在先进工程设计中，拓扑优化和点阵结构经常会被同时考虑。近年来，以nTopology为代表的场驱动设计概念使工程师能够实现更高的设计自由度。然而，如何正确使用各种场驱动设计方法却尚无定论。 基于面的点阵结构（如gyroids和其他TPMS结构）具有较高的比刚度，且非常适合增材制造工艺。此外，点阵结构还具有许多其他的性能优势，如较高的换热系数、较好的减震性能和易于控制的刚度。 利用点阵结构的这些优势，我们可以设计出比传统拓扑优化更优的部件。由于目前还没有太多文献清晰并定量地描述点阵结构的功能优势，本文介绍了一种优化点阵结构刚度的方法。 拓扑优化和点阵结构相结合的设计可以使零部件具有更高附加值。在本文中，雅马哈电机的研发工程师长本弘治介绍了如何有效地使用这两种先进的工程设计技术，并通过展示一些简单的例子阐述在实际设计和制造过程中应考虑的因素。 点阵结构分析工具 随着增材制造领域中3D打印技术的快速发展，增材点阵结构在航天航空、船舶、汽车、体育和医疗等行业得到了广泛应用，点阵结构作为一种新型的结构设计，除轻量化特点外，同时还具有优良的比刚度/强度、阻尼减震、缓冲吸能、吸声降噪以及隔热隔磁等功能性特点。 点阵结构及其应用 由于点阵含有大量复杂的微观结构，包括胞元类型和几何尺寸等参数，导致仿真计算工作量巨大，传统有限元分析已经无法适用。因此，经过多年的仿真计算积累和努力探索，安世亚太自主开发了一款专业用于增材点阵结构仿真分析的软件，即Lattice Simulation。 Lattice Simulation是一款用于增材点阵结构分析的工具，具有用户自定义和内置点阵结构设计两种方式，已集成在ANSYS add-in扩展工具中。基于多尺度算法，用户可以采用等效均质化技术对点阵结构进行有限元分析。并且提取非均质化点阵结构的等效材料参数，在均质化等效实体模型宏观力学分析后，可以通过局部分析对胞元结构进行详细的应力校核。 Lattice Simulation仿真分析流程 Lattice Simulation提供增材点阵结构在有限元仿真中涉及的相关分析功能： 均质化分析：基于胞元结构类型及在空间上的周期排列特性，进行均质化计算，提取等效实体的材料力学特性。 宏观分析：采用均质化分析得到的等效材料数据，并对等效实体点阵结构进行力学分析，校核点阵结构刚度性能。 细观校核：考虑胞元外部边界条件（采用应变加载），对其进行详细的应力分析，校核点阵胞元结构强度性能。 Lattice Simulation典型案例 （1）某点阵结构支架仿真分析 （2）某点阵轻量化结构分析 （3）某压力容器优化设计 案例演示-梁的优化 我们通过一个简单案例来展示nTop设计工具的功能优势。假设有一根载荷均匀分布、两端固定的铁梁。 1、拓扑优化 首先，基于变密度方法进行拓扑优化。设置相对密度阈值为ρ = 0.5并输出形状。然后使用 nTopology 中的Smooth Body模块块进行。此时零件体积为3990 mm^3 接下来，我们通过静力学分析确认拓扑优化形状的刚度。我们使用与拓扑优化步骤相同的负载和边界条件设置参数。承载方向的最大位移为 2.152e-2 mm。 2、基于拓扑优化的功能梯度点阵结构 最后，我们将拓扑优化结果与功能梯度点阵结构的刚度进行比较。 在检查点阵结构时，我们采用了“壳和填充（shell and infill）”方法。该结构由外壳和内部点阵结构组成。这是一种仿生学设计，类似于骨骼结构，以提高刚度。 下图显示了一种典型的结构。在这个案例中，拓扑优化阈值设置为 0.4，外壳厚度设置为 t = 0.6 mm。我们使用gyroid单胞，大小为3mm。 gyroid单胞的厚度由拓扑优化的中间密度控制（使用nTopology 中的Ramp模块），在承载较高的部分，厚度逐渐从0.25mm增加到1.57mm。最终的体积几乎与传统拓扑优化获得的体积相同。 结构的刚度分析结果表面，承载方向的最大位移为 2.008e-2mm。通过对比传统拓扑优化的结果，我们可以看到刚度提高了约7%。 设计考虑因素 下面是一些实际应用中的设计和制造考虑因素，可以帮助我们扩展这个简单的结构模型，并将其用于其他案例中。 1、自动参数优化 点阵结构的刚度性能取决于许多设计参数：拓扑优化密度阈值、选定的点阵单胞、细胞大小、杆的直径、外壳厚度。 参数优化的作用是找到它们的最佳组合。nTopology具有command-line接口 （nTopCL），可以与modeFrontier等工具连接来执行优化计算。 2、模拟结果与实际产品的偏差 模拟结果表明，点阵结构具有优越的比刚度。然而在现实中可能会出现一些偏差，导致制造零件的刚度不同于分析的结果。这种差异主要是由增材制造过程中的内部缺陷引起的。 这种偏差在基于面的点阵结构（如gyroids和其他TPMS结构）中尤为明显。研究表明，SLM方法制造的测试件的实际刚度约为分析结果的30%至56%。 因此，有必要修改设计，以处理制造偏差问题，以确保实际产品的刚度。一般采取的措施是通过提高相对密度，以及更严格的质量控制减少制造过程中的缺陷。 3、拓扑优化是否是最正确的工具？ 关于计算方法，一些研究人员指出虽然基于变密度方法的拓扑优化提供了较为合理的结构形式，但从数学上讲，它并不严格正确。随着先进的工程设计工具和增材技术的发展，现在可以设计和制造密度介于0到1之间的区域密度。因此，可能需要基于同质化方法的拓扑优化算法，从而获得真正最佳的解决方案。 nTopology隐式建模公开课 本文通过一个简单的示例表明，我们可以将拓扑优化和点阵结构相结合，创建具有更好刚度性能的结构模型。 因为基于面的点阵结构具有较高的比刚度，同时可以体现中间密度单元的可重复性，所以我们可以创建一个比变密度拓扑优化方法更好的结构。预计在不久的将来，上述DfAM技术将用于在各行业，设计出更多的创新产品。 这主要归因于设计工具的发展，比如nTopology，工程师可以快速设计出这种复杂的点阵结构。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.考虑工艺约束的3D打印自支撑晶格用于中国新型超轻航天器结构 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.中科院研究：晶格结构的性能差异，材料、3D打印与传统加工工艺 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

近日，传热专家Conflux Technology宣布推出其首款热交换器3D打印产品——一款优质、可扩展、可配置、超高性能的水增压空气冷却器，其性能相比传统产品大大领先，适用于赛车运动和高端汽车市场。Conflux针对特定客户的要求进行配置，并以性能、有竞争力的价格和快速交付为突出特色。 建立在Conflux 先前的热交换器研发的基础上，其水增压空气冷却器旨在冷却进入用于增压某些汽车发动机的涡轮增压器的空气。据称，利用3D打印技术，该公司不仅能够优化设备的重量和性能，还能够扩展其尺寸，使其能够融入高端汽车制造商的现有设计。 与领先的微管相比，Conflux 的水增压空气冷却器的核心体积减少 15%，空气侧压降减少24%，冷却剂压降减少82%，湿重减少39%，干重减少31%。 传统制造无法实现的复杂几何形状和微观特征推动了3D打印热交换器的发展，翅片和薄壁设计可适应整个热交换器中不断变化的流体动力学。通过在通道内添加或减少翅片和混合结构来改变表面积密度可以微调性能，并且由于向热交换器供应流体的管道是圆形的，因此环形设计确保整个交换器的流动均匀。同时，通过优化流体分布和流动的整体设计增强了堆芯内部的高表面积与质量比，每单位重量或体积提供更多的热交换。 更薄、更精简、高性能 热交换器的性能随着壁的变薄而提高。薄壁允许在不增加阻塞的情况下增加表面积，或者在不增加压降的情况下保持表面积并减小零件尺寸。薄壁也意味着较低的零件质量，这是许多客户的关键考虑因素。激光粉末床熔融技术可以制造厚度不到1mm的薄壁结构，使热交换器的性能提高成为可能。 环形设计的复杂几何形状给仿真带来了沉重负担，在软件性能和计算能力方面造成了另一个瓶颈。考虑到SLM技术制造零件的表面粗糙度，工程师需要准确预测结果，特别是给定几何形状的压降。表面粗糙度通常通过增加混合和表面积来提高传热性能。然而，在小的特征距离处，它会增加压降。3D打印技术参考也曾介绍过当前该技术制造零件所存在的固有缺陷将对热交换器的性能产生影响。 工程师通过从其他热交换器的测试中建立一个大型相关数据库来实现预测的准确性，然后将这些数据带回模拟以查找结果之间的差异。这种方法能够模拟优化基本核心设计，并确保与实际结果密切相关。 环形热交换器制造成功的关键 3D打印技术参考了解到，环形热交换器制造成功的关键还在于创建可靠的参数集、3D打印工艺配置，以实现一致的厚度和气密结构。使用SLM技术，粉末残留不可避免，鉴于圆环的复杂几何形状，需要找到一种方法来完全去除，否则残留粉末会阻碍流体流动。 热交换器的性能是通过两个流体通道之间的热传递来衡量的。无论是冷却还是加热流体，出口温度都会量化热交换效率。目标是满足尽可能高的热交换和尽可能低的压降，以最大限度地提高性能。 除了热交换和压降之外，制造最小、最轻的部件在工程中通常非常重要，特别是对于赛车运动和其他要求苛刻的应用。 注：本文内容来由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.3D打印复杂结构热交换器并将其一分为二 3.美国家增材创新中心：借助衍生式设计平台能创建出怎样的高级热交换器 4.3D打印的固有制造缺陷使其还无法完全替代热交换器的传统制造技术

液体火箭在工作过程中，会将推进剂燃料通过喷注器推进入燃烧室，通过雾化、混合、燃烧，产生高温高压燃气，将化学能转化为热能，再转化动能，产生推力。燃烧室喉部燃烧温度高达3500℃，内壁温度超过1000℃，任何金属材料在此温度下都已接近熔化，而且材料还要经受腐蚀性高压高速燃气的侵蚀。 为了有效的将热量导出，正常发挥效能，推力室的结构设计和材料选择就非常重要。液氢液氧火箭发动机推力室采用再生冷却式结构，结构由内、外两层壁构成冷却夹套，约有360个冷却槽。发动机工作时，内衬一侧为高温燃气，另一侧为装载液氢液氧的冷却管道，通过液氢液氧降低火箭发动机燃烧室内壁温度保持在熔点以下，以保证材料能正常服役。推进剂组元流经冷却套冷却壁面，自身受热升温后流出冷却套，再经喷注器进入燃烧室，使通过内壁传出的热量又回到燃烧室得以“再生”，故称再生冷却。 推力室再生冷却结构形式多样，随着发动机技术及制造工艺的不断发展，推力室从最早的双层夹壁结构发展到变直径、变厚度的管束式结构以及波纹板钎焊夹壁结构，然后采用锆铜合金铣槽内壁、电铸或钎焊成形的外壁结构，使得推力室推力逐渐增大。 再生冷却推力室 推力室制造工艺经历了由钎焊发展到内壁沟槽结构的数控铣切、外壁电铸镍以及管束式液压填充冲压成形和高温真空钎焊等制造技术，使推力室内壁的冷却效果逐步提高。在工艺选择上，欧洲火神系列低温发动机的推力室采用在铜内衬上铣削冷却通道，然后用电铸工艺覆盖通道，而俄罗斯是用钎焊工艺密封通道。美国和日本除采用整体结构之外还采用管状结构，如冷却结构是由液压形成和捆扎管组成，电铸或钎焊技术覆盖冷却通道用做承受载荷的附加装置，这点与俄罗斯和德国相同。 神州十四号发射 如上文所述，传统的推力室再生冷却结构制造工艺看起来很细致，同时又很复杂。其制造过程动辄数月甚至更长时间，并且容易导致不同部件的质量水平不同。高昂的制造成本以及漫长的等待时间让航天发射对增材制造的关注越发迫切。 2015年，NASA通过3D打印制造了第一台全尺寸的火箭发动机；2017年，私人空间探索公司Aerojet RocketDyne发布SLM制造的RL-10火箭推力室；2018年，航天初创公司Launcher成功发射EOS为其打印的火箭发动机，2022年4月，Launcher 3D打印的E2火箭发动机完成新一阶段测试；2019年2月，欧洲航天局ESA完成了全尺寸3D打印火箭引擎的第一次试运行；此外，NASA在RAMPT的项目支持下，采用激光能量沉积3D打印技术制造了直径1米、高度0.9米的一体化冷却通道推力室。 采用3D打印制造带有复杂冷却流道的推力室，同时满足了对复杂设计、低成本和快速交付的要求。采用多种优化的材料和增材制造技术相结合生产火箭推力室，体现了3D打印的巨大生产优势。它将推力室的制造时间由数月缩短到了几周甚至几天，而且对于制造满布冷却流道的结构更具优势，成本也具备经济性。航天部门无法拒绝它兼具效率和经济性的制造特点，而一系列的测试也将其安全性不断向前推进。 关注视频号了解最新技术应用注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext解锁增材智造新技能！ 2.视频：国家增材院10米超大型铝合金火箭连接环3D打印制造技术 3.美军工商将3D打印用于最新高超声速武器和新型太空发动机关键部件制造 4.为大型、重型3D打印零件自动清粉，国产解决方案比人工省时90%

2013年，麻省理工学院Skylar Tibbits等人首次提出了4D打印的概念，即在3D打印的基础上增加了时间维度，使三维物体的形状、功能等特性能够响应外部刺激而随时间发生变化。顾名思义，微纳4D打印是一种将微纳尺度3D打印技术与智能响应材料结合，用于制备亚毫米直至纳米级的刺激响应动态器件的先进制造技术。从宏观到微观，由于物理尺度的急剧缩小，微纳器件对外部刺激的响应形式、响应程度和灵敏性等都展现出与宏观器件的显著差异，因此这一新兴领域受到了研究人员的广泛关注。华中科技大学熊伟教授课题组面向微纳4D打印领域，从刺激响应类型的角度出发，综述了该领域的最新研究进展，展示了微纳4D打印技术的部分应用，并对该领域的发展进行了总结和展望。 微纳4D打印致动方式 1)磁响应磁响应因具有穿透能力强、驱动距离远和可控性好等优点被广泛应用于微纳机器人的驱动和控制。近年来，随着材料成型和磁场控制技术的进步，利用磁场实现结构形变成为一个新的发展方向。这种磁致形变过程中结构受到外加磁场的非对称磁矩作用，自身产生形状改变，赋予了磁响应器件更多的控制维度，如图1所示。 图1 磁致形变微结构。（a）单向磁场驱动的仿生纤毛微型机器人；（b）预编程的纳米磁性微型机器人在特殊的磁场序列下产生的形状变化 2)溶剂响应 微纳4D打印得到的结构通常工作在液体环境或在液体环境下制备而成，溶剂环境本身会对微结构产生直接影响，近年来也有一些科研人员针对4D打印的微纳结构在不同种类溶剂中所引起的响应进行了研究。由于聚乙二醇链与水分子间的氢键作用，聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶展现了水/空气环境下的溶胀/消溶胀特性。2019年华中科技大学邓春三等人基于PEGDA复合水凝胶，通过双层结构的不对称性实现了水环境下仿生含羞草、六叶花瓣微结构的可控形变，如图2所示。 图2 水环境下仿生微结构六叶花瓣和含羞草结构的可控形变 单一溶剂控制微纳结构的形状转换往往会限制其适用范围和功能多样性，而一些丙烯酸酯类聚合物在具有不同Hildebrand溶解度参数的溶剂中可以呈现不同的溶胀响应状态。据此，2019年吉林大学Zhang等人基于双重编程的飞秒激光直写技术设计并制备了在丙酮中溶胀、正己烷中收缩的刺激响应性结构。 3)pH响应pH刺激响应微纳致动在微纳4D打印中具有毫秒级的高响应速度和优异的致动幅度等优点，pH变化诱导结构形变的主要原因是材料中的羧基在酸性溶液中的去离子化或在碱性溶液中的离子化引起了聚合物链静电力，从而实现了体积的膨胀或收缩。 图3 基于可控微关节结构的4D打印仿生微爬行器 2020年，北京大学Huang等人基于飞秒激光直写技术实现了微型笼、微型伞等可重构复合微机械的4D打印。进一步，该课题组提出了模块化微积木组装的4D打印方式，并实现了蜂窝状、卷状和波浪状等复杂三维结构的原位pH响应致动。在原位运动的基础上，该课题组通过对结构关节进行功率密度编码，构建了以尺蠖为原型的仿生微爬行器，实现了二维平面内的爬行运动，如图3所示。4)温度响应温度刺激响应因具有候选材料众多、温度场控制简便等优势而被广泛研究，是目前应用范围最广的一类物理刺激形式。根据响应原理的不同，现有基于温度响应的微纳4D打印的工作可分为以下三类：水凝胶相变、液晶相变和材料热膨胀形变。 图4 温度响应微结构。（a）水凝胶致动器折叠和展开；（b）液晶弹性体的双臂梁旋转；（c）金纳米晶/钛块体材料弯曲变形 水凝胶相变的典型材料是聚异丙烯丙基酰胺（PNIPAM）。在相变临界温度以下时，PNIPAM分子链上的酰胺基与外界水分子存在氢键作用，体系吸水膨胀；在相变临界温度以上时，PNIPAM分子链上的异丙基起主导作用，凝胶表现为疏水性，体积收缩。而液晶弹性体的相变原理不同于水凝胶，提高温度将会使液晶分子由有序的液晶态转化为无序的各向同性态，在液晶指向矢的方向收缩，垂直于指向矢的方向膨胀。材料热膨胀性质的不同也可以诱导温度刺激响应。典型如双层梁结构，加热一对具有不同热膨胀系数的薄层粘接结构可使带状结构弯曲形变，如图4所示。 5)光响应利用光诱导4D打印结构进行致动是近年来一种新兴的控制手段，光响应以其高精度、多参量可调等优势迅速成为微纳4D打印领域的研究热点。光刺激响应通常是利用光束精准激发材料的物化效应来诱导结构致动，常用的有光热效应、光化学效应、光电效应和光学力等。光热效应诱导4D打印结构致动是光响应中一种常见的控制方式。通常研究人员加工出具有交联密度梯度的聚合物结构，然后以激光作为热源精准地加热材料诱导结构致动。在聚合物材料中掺杂碳纳米管、金属纳米颗粒等功能性材料可有效提高光-热转化效率，缩短响应时间，如图5所示。 图5 光响应致动微结构。（a）光热响应致动微结构；（b）掺杂Fe3O4纳米颗粒的水凝胶微致动器近红外光响应 光化学效应也是光响应中一种常见的控制方式，通常被应用于掺杂偶氮苯染料的液晶弹性体材料。通过紫外光辐照，偶氮苯发生反式-顺式的异构化反应，带动液晶分子从有序的液晶态转化为无序的各向同性态，从而引发液晶弹性体发生形变。近年来报道的一些新颖的光响应致动微纳器件，例如由光电效应激发新型的表面电化学致动器，以及由马兰戈尼效应与光热效应联合驱动的透明水凝胶致动器等。上述器件所展示的控制方法与机理进一步丰富了光响应的控制维度，增强了光响应的致动性能，拓展了光响应的应用范围。 微纳4D打印技术的应用 近年来涌现的新型驱动方式实现了微纳器件更为高效复杂的形变，推动了微纳4D打印实用化的进程。 图6 微纳4D打印技术的应用。（a）用于靶向药物递送的微型载药小鱼；（b）仿生四足微步行器；（c）可调焦距与视场的人工复眼结构 在生物医学领域，可以在外场作用下实现细胞运输、靶向药物递送等功能；在微机械领域，可以实现步态行走、蠕动等仿生运动以及目标识别抓取、转运等功能性操作；在光学领域，可实现可调谐环形谐振器、可调焦距与视场的人工复眼等结构，如图6所示。 总结与展望 微纳4D打印是目前最契合动态响应微纳器件需求的一项先进制造技术，丰富的材料体系和多样化的控制手段，在生物医学、微机电系统、柔性电子、可重构表面和超材料等众多前沿领域都有着巨大的应用前景，因此发展微纳4D打印技术具有重要意义。综上所述，微纳4D打印在动态响应微器件的开发上展现了巨大的应用前景，同时也存在着巨大的挑战。未来的研究可以从以下几个方面进行突破：1）发展更高精度和更高效率的微纳加工方法；2）开发高性能、良好生物相容性的响应性材料；3)发展和优化多维度驱动控制手段，实现更高效、更精准的个体控制以及更智能化的集群控制；4）强化从实验室研发到实际应用场景的衔接，实现微纳4D打印技术的落地应用。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.清华智造大讲堂：史玉升教授——从3D打印到4D打印 3.4D生物打印是噱头吗？看4D Biomaterials创新材料4Degra的应用 4.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域

再生医学植入物科技公司3DBio Therapeutics昨日在一份新闻稿中宣布，已经有医生成功将一个由人类细胞制成的3D打印耳朵移植到一名天生患有罕见耳畸形的妇女身上。这次移植是该技术首次临床试验的一部分，它的成功标志着组织工程向前迈出了一大步。 "如果一切按计划进行，这将彻底改变器官移植的方式，"领导团队进行该手术的耳朵重建外科医生Arturo Bonilla告诉《纽约时报》。 每年在美国出生的约1500名婴儿患有小耳症，这是一种一侧或双侧耳朵发育不全或完全缺失的疾病。3DBio Therapeutics公司正在进行一项临床试验，有11名参与者在测试其AuriNovo耳朵，这是一种个性化的组织植入物，用于替代这些患者的缺失耳朵。 通常情况下，小耳症患者的耳朵由肋骨移植或合成材料制成。相反，这个实验过程包括从患者现有的耳朵上取下活体组织，取出软骨细胞。然后，这些细胞被培育并3D打印成患者耳朵的形状。该公司告诉《纽约时报》，在患者的一生中，耳朵会不断地再生软骨，而且由于是由他们自己的细胞制成的，所以不太可能出现排异反应。 2022年是器官移植技术进步的重要一年。今年1月，医生为一名患者进行了猪心移植手术，尽管该患者几个月后就去世了。还有研究小组正在研究3D打印的肺和3D打印的血管。3DBio Therapeutics公司的高管表示，未来他们发展的技术有可能打印出其他身体部位，如鼻子和肩袖，并最终打印出肝脏和肾脏等复杂器官。 "耳朵比内脏器官要明显来得更简单，而且与肝脏不同，并不是维持人的生命所必需的，所以走向这个潜在的未来将是一条漫长的道路。"卡内基梅隆大学生物医学工程和材料科学与工程教授亚当-费恩伯格告诉《纽约时报》："但如果你有了耳朵，这就更现实了。" 注：本文内容来自cnBeta.COM 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.4D生物打印是噱头吗？看4D Biomaterials创新材料4Degra的应用 3.上海九院郝永强教授：生物医用3D打印临床应用痛点及应如何落地 4.重磅：上海九院首创新型生物3D打印技术，全球仅临床3次，均在中国

Aerospike发动机，又称气动塞式火箭发动机，可以说是为火箭单级入轨而生（单级入轨：是指从地面起飞并能加速到第一宇宙速度直接把有效载荷送入轨道并返回地面可重复使用的单级火箭），能够在高海拔范围内保持效率。使用气动塞式发动机的飞行器可以在低空飞行时节省25-30%的燃料。然而，迄今为止，虽然有一些大规模的气动塞式发动机正在测试，但还没有商业化生产。 Aerospike发动机可以说是一种高效的新型火箭发动机，它的长度只有常规钟型火箭发动机的四分之一，重量只有航天飞机一个主发动机的三分之二。由于喷嘴的独特设计，排气气体总是最优化地膨胀。也有研究指出，与目前使用的喇叭形喷嘴相比，这种独特的性能使效率提高了15%。换句话说，只需要少15%的燃料就能将同样的质量送入轨道。 澳大利亚陆军3D打印的 In718 Aerospike发动机 3D打印技术参考查询资料发现，自20世纪50年代第一次提出气动塞式发动机理论以来，其一直是火箭科学家追求的“圣杯”，但没有一个曾经成功飞行。美国国家航空航天局、美国空军和Rocketdyne在20世纪50年代、60年代和70年代总共花费了5亿多美元开发气动塞式发动机，并在80年代和90年代进行了数十次热火测试，然而由于各种原因，项目都被取消。制造方法是重要的限制因素，此外，制造这种发动机的成本非常高，对制造方法硬件的可靠性要求很高。 近年来，一些研究机构和商业航天公司采用金属3D打印技术设计制造了具有再生冷却系统的Aerospike发动机，3D打印大大降低了成本，同时赋予了更多设计自由，成功制造了以前无法制造的结构。 3D打印的Aerospike 发动机的结构 2017年，来自澳大利亚的莫纳什大学的工程师团队在短短四个月内成功地完成设计、3D打印、组装和测试了Aerospike发动机。 2021年 11 月，欧洲小型运载火箭初创公司Pangea Aerospace宣布成功测试了一种小型的由甲烷和液氧驱动的Aerospike发动机，该发动机采用NASA开发的GRCop-42铜合金3D打印，由Aenium公司提供制造服务。 Pangea Aerospace开发的3D打印Aerospike发动机 2022年5月，3D打印技术参考获悉EOS与 Hyperganic合作，通过计算机算法和人工智能创建了一件结构极其复杂的Aerospike火箭发动机。EOS 分别使用M400-4和AMCM M4K系统打印了IN718和铜合金的Aerospike火箭发动机，发动机高80厘米。 EOS与 Hyperganic合作创建的Aerospike火箭发动机 发动机细节部分 发动机细节部分 通过展示可以看出，这款发动机的结构极其复杂，具有大长径比的薄壁、蜂窝点阵及再生冷却流道。两家合作伙伴都表示，将这种设计复杂性与这种规模的可靠打印能力相结合，将推动新的创新。 气动塞式发动机是火箭推进领域的巨大进步，但其结构通过传统制造技术很难构建，通过3D打印技术，可以创造复杂的几何形状，包括机加工容易形成干涉的部位通过3D打印技术可以得到有效的解决。3D打印自由制造的特点为该新型火箭发动机的研究与制造掀起了新的热潮。 关注 视频号 了解最新技术应用 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext解锁增材智造新技能！ 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.拜登打卡以采用SLM 3D打印大尺寸金属部件著称的Sintavia，及新政策启示 4.增材制造路线图：迈向智能化、信息化和工业化

Relativity Space是一家大规模使用先进3D打印技术制造火箭的民营航天公司，3D打印技术参考获悉，该公司的全3D打印火箭——Terran 1，将在几周后迎来夏季首飞。 发射前的测试已于上周结束，火箭将于5月31日从加利福尼亚州长滩运至佛罗里达州卡纳维拉尔角的发射场。距离其最初的目标发射日期，该项目已晚了大约18个月。 Terran 1又被国内称为人族1号，用于将1000公斤的有效载荷送入轨道。首次发射是为了演示目的，不过Relativity Space已经与美国宇航局和国防部的创新部门签署了后续发射合同。 Relativity Space正在开发的Terran R火箭，是一款高65米、全3D打印的两级运载火箭，能够发射20倍于Terran 1号的有效载荷，使其对于运输商业级卫星等重型货物更具吸引力。3D打印技术参考了解到，Terran R还具备重复使用能力，预计在2024年完成该火箭的研发和初样生产。 该公司的员工人数在过去两年中增长了五倍，达到近800人，该公司表示已经筹集了13亿美元。根据Pitchbook的数据，截至大约一年前的最后一轮融资，该公司的市值为42亿美元。 3D打印技术参考此前曾介绍，Relativity Space开发了世界最大的“Stargate”的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。依赖智能数据驱动和机器学习控制算法，该打印机可协作进行增材和减材加工以制造复杂几何形状。 Relativity Space分别拥有若干台可以打印15英尺（4.5m）、20英尺（6m）甚至30英尺（9m）的“Stargate”的3D打印机，可同时打印第一级和第二级火箭以及整流罩。 尽管火箭通常由数千个单独的零件组成，但Relativity Space公司设计的零件却合并了一些部件，他们的火箭零件数量是同类火箭的零件数量的1/100（Terran 1火箭只有730个零件）。目前，Relativity Space可以在30天内打印出整个整流罩，能够在短短60天内生产出整枚火箭。 如今，航天发射市场竞争异常激烈，SpaceX、Rocket Lab、Virgin Orbit、Astra Space、Blue Origin、Launcher等都在这一赛道争奇斗艳。Relativity表示，其3D打印生产能力，可以比竞争对手更快地制造火箭和发射客户有效载荷，其90%以上的火箭部件采用3D打印，与传统制造方法相比大为降低了成本。 关注 视频号 了解最新技术应用 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.中科宇航“玄鸢一号”3D打印20吨级火箭发动机长程试车成功 3.深蓝航天3D打印整机制造火箭发动机搭载试验箭完成「公里级起降回收」 4.中国民营航天星河动力将3D打印技术用于火箭发动机制造

近十年来，金属增材制造不仅是增材制造行业中增长最快的领域，在可预见的未来，它还会继续快速增长。以PBF（粉末床熔融）和DED（定向能量沉积）为代表的两大类“传统”金属增材制造技术随着工艺的成熟、自动化程度的提高，似乎即将进入爆发式的规模化应用阶段。随着融合了PBF、DED和CNC的增减材复合制造的应用市场不断扩大，全球大型传统机床制造商开始将金属增材制造视为下一代关键的制造技术。在这一切正在发生的同时，一些新工艺似乎也在以更为颠覆性的方式革新我们所认知的3D打印技术。例如，所谓的区域金属3D打印正在突破激光逐点扫描的对速度的限制，无支撑金属3D打印则进一步突破了对设计复杂性的限制；材料喷射和基于光刻的金属3D打印工艺在超精密零件生产方面有特殊优势；粘结剂喷射工艺则将金属3D打印提升到批量制造的水平；由冷喷涂、搅拌摩擦焊以及超声波焊接发展起来的新3D打印形式在多材料、大尺寸零件制造方面充满潜力。 大量金属增材制造新技术、新工艺正在不断地开发出来，这使得金属增材制造市场呈现出日益多样化、生机盎然的景象。本期，3D打印技术参考着重介绍这些新的工艺形式，其中很多种国内尚未有研究进展。 传统激光粉末床熔融技术的新发展 所有金属增材制造技术中，PBF的工业化应用研究最多，工艺的标准化和成熟度也最高。经过近十年的增材制造服务商的代工生产，PBF技术已经证明了其可以使用最多种类的金属合金。今天金属PBF技术虽然已经实现了高度的自动化，但是仍然存在许多挑战：一是新建PBF增材制造生产线需要很高资本投入；二是金属增材制造零件的质量保证和过程有效监控还缺乏有效手段；三是可用的金属粉末原材料成本还比较高，成形件支撑结构的去除和表面抛光等后处理过程费时且难以实现自动化。 除了金属PBF技术的传统领导者，如EOS、SLM Solutions、3D Systems和GE Additive，目前还有一些初创公司正在不断开发新的、有效的金属PBF工艺，如荷兰Additive Industries开发了一种多工位模块化集成的PBF激光增材制造设备，提高了自动化程度。 作为粉末床金属3D打印工艺的重要形式，面区域金属3D打印与无支撑金属3D打印备受瞩目。 面区域金属3D打印通过光学设计，将200多万个激光点融合为一束激光，每个激光点的能量均可以通过切片图像的像素设计控制能量，一次可以实现2×2mm甚至15×15mm的区域曝光熔化，此举大大提高了成型效率。该技术的代表企业为美国Seurat公司，据3D打印技术参考了解，国内某知名金属3D打印制造商也在开发工艺。 而无支撑金属3D打印，通过非接触送粉、变化的能量输入以及实时反馈机制实现了相比传统SLM技术更大倾角的无支撑打印。该突破对于制造更为复杂结构的零件至关重要，因此尤其被航空航天制造商所看重。该技术的代表企业为美国Velo3D公司，国内尚无公司进行对标技术的开发。 作为粉末床金属3D打印技术的另一条赛道，增减材技术的发展似乎并未达到预期中的革命性发展。Matsuura和Hermle两家公司此前推出了增减材一体的PBF激光增材制造设备。 有热源制造大尺寸、多材料零件的金属3D打印工艺 DED金属增材制造技术是使用激光束、电子束、电弧等能量源熔融金属粉末或线材，逐层制造、累积成形的一类技术（LENS、EBAM、WAAM）。这类DED技术通常还需使用CNC对成形件进行切削加工，以获得具有较好精度的最终零件。 这种增减材复合工艺比单纯的CNC或金属3D打印成形效率要高很多。除了成形效率方面的优势外，最重要的是这些增减材复合工艺还能制造长度可达几米的超大型金属承力结构零件。DED金属增材制造技术与成熟的数控机床系统相结合，能够通过整合工艺流程，大大提高制造自动化程度和生产效率。 多种增材工艺结合以及将增材工艺与传统制造工艺结合，制造出多材料部件，已经成为这些手段的重要应用形式。NASA已经采用选区激光熔化、DED并配合CNC技术制造了铜-镍复合的双金属材料燃烧室。 从事该工艺的企业主要分为两大类：一类是采用增减材复合制造的传统的高端机床制造商，另一类是开发新的DED技术的初创公司。DMG Mori、TRUMPF和Mazak是从事该技术开发传统制造代表企业。另一方面，Sciaky、BeAM和Optomec则是首批开发和应用DED技术的增材制造公司，Sciaky是唯一一家使用电子束焊接进行金属增材制造的公司，Norsk Titanium在该领域已经取得了重要成就。 无热源制造大尺寸、多材料零件的金属3D打印工艺 固结是粉末冶金行业中的常用术语，是指将合金粉末预成形的毛坯进行压制、烧结、锻造或热等静压等处理获得高密度的零件毛坯的一种制造工艺。金属固结增材制造技术(Metal Consolidation)是指在室温下使用各种能量形式（如超声波、摩擦、高速喷射等）将金属粉末、线材或薄膜逐层固接、累积成实体的一类增材制造技术。这类技术的优点是能够高效地制造多种类的金属合金零件。此类技术中最早开发出来的是超声波焊接增材技术，它使用金属箔材料，工件在一定的压力下将弹性体振动能量转变了工件间的摩擦功、形变能以及有限的热能，从而在不发生熔化的状态下实现箔材料间的冶金结合。金属超声波焊接增材技术的优点是能够适用于各种金属材料的焊接增材、且焊接过程无高温污染、无损伤缺陷等，但是由于焊接功率随着箔材厚度增加将呈指数级剧增，因此主要用于丝、箔以及小型零件。 搅拌摩擦增材制造的基础是搅拌摩擦焊技术，它利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。这样的焊接方式没有经过金属的熔化与凝固，只是经过塑性软化和轴向的挤压，连接处在材料性能上存在一定的优势。 喷射沉积固结（冷喷涂）也是金属固结增材制造技术技术中较常见的一种，它将金属粉末以超音速喷射、沉积在基材表面，从而实现逐层制造。这种方法的关键优势在于能够快速、较低成本地生产大型金属零件，且可使用非球形粉末，制造多材料金属零件。 目前世界上开发实用的超声波焊接和摩擦焊接增材制造技术只有两家外国公司。Fabrisonic公司的UAM技术(超声波增材制造)主要应用航空航天，该公司的部分资金来自美国宇航局喷气推进实验室(JPL)。MELD是一家具备摩擦焊接增材制造技术的制造性企业，能够提供增材制造服务或摩擦焊接增材制造设备。喷射沉积固结技术，可能是目前冷固结工艺中应用最广泛的工艺，它最初是由两家澳大利亚公司SPEE3D和Titomic推出，前者专注于铜和铝等材料，而后者几乎完全专注于钛及钛合金。最近德国Hermle、美国GE Additive也都在内部开发冷喷涂增材制造制造系统。 基于烧结的粘结剂喷射、挤出及光固化金属3D打印工艺 依赖于烧结成形的金属3D打印技术已经成为金属增材制造技术一个重要门类，它使用聚合物材料将金属颗粒粘合在一起、然后再烧结成形最终部件。在具体的工艺形式方面，包括粘结剂喷射以及将掺有金属颗粒的丝材挤出和浆料光固化的工艺。 粘结剂喷射工艺，被认为是一种最有可能的规模化、数字化、低成本的金属增材制造技术。该公司所使用的的材料可选择传统注射成型的金属粉末，相比基于激光的粉末成本更低，以面成型的工艺特点极大提高了打印效率，初始无热源的成型方式使其在复杂零件制造方面也显优势。但该技术未获得广泛应用的主要问题是零件质量，特别是与最终应用相关的后烧结变形、开裂以及力学性能，在面临最终应用时存在挑战。 在金属粘结剂喷射技术领域，ExOne是唯一取得较大规模商业化应用的金属增材制造公司。虽然ExOne是该技术的早期领导者，但该技术的规模化应用最近才开始显现，如今ExOne已被Desktop Metal高调收购，引领了该技术的快速发展。惠普（HP）和通用电气(GE)这些国际大型公司也在前几年前进入了该领域，并在批量化、规模化应用方面取得了较大进展。 采用材料挤出和光固化成形技术的增材制造公司也能使用低成本的丝材或浆料来制造金属零件，国际化工巨头BASF因此开发了适用于该工艺的金属丝材。金属材料挤出工艺适合于制造工装、夹具以及零件原型，目前已在汽车领域获得应用。从事该技术的知名公司有Desktop Metal以及国内的Raise3D、纵维立方等。 基于光固化的金属3D打印，根据光聚合原理生产高精度零件生坯，其原料为金属粉末和光敏聚合物的混合体。通过掩模曝光，可以精确快速地成型整个层面，聚合物粘结剂选择性的在局部交联，将金属粉末粘结在一起。打印完的生坯经历脱脂和烧结后可以形成致密化的零件。这种制造方式特别适合小尺寸金属零件的3D打印，并能实现从医疗到汽车、航空航天到奢侈珠宝等广泛应用的复杂零件的精确、高质量生产。目前，从事该技术的公司主要有MetShape和Incus。 金属材料喷射技术（MJ） 一般来说，材料喷射技术被认为是精度最高、技术最成熟的增材制造技术，这是因为它采用了传统的喷墨打印技术、从而能够精确控制成千上万的数字控制喷嘴来喷射材料。然而，在金属增材制造领域中，材料喷射是一个原材料种类非常有限的增材制造工艺，因为喷射使用的液态金属难以制备。 尽管如此，这一细分市场仍是创新和技术突破最可行的领域，因此我们将其作为一个独立的金属增材制造技术来对待。目前可用于金属材料喷射技术的材料只有两大类：一种是已经商业化的、利用金属纳米颗粒与液体混合形成的纳米墨水；另一种是正在研发的、使用电磁场驱动喷射的熔融液态铝。 虽然许多金属粘结剂喷射公司也宣称自己能够使用纳米金属墨水打印金属零件，但唯一能够真正开发纳米金属墨水并实际应用的公司目前仍只有Xjet，其使用材料喷射技术来制造陶瓷和金属零件，如钢和银。遗憾的是，该工艺推出了多年，但在商业化和应用方面，似乎一直未有太多起色。 与Xjet材料喷射工艺类似的，中国梦之墨公司推出的液态金属3D打印机专注于电子电路打印，并取得了一定的成绩。除此工艺形式之外，施乐公司收购了一家发明了使用熔融铝线制造金属零件的初创公司，其每秒可喷射1000个液滴，用于零件的堆积制造，这也是目前使用材料喷射技术高效率、低成本制造金属零件的可用解决方案。 END 金属3D打印技术经过几十年的发展，制造局限获得了极大突破，制造形式更加丰富多样，制造效率也大为提升。尤其值得注意的是，本文所提到的绝大多数工艺形式是金属3D打印技术的新发展，国内在很多方面有的还未涉足、有的则仍处于研究阶段。在新技术发展领域，以美企等为代表的国外先进制造商具有领先优势。 3D打印技术与国内的发达的传统制造技术相比，在很多领域可能并不具备成本优势，但作为一项重要的未来生产力，技术储备不可或缺。我们期待，国家能有重大的科技专项能扶持新技术的发展，让先进技术在未来重要的领域发挥作用。 关注 视频号 了解最新技术应用 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022最新金属与非金属增材制造技术全景图（中文版） 2.王华明院士《科创中国》演讲视频：3D打印，重大装备制造业的新机会 3.深蓝航天3D打印整机制造火箭发动机搭载试验箭完成「公里级起降回收」 4.视频：国家增材院10米超大型铝合金火箭连接环3D打印制造技术

5月12日-5月15日期间，中科宇航自主研发的“玄鸢一号”20吨级液氧煤油火箭发动机通过长程试车考核圆满成功。 3D打印技术参考根据中科宇航发布的消息，“玄鸢一号”发动机主要由推力室、燃气发生器、涡轮泵、各类阀门、管路、传力装置等组成，其中涡轮泵、推力室、气瓶等关键组件大量采用了全3D打印技术，大幅提升了生产效率、降低了研制成本，能更好地适应商业航天市场低成本、快速灵活的产品需求。 通过大量的引入新技术、新工艺，立足于自主创新，中科宇航逐步探索出了低成本、高可靠商用液体火箭发动机的设计、生产、试验的研制及组织模式，为未来早日实现商业发射提供了强有力的支撑。 “玄鸢一号”发动机秉持“高可靠，低成本，快速迭代”的设计理念，可年产100台。作为小型运载火箭一级，中型运载火箭二级/三级，亚轨道飞行器等主动力，满足液体火箭回收的需求。2022年6月-10月期间，将陆续开展100s250s500s可靠性试车，累计时长3000s, 2022年11-12月，将开展6次合计1500s联合动力系统试车。 本次发动机长程试车的成功标志着“玄鸢一号”发动机全面进入了工程样机研制阶段，为2022年底即将首飞的亚轨道飞行液氧煤油探空火箭和2023年验证的100公里级亚轨道可重复使用技术验证平台、2024年底首飞的液氧煤油二级入轨火箭的设计提供了设计支撑和研制基础，同时也为后续亚轨道旅游、可回收液体火箭等重大任务奠定了基础。 注：本文内容来自中科宇航。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.深蓝航天3D打印整机制造火箭发动机搭载试验箭完成「公里级起降回收」 3.中国民营航天星河动力将3D打印技术用于火箭发动机制造 4.预告：8场航空航天增材制造先进设计与工艺仿真讲座

近日，汽车领域增材制造工业化和数字化项目——IDAM项目已成功实施。3D打印技术参考查询相关资料获悉，该项目由德国教育和研究联合部门 (BMBF) 资助，宝马集团牵头，于三年前与吉凯恩、亚琛工业大学、弗朗霍夫激光技术研究所在内的12家企业和研究机构共同参与推动，所有成员都有一个共同的目标——在汽车生产领域彻底改变金属3D打印的使用方式，降低成本和减少工时（如模具制造环节），更好的满足定制产品的需求。 IDAM项目始于2019年3月 2020年，IDAM项目进行到一半，其中最显著的进展之一是GKN开发出了一种金属粉末材料，其在汽车市场具有巨大的工业化潜力。该材料就是被称为DP 600的双相钢，其机械性能可以使用热处理方法进行调整。由EOS M300-4所打印的试样表现出13%（打印态）至 22%（热处理）的断后延伸率，以及950MPa（打印态）和 700 MPa（热处理）的拉伸强度。 IDAM项目黑灯工厂成功运行 两年后，该联盟的12名成员在宝马集团增材制造园区展示了IDAM项目的成功实施。宝马已经建立了一条数字联网的全自动3D打印生产线，并为汽车系列生产做好了准备，另一条生产线位于GKN粉末冶金公司。 通过将金属3D打印集成到汽车行业传统生产线中，IDAM计划每年至少批量生产50,000个组件和10,000个零配件用于汽车生产，同时保证零件的一致质量并释放目前极高的成本压力。 无人驾驶运输系统（DTS）起始于2019年的概念草图，如今已成功集成在IDAM生产线的模块之间全自动运输3D打印机的移动成型仓。这些机器由中央控制单元进行协调，各个生产线模块的所有生产数据在中央控制单元中汇聚，确保了最高的生产率和质量。 在IDAM项目实施期间，开发了自动生成3D打印数据的新概念。全自动模块将使用过后的旧金属粉末运送到加工站，在那里进行独立处理。部件的后处理在专门设计的工作站中进行，这些工作站也是全自动的。 △左右滑动查看更多 组件的质量是重中之重，IDAM通过使用传感器在线监控3D打印过程来保证零件质量，使用CMOS相机和高温温度计检查来自熔池的排放物质，此外，还使用AI算法将记录的数据与实际组件质量相关联。 宝马集团联合体负责人兼项目经理Felix Haeckel表示，“从项目的第一天开始，合作伙伴之间就可以感受到团队精神。互相学习，共同开发创新解决方案，并以最佳方式发展各个合作伙伴的优势——这些是增材制造工业化和数字化成功的关键”。 宝马集团投资超1亿的增材制造产业园 宝马采用3D打印技术已经十几年，截止到2020年，宝马通过3D打印工艺就已经生产了100万个零部件。仅2018年一年，宝马集团3D打印生产中心的产量超过20万件，同比提升42%，2019年通过增材制造生产的零件达到30万个。 2020年6月，投资超过1亿元人民币的宝马增材制造中心正式开业，3D打印技术参考发现其部署了来自SLM Solutions、Desktop Metal、HP、EOS、华曙高科等国际知名3D打印企业最为先进的主力设备，试图将公司的原型生产、系列零件制造，以及新的3D打印技术研究和培训集于一身，显示出宝马集团对3D打印技术的高度认可以及预借助该技术改变传统制造模式的决心。 当时，宝马增材制造中心拥有超过50台工业聚合物和金属3D打印机，能够承担其全球50%的增材制造生产任务。如此规模的3D打印资源整合，将极大拓展了汽车部件对该技术的应用范围。而从装备的选择来看，中心选择的3D打印机均为业内知名企业的最先进设备，有些适合于制造原型，有些则可以制造最终零部件，还有一部分则专门适用于批量制造。 3D打印技术参考还看到宝马在流程链中实施了新的自动化概念，这将使宝马能够简化用于批量生产的组件制造过程并加快迭代速度。同时，宝马正在与车辆开发、零部件生产、采购和供应商网络以及宝马的其他各个领域进行合作，以系统地集成3D打印技术并有效地利用。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.增材制造，颠覆传统汽车制造 3.三种金属3D打印技术分别适合怎样的汽车行业应用 4.采用3D打印集成制造汽车发动机部件，为现代成熟产品减重21%，提升动力总成效率