常佩戴的眼镜举例，一个镜片中可能会有几百个微小液滴。 3D打印镜片的厚度是一层一层增加的，Luxexcel通过调整液滴的喷射位置，可以打印不同厚度、不同度数和不同形状的镜片，以达到定制化的效果。需要注意的是，Luxexcel能够在打印过程中集成波导、全息光学元件和液晶箔等，与传统制造AR或VR眼镜需要30余项环节相比具有重大改进。 Luxexcell打印镜片的过程 Luxexcell打印的智能镜片包含多层结构 Luxexcell公司开发的基于树脂的3D打印工艺已被用于制造眼镜、LCD屏幕、含有气隙的波导（应AR眼镜需求而生的光学组件）、AR设备使用的镜片等，截至2020年以为客户打印了超过5万块镜片。尽管能够打印多种类型的镜片，但处方眼镜镜片是吸引Meta公司的关键。 Luxexcell的镜片3D打印机，已打印超过5万片（来源：Luxexcell） Luxexcell制造的智能镜片 Luxexcell可能是Meta公司Aria项目的供应商。该项目旨在成为捕捉佩戴者周围环境并构建Meta 3D资产的测试平台。通过将技术集成到镜片中，并允许它们以大规模定制的方式制作处方镜片，同时还集成了屏幕和LCD，3D打印为Meta相关项目的实施带来了诸多便利，后者因此可以以大规模定制的方式拥有可扩展的流程，为其AR平台制作独特的镜头。 3D打印所取得的技术效果是显而易见的，可以实现高速度、高精度，无需后续抛光打磨，与专业的工业镀膜工艺相融，可以打印任何形状。据报道，Luxexcell的收入不到300万美元，但Meta为本轮收购付出了高昂代价。 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： 1.2022年国内3D打印领域被广泛关注的十大重要事件 2.重要进展：Sakuu 3D打印电池将为超级跑车提供动力 3.弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术 4.粘结剂喷射+CNC+智能分层，3DEO已发货超130万个3D打印零件

12月9日，首次实施中国运载火箭海上热发射的捷龙三号火箭首飞成功；12月16日，长十一火箭成功发射。这两型火箭均由火箭院抓总研制，其中多种构件采用3D打印技术制造，更有尺寸超过一米级别的零件。 本文内容获火箭院官方相关部门授权发布，将介绍在这两型火箭上3D打印技术的应用。 捷龙三号火箭3D打印构件： 2件卫星支架+1件过渡段产品 2件卫星支架用来放置本次任务发射的14颗卫星，1件过渡段产品用来连接卫星支架和火箭其他部件。 “捷龙”映日（来自中国火箭公司） 长十一火箭3D打印构件： 1件端框+8件支撑杆 它们是卫星支架的组成部分，卫星支架采用的是杆系框架结构设计，即上下端框加中间超薄壁支撑杆结构。 长十一火箭（来自火箭院） 这些构件是火箭院首都航天机械有限公司与总体设计部通力协作的成果。其中捷龙三号火箭的卫星支架和过渡段产品的成形应用的是电弧熔丝增材制造技术；长十一火箭卫星支架的端框和支撑杆的成形应用的是电弧熔丝增材制造技术和激光选区熔化增材制造技术。 电弧熔丝增材制造技术从传统的弧焊发展而来，用电弧热将丝材熔化并按预定轨迹逐层堆积成金属结构件。 激光选区熔化增材制造技术主要用于中小尺寸复杂金属构件的一体化近净成形，如发动机零部件，一体化舵翼，管路阀门，点阵套筒等产品，也可用于防隔热、抗冲击等先进结构的制备。 为什么“打印”这些构件？ 首都航天机械有限公司工艺员张睿泽介绍，卫星支架产品技术状态多变，确定时间较晚，而传统铸造、锻造需要模具，工序多、流程长，难以满足高密度发射的紧张周期要求；应用3D打印技术可快速响应，不仅极大缩短了产品交付周期，而且一体化程度更高，结构减重效果明显，能够满足短周期、低成本的发射需求。 以捷龙三号火箭为例，该火箭搭载14颗卫星，数量多且状态各异。使用电弧熔丝增材制造技术打印卫星支架能够充分发挥小批量、多品种产品柔性生产的特点，可实现复杂结构件的整体制造，提高承载效率。单件产品毛坯成形周期仅为15天，较传统制造方式周期缩短50%以上，为后续各工序环节争取到了宝贵的时间。 以长十一火箭为例，端框和支撑杆全套产品打印周期仅为12天，不仅保证了产品尺寸精度要求，还在满足承载条件下将重量减至最轻。 “打印”这些构件攻克了哪些难题 作为14颗卫星在火箭上的“座椅”，捷龙三号卫星支架直径达1.4米，高度近1米，重量达120千克，整体呈大尺寸弱刚性结构，对成形过程及后续热处理过程的变形控制提出了更高的要求。 技术团队突破了“变形控制+在线测量调整”的大型壳体增材制造变形控制技术，实现毛坯产品尺寸偏差单边小于2毫米。对毛坯产品进行适应性工艺设计，有效调控热处理过程中的变形，实现了无工装变形控制，节约了大量一次性成本。应用了独立研制的以“机器人+变位机”为核心的高效电弧熔丝增材制造系统及自主研发的电弧增材制造路径规划、离线编程与运动仿真软件，成功解决了大型复杂壳体成形难题。 长十一火箭卫星支架的端框呈薄壁方框类结构，幅面尺寸达到1.3米×0.8米，对成形过程中的变形控制提出了较大挑战。 技术团队通过对成形路径的优化及变形量预测，结合对自研的平面协调运动软件功能升级，保障了尺寸要求。长十一火箭卫星支架的支撑杆呈大尺寸V型中空多联通薄壁圆管结构，采用钛合金材料，近600毫米长的支撑圆管壁厚仅为1.2毫米，变形开裂控制风险极高。技术团队通过优化工艺结构、辅助支撑、变形补偿等方式，有效控制了变形，保证了尺寸精度要求，并在满足承载条件下将重量减至最轻。 截至目前，火箭院首都航天机械有限公司已有12件电弧增材产品成功通过了飞行考核，成功率达100%。 除电弧熔丝增材制造技术和激光选区熔化增材制造技术外，火箭院首都航天机械有限公司在3D打印火箭部件方面，还有激光熔化沉积增材制造技术。 激光熔化沉积增材制造技术主要用于大尺寸难加工金属毛坯的制备，如运载火箭捆绑支座、平台支架、舵翼骨架、异形舱体等，亦可实现发动机构件的修复。 后续，火箭院首都航天机械有限公司将与总体设计部继续通力协作，推进3D打印在火箭设计制造中的应用，为航天产品高质高效制造添砖加瓦，为建设制造强国、质量强国、航天强国贡献力量。 注：本文内容发布已获火箭院官方相关部门审核和授权。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.2022年国内3D打印领域被广泛关注的十大重要事件 2.2022年 | 国内外20余款重量级金属3D打印新设备看点 3.百台设备全部就位！西发公司增材制造产业化平稳推进 4.视频：航空航天巨头赛峰集团斥资8000万欧元开设新3D打印园区

12月27日，3D打印技术参考注意到，知名电池3D打印品牌Sakuu已被意大利超级跑车品牌Estrema Fulminea选中，将为后者提供3D打印电池。 Fulminea是一款价值200万美元的电动超级跑车，整车重量为1.5吨，在同级车型中重量并不占优，原因是它的电动系统。3D打印正在一些功能部件的生产中发挥作用，但真正改变游戏规则的可能来自与Sakuu的合作，后者旨在使用其独特的Swift固态电池3D打印技术，通过优化空间进一步减轻车辆重量。 2022年3月，Sakuu在其锂电池开发方面实现了800Wh/L的基准能量密度，远高于目前市场常见锂电池500-700Wh/L的能量密度，这为实现2023年超过1200Wh/L的全3D打印固态电池目标迈出了重要一步。除了800Wh/L的成就外，该公司的锂电池还被发现在200次循环后表现出97%的高能量保持率。循环完成后，预计电池在800次循环时会保持80%的存储率。 定制形状，优化空间 要了解Fulminea将如何从Sakuu的技术中获益，就需要了解当今电动汽车电池的工作原理。电池是一项重大挑战，更强大的电池可确保更好的性能。今天的电池有圆柱形、棱柱形和袋状，特斯拉使用圆柱形电池，这些电池装在构成电池组的模块内。 Sakuu公司的固态电池 Fulminea跑车的电池位于座椅后面，必须从车辆下方安装。使用传统电池组时，许多空间都是空的，3D打印的优势则可以定制电池的形状，这为优化车辆空间创造了条件。这也使得Fulminea成为未来3D打印固态电池的最佳“实验室”，也将证明Sakuu电池3D打印的应用潜力。 混合打印，改变结构，提高能量密度 Sakuu的Kavian打印机采用混合技术，将材料挤压和材料喷射相结合，一次生产出具有不同化学成分的电池。根据3D打印技术参考此前的总结，该技术可以制造出比现有电池具有改进接口和更高强度陶瓷层的能量存储设备，同时集成更容易大规模生产的单片分层电池。‍ 电池3D打印原理 3D打印技术对电池电极的结构产生了很大的影响，这就是能量密度增加的原因。长期以来，“多孔”电极可以增加能量密度，而3D打印可以将电极中的材料构建成三维晶格，这意味着电极有更多的暴露表面积以进行化学反应，从而获得更高的电池效率。另一件可以使3D打印电池能量密度更高的事情是，电池模块不需要额外的物质来粘合它们并将它们连接在一起。 3D打印晶格电极结构(上)与实心电极块(下)(来自Rahul Panat和Mohammad Sadeq Saleh) 由于能够仅使用必要的材料，因此可以节省材料、减小尺寸并提高能量密度。 电池3D打印引起行业关注 Sakuu公司已经筹集了6200万美元用于建设电池自动化3D打印工厂，有望通过其固态电池打印技术改变整个电池行业，它可以为电动汽车和大众市场储能应用提供更好的性能、安全性和可定制性。 Sakuu电池工厂电池3D打印正在得到该领域的重视，美国能源部(DOE) 于今年下半年宣布了两党基础设施法对国内电动汽车 (EV) 电池制造的第一轮拨款，资金总额达到28亿美元，其中3D打印行业的6K公司获得5000万美元，其主张采用微波等离子体处理技术生产电池材料。 为了进军电动汽车市场，专注于电池技术的瑞士投资公司Blackstone Resources于2019年成立了自己的德国研发子公司黑石科技，并投入巨资研发下一代电池技术。该公司已获得的3D打印技术专利可生产各种不同外形的电池，并已经开始批量生产3D打印电池。据3D打印技术参考了解，电动汽车领域是其主要目标市场。该公司目前正在开发的最有前途的技术就是其专有的3D打印技术，可用于生产液体电解质电池和锂离子固态电池，具备将电池能量密度加倍并将锂离子电池制造成本降低一半的潜力。黑石公司在过去两年中一直在开发和完善其锂离子电池3D打印技术，如今推出了其首个大规模生产设施。 黑石科技的3D打印电池工厂 拓扑高能定制化3D打印电池（来自拓扑高能） 国内方面，比亚迪和蔚来汽车在今年均成立了新的电池制造公司，经营范围中包含增材制造业务成为了一大亮点。除这两家汽车公司之外，爱驰汽车旗下子公司氢驰动力科技（山西）与高能数造合作发布了全国首个3D打印电池品牌“拓扑高能”。在研究方面，中科院大连所3D打印研制出了高能密度、长寿命锂电池，解决了两大关键问题。这些事件有可能促进国内电池3D打印技术的发展。 注：本文内容由3D打印技术参考创作，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.关注：中科院大连所3D打印研制出高能密度、长寿命锂电池，解决了两大关键问题 2.拜登政府向3D打印和先进制造电动汽车电池项目授予28亿美元 3.Sakuu 3D打印锂电池预计2023年出货，能量密度将“大幅飞跃”成为世界第一 4.黑石开始使用3D打印技术批量生产锂离子电池，目标电动汽车领域

在往期文章中，3D打印技术参考分别对NASA工程师所总结的航空航天领域金属3D打印零件的生命周期、材料种类和特点以及各类工艺的制造特点进行了讲述，本期内容主要分析材料的可获得性、高性能金属组件、制造成本组成对航空航天3D打印生命周期的重要影响。 3D打印材料的可获得性与工艺复合制造 对粉末材料的要求取决于增材制造工艺，并且必须根据化学成分和粒度分布进行控制，确保流动性。根据增材制造工艺所需的粒度分布，大多数材料的供货周期都会很短。即使使用新材料和定制合金，粉末供应链也在不断发展，大多数定制合金粉末可以在几个月或更短的时间内获得，这取决于所需合金元素的可用性。许多棒材、板材和线材原料通常也可在几天内获得。然而，定制合金可能需要额外的加工（如主熔体、锻造、减小板材厚度，或者如果特定尺寸不可用，则需要重新拉丝），从而延长交货时间。因此，设计师必须考虑金属增材制造工艺及其原材料供应链。 不同制造工艺所使用的材料粒度分布、直径或厚度 一些增材制造工艺允许在同一构建操作中使用不同种类的粉末、线材、片材或棒材来制造双金属或多金属部件，具有多种合金的构造可以很容易地针对质量、热、结构或其他设计特征进行优化。多材料3D打印通过消除或减少连接或打印后的组装操作使航空部件受益。复杂的设计可以在单个组件中使用多种材料，而无需进行焊接等后处理。但是，设计要求可能会限制某些增材制造工艺或使用多种合金的可用性。这些要求还必须考虑材料兼容性，因为许多增材制造工艺涉及熔化并可能出现不希望的相组织。3D打印技术参考注意到，国内对多材料3D打印最典型的应用是王向明院士实现的A100钢和300M融合3D打印制造梯度材料起落架。 NASA采用不同3D打印工艺复合制造的多金属组件 然而并不是所有金属3D打印都可以实现多材料复合制造，其主要受限于材料的供给形式。当前，能量沉积和固态增材制造工艺可以实现多材料一体化制造，EB-PBF工艺还不允许使用多种材料，L-PBF工艺正在进行相关努力。L-PBF多合金3D打印的挑战在于不同粉末批次的污染、原料批次跟踪困难，以及相关的参数开发和质量控制。当前应用较多的多金属3D打印通常使用多种工艺实现。在初始零件3D打印和机加工完成之后，通过其他增材工艺添加另一种金属材料，实现多材料制造。较为典型的案例是NASA采用L-PBF和DED工艺制造的铜合金复合高温合金的双金属燃烧室，国内7103厂也有类似的应用案例。L-PBF工艺保证了内容结构具有高度复杂的内容特征，实现更高的换热效率，DED沉积的高温合金则兼具更高的强度。然而，不同金属之间的冶金结合质量需要深入研究。 航空航天3D打印制造过程的成本考量 虽然3D打印为设计人员实现高度复杂组件的制造提供了可能，并且通常认为“零件制造成本并不会因复杂程度的升高和提升”，但这种复杂性也需要付出很多代价。因为零件越复杂，打印失败的风险越高，所需要的后处理操作也更多。 零件的制造成本并不由单一因素决定，而是相互交织的，例如零件的材料的种类和使用量、打印时间、复杂程度、后处理以及最终的鉴定等等。在同时满足设计意图、设计余量和补偿变形/收缩时最小化零件质量，是通过设计优化来降低多重成本的一种方式，但设计师仍然难以对每种工艺进行详细的直接成本对比。 粉末、线材、棒材或片材形式的材料通常可用于大多数工艺，但成本取决于具体的合金种类。常见的合金，如300系列的不锈钢、In625是现成的，但定制合金或定制尺寸可能会增加2-5倍的成本，因为它们可能需要特殊的熔化、雾化或成型操作。基于购买数量（如预期）和生产工艺的单种材料之间的成本存在轻微差异。对稀缺合金或定制合金的开发，供应链更加难以保证。在选择合适的工艺或材料时，必须考虑生命周期的这一部分。 316L 和 Inconel 625 原料成本比较 航空航天增材制造组件在整个生产过程中都需要有严格的文档记录和可追溯性，因此涉及内容可能会非常广泛。3D打印过程的模型评估、设计修改、支撑结构、扫描策略等参数均需要记录，这些被认为是非经常性工程成本。打印机的操作成本还可能包括构建板加工以及设备的清理和换粉操作。零件上的实际构建时间通常基于从零件开始打印到完成的，因此在计算费用时应当考虑此前的各种准备工作。基于熔化的3D打印工艺之间存在显着差异，如L-PBF和EB-PBF在构建之后，后处理操作将根据过程而有所不同。对于大多数工艺，后处理操作包括清粉、去支撑和分离构建基板。此外还有许多其他操作，如材料表征和机械测试，验证零件的性能。一些参考资料和企业指出，70%的零件成本可以来自预处理和后处理操作。 虽然3D打印的成本与零件制造数量以及经验积累存在一些关系，但单位成本不会随着构建数量的增加而显著变化。非经常性工程成本可以在生产零件中摊销，但零件的构建时间从第一个到第一百个通常相似。虽然一些研究表明3D打印大批量生产没有竞争力，但它高度依赖于零件尺寸、材料和复杂性。在许多情况下，增材制造可能是制造某些零件的唯一方法（如GE燃料喷嘴）并允许大批量生产。对于3D打印技术而言，主要工艺成本基于构建（或沉积）的材料的总体积，而不是机械加工。随着整体零件体积的增加，成本也会增加，但这在很大程度上取决于沉积速率。随着沉积速率的增加，成本可以降低。这就是许多高沉积速率工艺（如DED、冷喷涂和搅拌摩擦焊）具有优势的地方。沉积速率可能会对特征分辨率和复杂性产生不利影响，关键的配合表面、孔、法兰或关键特征，必须进行后处理加工。额外的后处理步骤会增加成本。这是对设计人员来说，一件重要事情是要评估整个增材制造工艺的生命周期，包括增材制造工艺和后处理，确定最佳制造路径。3D打印流程之间的成本包括打印复杂性和所需的后处理复杂性。基于材料、工艺细节和零件几何形状等因素，成本的构成不一定是线性的。 基于零件体积和沉积速率的一般增材制造工艺成本趋势 双金属燃烧室的成本比较 NASA工程师分析了液体火箭发动机燃烧室的制造成本。由于减少了传统制造所需的工时、材料和多道工序，成本得到了充分体现。传统的制造工艺需要通过锻造生产铜合金坯料，然后对衬板进行多次机加工，开槽以形成流道，最后通过电镀或钎焊等组装操作来封闭通道。3D打印不仅降低了成本还提高了效率，首先采用L-PBF工艺3D打印了GRCop-84铜合金腔室，然后使用Inconel 625对结构护套进行了电子束丝材熔覆。由于3D打印工艺的工艺链更为充足，GRCop-42内衬能够在更大的PBF平台中一体打印，然后使用商业供应商的沉积设备进行后续制造。 END NASA工程师指出，针对航空航天领域3D打印零部件制造，在进行零件设计之初，就应当考虑材料和工艺选择，这涉及到材料的供应链是否容易获得、制造周期、打印成本和后处理成本等，仍然是一项复杂的工程。任何一种工艺都有其独特的制造特点，不能将它们孤立取来，在最合适的地方使用最合适的工艺，且能够相互结合。至于航空航天领域金属3D打印能否实现批量生产并降低成本，则需要看具体的应用。 本文是NASA航空航天应用经验总结系列文章总结的终篇。 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.先临三维助力西门子智能制造成都创新中心增材实验室建设 2.装机逾500台、21个国家！汉邦科技在上海临港建设金属3D打印新厂房 3.NASA工程师总结：航空航天金属增材制造部件的生命周期 4.NASA金属增材制造在火箭推进领域的应用进展——工艺和材料

Sharon Tuvia是以色列一家专门从事航空及光电行业机械装配合零部件制造的企业。成立50多年来，该公司一直处于技术前沿。十年前，Sharon Tuvia公司决定投资增材制造技术并购买了第一台金属3D打印机，如今该公司已有近30％的业务基于增材制造，预计此数据在未来几年内将大幅增长。 本期内容，将讲述该公司如何将增材制造与传统加工技术相结合，实现公司的跨越式发展。 01整合所有技术未将增材制造作为传统技术的替代品 Sharon Tuvia公司结合了传统技术和增材制造技术，以生产复杂度高、精确度高的产品而闻名。该公司从并未将增材制造作为传统制造方式的完全替代品，而是努力寻找整合所有技术的最佳方式，充分利用每种技术带来的独特优势。 该公司首席执行官Yair Sharon表示，“人们使用增材制造的常见错误之一是试图用这一新技术生产同样的零件。其实不然，我们追求的是通过增材制造技术完成以往无法完成的工作，或利用增材制造独具竞争优势的方面。” Sharon Tuvia公司采用增材制造技术，在几个关键制造环节获得特定优势，包括原型零件、小批量零件和提高零件功能的复杂结构。 Sharon Tuvia公司近30％的业务基于金属增材制造 原型零件：即使最终批量生产将使用传统技术，增材制造也可以在很短的时间内准备好功能齐全的原型，使公司客户能够缩短产品上市时间，比竞争对手抢先一步。通过使用增材制造技术生产原型，公司可以确保仅为经过批准和测试的最终零部件创建模具，从而避免昂贵且耗时的模具修改过程。 小批量零件：对于小批量零件或定制零件，增材制造可提供最快且最具成本效益的解决方案。 提高零件性能的复杂结构：更好的散热、气流、冷却道或更轻的重量等增强零件属性的需求，只有通过复杂的几何形状才能实现。即使零件可以通过传统技术制造，其复杂的几何形状特征也使增材制造成为更具成本效益的选择。 02使用一站式集成软件满足传统制造经验丰富的CAD用户需求 对于集设计与制造为主要生产模式的企业，设计端与制造端往往会跨平台使用不同的软件，对于增材制造技术尤为明显。 在增材制造过程中的任何阶段对模型进行变更是Sharon Tuvia公司必须解决的常见要求。作为传统制造环境中经验丰富的CAD用户，基于历史记录，快速作出变更对设计过程来说司空见惯。这对于基于增材制造的一站式软件的需求则显得至关重要。 Sharon Tuvia公司的领导层在意识到增材制造益处的同时也注意到了多软件解决方案的大量迭代所造成的研发效率延误，因此一直希望找到新方法来改进增材制造繁琐的准备和优化过程，力求使其更有效率并实现更高效益。 使用3DXpert极大提升了Sharon Tuvia公司的开发和制造效率（支撑设计、工艺仿真与晶格设计） 3DXpert，是该公司寻求到的重要解决方案。Sharon Tuvia公司首席执行官表示，“我们从使用三种不同的软件解决方案转变为一种一站式集成软件解决方案，将设计与制造周期足足缩短了75％，我们不仅仅是将多个软件解决方案转变为一个，而是对整个工作流程进行了彻底的改变和简化。” 缩短3D打印准备和优化过程，从3D打印机获得最大输出对于公司的业务成果而言至关重要：“无论是打印机闲置等待设计过程的完成，还是打印需要较长时间才可完成的非优化结构——任何低效率都会对生产力和盈利能力产生直接影响。 03增材的细节设计、试制与批产的工艺侧重 增材制造提供的突破性优势之一是能够使用晶格结构来减轻零件的重量并在保持零件形状的同时提供更好的性能。同样，可以将特定表面纹理应用于零件的外表面。使用3DXpert晶格结构，Sharon Tuvia公司可实现更大的表面面积，同时将体积最小化以提高热性能。3DXpert提供了用于创建、编辑和查看晶格结构的极其强大而快速的工具，无需借助专用软件包。细节决定成败，增材制造也是同理。与传统减法制造工艺相比，增材制造以短时高效、设计灵活等优势改变了工业制造的游戏规则，而一些工作流程细节上的优化，可以大幅提升产能，在竞争中脱颖而出。 01. 设计时考虑生成 拓扑优化时考虑支撑情况 晶格设计时考虑生产工艺角度 02. 试制时考虑批产 仿真时考虑实际基板情况 支撑设计时考虑后续批量支撑生成 03. 批产时考虑自动化 为未来预留设计优化脚本自动化 为支撑预留自定义组别 12月15日14：00-15：00，Oqton堃腾智能制造将举办一场关于增材制造自动化设计与生产工艺设置的直播，届时将会有大量干货内容。 END 对设计师来说，重要的是调整他们的思维方式，思考如何设计3D打印结构，但同时又不能仅仅停留于设计。如果不了解打印方向、支撑设计和晶格结构对打印时间和成本的影响，往往很难对设计进行优化。 Sharon Tuvia公司表示：“3DXpert是一款真正的一站式软件解决方案，将3D打印流程的各个方面获得的专业知识整合到一个增材制造软件解决方案中。” 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.模具随形水路自动化设计：3DXpert减少50%生产时间 (含免费试用和操作教学) 2.增材制造研究机构鲁汶大学使用集成化的3DXpert来减少对其他软件的依赖 3.3D打印工程师的又一选择：3DXpert中文版30天免费试用+中文视频教程 4.展会暂缓 | Oqton公布先进的3D打印软件应用解决方案

导读：“在中型四代机验证机中突破了传统极限束缚，打破了传统结构的“天花板”，大幅度减少零件和工装数量，实现重量偏差精准控制，并率先实现增材制造规模化应用，引领着该领域的技术发展方向。” 习近平总书记在给航空工业沈飞“罗阳青年突击队”的队员们回信中提到，“希望你们继续弘扬航空报国精神，心往一处想，劲往一处使，在推动航空科技自立自强上奋勇攀登，在促进航空工业高质量发展上积极作为。”回信寄托了总书记对航空人的殷切期望，更指引着攀登科技高峰的前进方向。本期内容来自航空工业沈阳所王向明院士。 鹘鹰战机常务副总设计师王向明院士 航空科技自立自强，既是我们为之努力的奋斗目标，更是引领我国航空武器装备赶超世界先进水平的核心竞争力。 历史经验告诉我们，航空事业新篇章只能由中国人自己书写，核心技术是买不来、讨不来的，自立才能自强，自强才能制胜。航空武器装备是现代战争的首战装备、核心装备、决胜装备，只有自立自强，才能持续不断地研发出高质量“制胜”装备。航空工业从抗美援朝的烽火硝烟中走来已七十余载，历经艰难曲折，新中国的飞机设计事业也历经了一个甲子。面对千沟万壑、艰难险阻，一代又一代航空人不畏困难、锐意进取、自立自强、航空报国，推动我国航空武器装备努力追赶航空强国，实现了从望尘莫及到望其项背，再到同台竞技的历史性跨越，为我国强大空军建设提供了有力保障。 航空科技自立自强，需要科技创新作为核心支撑。 航空科技创新的源头在于设计，因为设计是主导、材料是基础、制造是手段、维修是保障。这些年，航空工业沈阳所在增材制造创新应用、飞机新概念结构领域开拓、新机快速试制模式构建等方面取得新突破，走出一条独具特色的设计制造一体化创新之路。在中型四代机验证机中突破了传统极限束缚，打破了传统结构的“天花板”，大幅度减少零件和工装数量，实现重量偏差精准控制，并率先实现增材制造规模化应用，引领着该领域的技术发展方向。 科技创新的实践经验告诉我们，研制高端的航空武器装备只有自主创新一条路可走。 我们只有持续创新，才能在科研的道路上走得越来越笃定，越来越有信心。面向未来，要继续坚持航空自主创新道路不动摇，健全创新机制，补齐短板，建立新机快速研制新模式，加速创新人才和业务尖子的培养，通过军地融合，搭建更多创新平台，持续解决核心技术攻关难题，积极支撑航空武器装备高质量发展。我们坚信，广大航空科技工作者一定会以习近平总书记给沈飞“罗阳青年突击队”队员们的回信精神作为源动力，学习罗阳同志，弘扬航空报国精神，发扬航空人艰苦奋斗、忠诚奉献的优良传统，踏实钻研前沿技术，心无旁骛，匠心如一，向着建设新时代航空强国的宏伟目标努力攀登、奋勇前进。 早在2003年，沈阳飞机设计研究所与北京航空航天大学深度合作，共同开拓了飞机增材制造应用技术。北京航空航天大学在控形、控性、装备等方面已取得重大突破。作为关键技术的另一方面，设计、评定和验证是使用安全的重要保障，也是美国联邦航空局（FAA）确认的增材制造4个难点之一。沈阳飞机设计研究所建立融合增材制造技术的结构设计、评价与验证方法。而沈阳飞机设计研究所是我国舰载机歼15和歼35的负责研制单位，这两款战机均大量使用了3D打印技术。王向明院士是飞机机体平台结构设计领军人物，长期从事结构创新设计与制造一体化研究。先后承担原总装、装发部、军科委、科技部、工信部、科工局主管的有关飞机结构设计与制造研究项目20余项，在飞机新概念结构设计、增材制造应用技术、新机快速试制等方面做出重要贡献。先后获国家技术发明奖一等奖、二等奖，国防科技进步奖一等奖2项。 王向明院士借助在原总装先进制造专业组担任增材制造责任专家的机遇，规划出基于增材制造的大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和功能结构一体化等飞机新概念结构领域，主导系统级技术开发与工程化验证。 2021年，中国工程院公布2021年新增院士，中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所项目总设计师、3D打印专家王向明成功当选。 注：本文内容来自航空工业。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.技术拐点助力战机跨代！3D打印在我国战机上实现了规模化和工程化应用 2.长文干货 | 推动3D打印用于汽车行业制造的关键因素 3.「3D打印态」钛合金具有均匀且不间断的柱状晶，获得良好的抗蠕变和抗疲劳性 4.航空航天金属3D打印的工艺种类、技术成熟度及流程差异

汽车行业的装配操作可能会很复杂、容易出现质量问题，并且在效率和时间方面不可预测。此外，虽然制造辅助工具常用于改善成本、质量、时间和人体工程设计，但它们通常非常复杂并需要频繁修改。 如今，虽然3D打印非复杂制造辅助工具已成为一项成熟应用，但使用增材制造(AM)优化夹具、固定装置、量规、定位器和抓手仍具有巨大的、目前尚未被开发的潜力；这种潜力可提高汽车行业在开发和制造方面的速度和灵活性，最终满足当下和未来对汽车制造条件的性能要求。 点击文末阅读原文可下载电子书 制造辅助工具用于整个车辆的开发和制造过程，其通过多种方式实现降低成本的最终目标，例如：加快生产速度，以更少的时间和劳动力实现更高的产量；通过提高精确度控制来减少错误；或者简化装配线。除了降低成本外，快速获取制造辅助工具来实现快速生产，也在当今愈加精细化和定制化的汽车开发和生产过程中扮演着日益重要的角色。 增材制造可让设计和生产制造辅助工具变得更加灵活，这是将增材制造用于复杂制造辅助工具生产的第三点优势。需求往往难以预测，而仓储需要大量的空间和成本。虽然对辅助工具稍加修改便能大幅提高生产效率，但此方法通常不可取，因为库存过多，或者生产辅助工具耗时太长。 不过，这却是3D Systems增材制造解决方案的用武之地。此类解决方案包含相关软件、各种3D打印硬件技术和适用于制造辅助工具的高性能材料。这些解决方案支持短期和定制化的汽车生产及装配操作，可在极具挑战性的环境中对装配流程进行优化，同时控制制造和库存成本、加快开发和生产速度并提高各环节的灵活性。 增材制造可针对特定流程和组件定制夹具、固定装置、抓手和定位器，并进行快速迭代来实现持续改进，而不会产生昂贵的传统模具制作费用和沉重的库存成本，也不会为了提升性能而增加复杂性。 制造辅助工具的增材制造示例 在本应用简介中，将介绍如何以最佳方式利用这些材料和技术，开发和生产用于车辆开发及生产线的小批量复杂制造辅助工具。除了将增材制造用于制造辅助工具的业务相关优势，这些解决方案还通过设计自由度、快速定制商机以及保持严格公差的能力来提高设备的有效性。制造辅助工具的增材制造示例包括： 夹具 增材制造可整合多种功能，例如真空夹紧、操作顺序说明、碎屑清除，等等。 真空钻床夹具 真空钻床夹具 固定模具 最终装配包含有接合面的部件时，通常需要使用数控固定装置。采用安全、增材方式制造的数控固定装置可以防止因部件安装不当而常导致的主轴故障。为了降低生产成本，可采用模块化方式设计和生产增材制造数控固定装置。借助数字工作流程，还可以制造固定装置来匹配部件的实际尺寸，并且能够更加可靠地固定住部件（相较于其他方法）。增材制造固定装置也可用于焊接。 模块化数控固定装置 抓手 机器人是生产线的关键因素。增材制造可实现快速定制，将旧有的抓手装配件整合到专为最终功能设计的单个组件中。这包括进行轻量化设计，以提升实现整体性能和集成安全功能的速度，而无需增加步骤或装配操作。 量规 利用增材制造生产通过/失败量规可加快质量控制速度，同时改进设备的人体工程设计。对复杂的表面或路线来说，可实现精确度和特征细节的立体光固化成型技术不失为一种理想的解决方案。 量规  装配辅助工具 装配辅助工具或定位器用于简化装配流程。许多标准系统可以出色地处理简单工件。然而，对于可能需要在不同方向进行定位或安装的复杂部件，增材制造可提供必要的设计自由度，以最大效率生成装配辅助工具、定位器或安装器设计。 推动增材制造用于消费类汽车和运输应用中制造辅助工具的关键因素 整合特征和应用模块化 制造辅助工具提供了许多提高制造效率的机会。利用增材制造的设计自由度，您可以将特征整合到单个几何形状中，并采用模块化方法来改进通用或自定义人体工程设计，从而制造高效的夹具、固定装置、抓手、量规和装配辅助工具。 逆向工程可提高工具效率 在特定情况下，使用增材制造方式生产的制造辅助工具能够以逆向工程数据为依据，以加快制造辅助工具的创建速度并对功能进行改进（例如优化工件夹持）。 快速迭代，以便持续改进 增材制造支持采用迭代方法，通过生产团队以及工业和制造工程师的反馈来提高制造辅助工具的效率并改进人体工程设计。我们的制造辅助工具增材解决方案提供了快速生产迭代设计的能力，使辅助工具满足严格公差和设计特征，从而让团队交付更多设计迭代并提高装配效率。 降低生产风险 装配操作的时间和效率通常难以预测，这增加了工具规划的难度，可能造成生产风险。我们的增材制造解决方案可让您根据需要快速制造辅助工具，确保您可以按需进行更换以维持正常运行时间，避免出现过量生产或生产浪费，同时最大限度地降低传统制造成本。 适用于功能性生命周期的耐用材料 随着时间的推移，制造辅助工具会受到外力、应力和磨损的影响。过去，增材制造材料的特性限制了该技术在功能性较低的辅助工具上的使用。3D Systems经过全面测试的先进材料将增材制造的用途扩展到更大、更复杂的夹具和固定装置。 小批量、高度复杂部件的经济性 制造辅助工具的典型特征是小批量、设计复杂程度高，这两者都是造成高制造成本的主要因素。采用立体光固化成型技术(SLA)、选择性激光烧结技术(SLS)和Figure 4技术的增材制造消除了成本与复杂性之间的关连，使这些技术非常适合用于生产中小批量的制造辅助工具。 使用增材制造的好处 设计自由，可将特征和流程步骤整合到单个制造辅助工具中 精确、可重复地生产复杂设计以优化性能 快速迭代，可持续改进/快速实施来自装配线和生产线的反馈 快速响应对最终产品设计所作的变更 轻量化等优化可缓解操作人员和机器人的疲劳 通过按需现场生产进行高效的库存管理 逆向工程使固定装置的贴合精度更高，从而减少变形和回弹 工作流程解决方案和最佳实践 示例部件：发动机罩通风口的数控真空固定装置 技术：选择性激光烧结(SLS) 打印机：sPro 60 HD-HS 材料：DuraForm GF 功能：在修改注塑成型工具时，将发动机罩通风口固定在适当的位置以进行修改 后处理：喷砂处理、进行染色以便于识别 1. 增材制造设计提示 进行增材制造设计(DfAM)时，要考虑的事项通常取决于制造辅助工具的功能和要求，以及您想要整合的特征。但是，无论您如何具体使用夹具、固定装置、抓手、装配辅助工具，许多指南都广泛适用。如前所述，如果从一开始就以增材制造设计原则指导您的决策，则可显著提高效率和质量。 优化工件夹持的逆向工程固定装置 经过优化的接触面：基于基准CAD建造的完全随形曲面的使用效率很低。并非所有曲面都会接触部件，因此夹紧部件时会对部件施加额外的应力，并且从固定装置中取出部件时更有可能产生回弹。受制造流程的影响，实际部件可能与基准数据不同，但使用扫描数据可带来切实的好处。扫描到CAD通常是逆向工程工作流程中最耗时的一个环节。不过，在设计固定装置时，您可能只对组件的特定特征而不是整个几何形状感兴趣。您必须确定定位和固定部件所需的固定装置曲面。请看右侧的数控固定装置，其中需要四个相对简单的曲面有效地夹紧部件。 上图：根据扫描数据与基准数据的对比情况，在修改注塑模具的同时，也会将此汽车发动机罩通风口的数控固定装置用于组件修改。将接触面优化为一个主要区域和三个次要区域有助于加快扫描到CAD的流程，并确保固定装置上的材料安全。 夹紧真空系统：如果没有其他的夹紧方式，夹具通常需要通过真空夹紧到表面。增材制造可将制造辅助工具的关键功能（例如钻孔引导）与真空系统相集成，用于夹紧并清除气体、碎屑或灰尘。 真空集成的两个考虑因素： 仅对选定区域而不是整个表面进行真空夹紧，这样可加快扫描到CAD的速度，或有助于实现基于基准数据的设计和更有效的夹持。 必须夹紧较大表面时（例如为了从钻孔操作中清除碎屑和灰尘），可以设计截面更薄、更具适应性的真空夹具（例如带密封槽），从而使制造辅助工具更好地贴合工件。 上图：此钻床夹具结合了两个真空系统：其中一个将夹具夹紧在面板上，另一个实时清除钻孔过程中产生的灰尘和碎屑。夹具分为两个等级。较低等级的夹具体积轻薄，可灵活适应面板的形状。因此夹具能贴合面板，而不让面板变形。夹持力为90千克。第二种真空组件连接到车间真空系统，可有效防止操作人员接触碎屑和灰尘，同时确保碎屑不会转移到车辆的其他区域。 圆形图像所示为燕尾形凹槽和密封件，其有助于在使用后保留密封件。可以在设计阶段轻松集成这样的功能。 上图：在此数控固定装置中，仅4个选定区域采用了真空夹紧方式，4个垫子上的夹持力共为145千克。 整合特征 通过整合大量特征，可在设计阶段实现夹具或固定装置的设计意图，例如固定、夹持、钻孔或导向。这些特征将促进用户与夹具或固定装置的交互，并提高整体性能。 钻孔顺序将直接影响真空钻床夹具中清除碎屑和灰尘的效率，此信息会直接打印在夹具上 整合使用说明（防错系统）：增材制造支持多种将使用说明直接整合到制造辅助工具上的方法。3D打印的二维码支持快速访问可在数据库中不断更新的防错系统信息或标准操作程序(SOP)。 经过优化的用例说明也可以直接打印在固定装置上（例如钻床夹具上的钻孔顺序），从而最大限度地提高性能、提升除尘效率，或确保设备方向正确。 此二维码采用Figure…

众所周知，西门子已将采用LPBF工艺3D打印的涡轮叶片用于燃气轮机，这种比传统工艺更高效、更具成本效益的零件制造方式除了具有环境和成本优势外，还可以让制造商快速生产出更复杂、更节能的叶片几何形状。 然而，3D打印特殊的熔凝过程所产生的微观结构则限制了零件在高应力环境下的使用，高温蠕变性能是高温应用下的重要性能，对零件的寿命产生极大的影响。在冶金学中，蠕变是指金属在持续的机械应力和高温下发生永久变形的现象。研究人员研究了涡轮叶片3D打印的工艺和组织结构，发现3D打印会产生大小为数十至数百微米的细晶粒——一种特别容易发生蠕变的微观结构。 西门子采用激光3D打印涡轮叶片 麻省理工学院航空航天专业波音职业发展教授Zachary Cordero表示，“在实践中，这意味着燃气轮机的寿命会更短或导致燃油效率更低，这些都是代价高昂且不受欢迎的结果。” 3D打印技术参考注意到，麻省理工学院的研究人员于近期开发了一种新的热处理方法可以改变3D打印金属的微观结构，使材料在极端热环境中强度更高、更具抗蠕变性。该技术可以有望使3D打印的高性能叶片真正实现工业应用。 01新的热处理方法获得所需求的材料微观结构 新的热处理方法实际上是一种定向再结晶的过程，该工艺已成熟用于锻造材料。将3D打印的零件以精确控制的速度通过热区，材料的许多微观细晶粒将生长为更大、强度更高、更均匀的柱状晶粒。 在具体的操作过程中，研究人员将棒状高温合金的3D打印样品放置在一个室温水浴中，水浴放置在感应线圈的正下方。他们以不同的速度缓慢将每根棒从水中拉出并穿过线圈，将棒加热到1200-1245℃之间的温度。研究发现，在特定速度（每小时2.5mm）和特定温度（1235℃）下处理的拉伸棒会产生陡峭的热梯度，从而引发材料微观结构的转变。 定向再结晶实验装置 研究人员表示，“材料开始时带有位错缺陷，当加热时，这些缺陷会消失并重新配置，晶粒能够生长。通过消耗有缺陷的材料和更小的晶粒来不断拉长晶粒，这一过程被称为再结晶。”本质上讲，再结晶是晶粒的选择性长大和晶界竞争迁移的结果。 零件经热处理后，研究人员使用光学和电子显微镜检查了它们的微观结构，发现材料的打印态微观晶粒生长为柱状晶或被明显大于原始晶粒的长晶体状区域所取代，这意味着材料微观结构发生了改变。新的热处理方法可以将晶粒尺寸增加几个数量级，达到大量柱状晶粒，这在理论上将显著改善蠕变性能。 02材料微观结构影响和决定材料性能的重要因素 材料的显微结构是影响和决定材料性能的重要因素。3D打印技术参考通过查询相关文献注意到，定向再结晶动力学实验结果表明柱状晶可以直接从无织构的小等轴晶中长大，不同的热区温度对应着不同的抽拉速率范围和最佳抽拉速率，在最佳速率定向柱状晶将获得最大的长径比。 该团队表示，他们可以控制棒状样品的拉拔速度和温度，以调整材料微观结构的改变，从而创建具有特定晶粒尺寸和方向的区域。当柱状晶的方向与零件所受的最大应力方向对齐时，材料能够最大限度的抵抗蠕变。这种控制水平可以让制造商最终获得在特定位置具有特定微结构的涡轮叶片，这些微结构能够适应特定的工作条件。 西门子使用3D打印制造涡轮叶片热处理将使材料具有更高的热端寿命 研究人员计划在更接近涡轮叶片的3D打印零件上进行测试，同时也在探索加快拉伸速度的方法，以及测试热处理结构的抗蠕变性。研究人员设想，在不久的将来，燃气轮机制造商将在大型增材制造厂打印叶片，然后使用这种新的热处理方法对其进行后处理，3D打印的具有新冷却架构的叶片可以提高涡轮机的热效率，同时燃烧更少的燃料，最终排放更少的二氧化碳。 研究人员表示，这种热处理工艺为3D打印的燃气轮机叶片获得工业应用扫清了道路。 推荐文献：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103198 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.西门子能源：90台金属3D打印机、100种认证应用案例、400种零件进入批量生产 2.发动机涡轮叶片的传统与3D打印制造过程 3.研究人员使用SLM技术3D打印单晶纯镍及3D打印单晶热处理制度 4.华中科大开发出一种消除裂纹、同时提高强度和延展性的3D打印镍基高温合金热处理方案