GRCop-42 是一种被 NASA 格伦研究中心设计为制造火箭发动机燃烧室衬里的高温、高强度、高热通量铜合金。近日，航空航天领域的增材制造服务提供商 Sintavia 开发了一种新的 GRCop-42 专有 3D 打印工艺及热处理步骤，使零件在不进行热等静压处理的情况下，致密度超过 99.94%、最小伸长率也超过了 32.4%（最小拉伸强度28.3 ksi、最小极限屈服强度52.7 ksi）。 Sintavia无须热等静压实现GRCop-42的高性能 根据3D打印技术参考在《NASA新材料3D打印工艺开发备忘录》一文，NASA 在GRCop-42 铜合金的3D打印工艺开发过程中，采用激光粉末床熔融工艺并进行热等静压处理后，材料的延伸率均未超过30%，而热等静压一直是 NASA 处理该材料的标准工艺。基于两项数据的对比，Sintavia 公司的新工艺从理论上将进一步减少 GRCop-42 铜合金 3D 打印零件的处理时间及生产成本。 GRCop-42机械测试样件分布图 火箭发动机燃烧室的制造材料非常关键。NASA用来打印燃烧室的铜合金材料均来源于经过验证的传统铜合金。2014年，NASA对其 GRCop-84（Cu-8% Cr-4% Nb）实施了SLM用粉改造，采用该牌号粉末制造的燃烧室可以产生高达2000磅的推力；2019年，NASA将合金元素的百分比减少了一半，成功实现了 GRCop-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）铜合金开发，该材料在具有同等高强度的同时大幅提高了导热系数，因此被用来替换 GRCop-84；与此同时，GRCop-42 比其他燃烧室内衬专用合金，如NARloy-Z（Cu-3％Ag-0.5％Zr）的导热率还要高。 推力室内衬铜合金导热率比较 下图显示了三种主要合金的低周疲劳（LCF）寿命，它是发动机燃烧室内衬材料失效的主要模式。与GRCop-84相比，GRCop42的寿命有些降低，但基本上与NARloy-Z相一致。这些测试结果意味着GRCop-42可能会成为一种制造发动机内衬的新材料。 燃烧室用低周疲劳性能比较 发动机燃烧室通常是多种金属材料的一体结构，NASA也在力推将铜合金与其他材料实现复合制造。 在一项名为 LCUSP 的项目中，NASA 成功展示了使用激光粉末床熔融技术（SLM/L-PBF）制造 GRCop-84 铜合金燃烧室衬里以及使用电子束沉积技术（EBF）在推力室衬里上制造 Inconel 625 冷却通道和外壁的能力。这种3D打印的多金属复合结构燃烧室于 2018 年成功进行了热火测试，NASA 还通过与工业界的合作进一步将其发展为成熟的双金属燃烧室。LCUSP项目的成功实践表明，不同工艺之间的“最佳组合”为快速开发低成本、梯度材料高质量火箭推进部件提供了上升通道。 SLM制造的GRCop-84燃烧室铜合金衬里和DED制造的Inconel 625外衬 2019 年，卫星发射公司 Virgin Orbit 采用增减材制造工艺为 NASA 实现了 GRCop-84 铜合金与镍基高温合金的复合金属材料燃烧室制造，热火试验证明基于该工艺制造的复合材料部件与传统制造的性能相一致。 2020 年，NASA 再次采用采用激光沉积技术在3D打印的 GRCop-42 铜合金燃烧室上直接制造了 HR-1 高温合金冷却通道喷嘴，这种整体式的结构将不再需要螺栓连接，增加了结构稳定性。与之相关的预防构建失败和变形的建模、工艺仿真、材料表征和测试也都在计划之内。 NASA在L-PBF打印的GRCop-42铜合金外采用LP-DED工艺打印HR-1高温合金制造整体式部件 NASA使用L-PBF工艺打印的GRCop-42铜合金和LP-DED打印的HR-1高温合金整体式部件 GRCop 铜合金系列已经在 NASA 多个项目中获得测试和应用，同时…

3D打印技术的进步已经改变了热交换器的制造方式。传统制造路线无法实现的复杂、自由设计，可以通过3D打印轻松实现。热交换效率的提高以及重量、体积、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他优势。与传统批量生产方法相比，3D打印所涉及的工艺参数优化、表面粗糙度控制、支撑结构去除、后处理要求、兼容原材料和成本竞争力一直争议不断。但尽管存在挑战，采用该技术已经成功实现了金属、聚合物和陶瓷材料的热交换器制造。在本篇文章中，3D打印技术参考重点分析粗糙表面、微通道、表面积和晶格结构等因素对3D打印热交换器的性能影响。当前的研究发现，金属3D打印的表面粗糙度是影响热交换器性能的关键考虑因素；与预期设计相比，制造尺寸的偏差也非常显著，特别是当尺寸接近制造极限时。随着3D打印技术在最终产品表面质量、尺寸精度和实现更小尺寸精度方面的不断提高，热交换器的换热性能可能进一步提高。 表面粗糙度对热交换性能的影响 表面粗糙度是通过粉末床熔融技术制造不同类型金属热交换器的常见和关键考虑因素。3D打印的热交换器产生的表面粗糙度可能比通过传统方法制造的相同热交换器高一个数量级。小尺寸通道中固有的表面粗糙度更严重影响传热效率。因此，有必要正确评估表面粗糙度并系统收集相应工艺参数的数据库。 3D打印的飞机电机热交换器，最佳翅片密度可优化热交换效率 在led的热管理方面，拓扑优化散热器比栅格结构具有更好的性能 制造尺寸的显著偏差可能与预期设计的偏差高达约20%，这也会影响微通道热交换器的热工水力性能。一些研究报告称压降受由此产生的有效通道尺寸而不是粗糙度的影响，而一些研究报告称压降是受表面粗糙度的强烈影响，另有研究认为粗糙度与通道水力参数的比率更适合分析压降特性。对增材制造技术引入的表面粗糙度对传热机制的影响分析表明，决定热交换器传热效率的不仅包括粉末颗粒的尺寸，还有粉末颗粒的形状及其与热交换器表面之间的附着。 最小特征尺寸和制造精度对热交换性能的影响 型化电子设备的发展推动了开发小型散热器的需求，这些散热器可以耗散非常高的热量，确保延长系统的使用寿命。先前对微通道的研究已经证明它们具有消散高功率密度的能力。微通道换热器的典型特征是压降大，这可能是由于通道中的流动分布不均和较长的流向流动长度造成的。歧管微通道换热器作为传统微通道换热器的替代品，歧管结构放置在平行运行的微通道的顶部，并通过多个入口和出口分配冷却剂流体。这种配置中的流动长度减少，改善了热交换器的水力特性。但传统上歧管和微通道是分开制造的，再通过一种粘合技术连接在一起，这个过程会增加交货时间，如果操作不当会影响性能。 夹层壁圆柱体强制对流传热示意图 利用晶格结构近似法和梯度法优化晶格密度分布的热交换器 增材制造技术可以将歧管和微通道以单个部件进行制造，并确保两个组件之间具有的适当接口。更复杂和优化的通道设计也可以通过该技术实现，这对于传统技术来说可能非常具有挑战性。研究发现，将不锈钢翅片的厚度从150μm减小到50μm可以将换热效率可以提高20-40%，将歧管的厚度从300μm减小到150μm，可以将换热效率提高10-30%。对由不锈钢、钛合金和铝合金打印的微通道进行研究发现，翅片和微通道的尺寸误差约20%，此外由于残留粉末，部分通道存在堵塞。与钛合金相比，不锈钢样品的尺寸误差更为突出。具有相似几何形状和预期尺寸的三个样品的传热系数和压降参数的差异归因于制造过程中出现的不准确。未来，如果3D打印可以达到更高的制造极限和精度，热交换器的换热效率将会进一步提高。 蜂窝结构具有更高的热传递性能 多孔材料包含大量空隙，增强了相对于整体块状材料的结构和功能特性。商业采购的金属泡沫就是这样一种多孔材料，据报道它具有良好的热和机械承载能力。周期性排列的晶格结构材料已经被结构工程师广泛探索，与随机开孔泡沫金属相比，单元格的自聚焦拓扑可以提供更好的强度和刚度特性。增材制造不仅可以自由制备具有定制形态参数的晶格，还可以将整个蜂窝结构打印在基板上，从而消除了额外的热界面材料阻力。 3D打印的新型分层分形体积太阳能吸收体，总体热转换效率与传统碳化硅整体蜂巢相当 不同的单元拓扑结构 GE 3D打印的镍基高温合金热交换器用于高温高压环境中 蜂窝结构具有更高的热传递和压降，但总体优势取决于单元拓扑结构，主要的传热机制决定了蜂窝结构在特定应用中能否使用。例如，在强制对流中表现最好的蜂窝结构在自然对流中可能不是最好的。仿生技术可以极大地激发3D打印技术制造复杂仿生蜂窝结构的可能性。一种具有三重周期最小表面的结构被证明具有更高的表面-体积比和高有效的导热性。 END 增材制造技术作为制造实验室和商业规模热交换器的可行选择，正在显著提高热交换的效率，并减轻重量和成本。虽然增材制造技术在生产优化和复杂的几何形状方面优于传统技术，但零件质量相对较差。增材制造技术的肯定有用，但需要做具体和系统的大量验证。当前的3D打印技术还无法替代传统方法，但3D打印技术的不断进步，将逐步解决这些固有缺陷，从而生产出轻量、多功能和高效的热交换器。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.由GE赞助的热交换器增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 2.纯铜热交换3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 3.当前国内外高强铝合金种类、性能信息汇总 4.新趋势：使用多工艺融合开发3D打印多材料梯度合金

对于粉末床金属增材制造技术，无论是基于激光的还是电子束的，工艺参数如功率、扫描速度和扫描策略等均强烈影响增材制造过程中微观结构的形成，而微观结构会影响产品的最终机械性能。因此，微观结构是制造工艺和机械性能之间的关键桥梁。了解微观结构演化的机制并通过调整工艺参数来定制微观结构以获得所需的性能非常重要。然而，由于增材制造工艺参数众多，试错实验成本高昂且耗时。另一方面，随着计算能力的发展，数值模拟已成为理解潜在机制和探索过程-微观结构关系以实现增材制造中微观结构控制的有力工具，从而实现精准控形控性。 近日，NPJ计算材料刊发了新加坡国立大学闫文韬教授团队的一项成果，其开发了一种三维相场模型来模拟粉末床熔融增材制造过程中的晶粒演化，结合经典成核理论以及粉末颗粒和基材的初始晶粒结构，全面再现了多层、多道粉末床熔融过程中的晶粒演化，包括熔池中晶粒的形核和生长，粉末颗粒、基板以及熔池边缘处的外延生长，重叠区域的晶粒重熔和再生长，以及热影响区的晶粒粗化。为了验证模拟结果的准确性，研究人员进行了实验验证，且结果一致。   图1.SLM 过程模拟示意图 熔池形态和晶粒演化 初始晶粒的形状是等轴的，不同取向的晶粒用相对于成形方向进行着色。由于存储容量有限，仅考虑36个随机方向。所选取的材料为316L不锈钢，进行三层三道熔融过程模拟。316L不锈钢的液相线温度为1723K，超过该温度显示为红色熔池。对第一层1道和2道的模拟显示，熔池的自由表面被捕获，熔池边缘不规则，一些粉末颗粒部分熔化（黑色箭头）。在扫描第一层时，由于连续的能量输入，基板温度随着扫描叠加而升高。在进行第二层和第三层扫描时，扫描方向相对前一层旋转90°，因此扫描轨迹和温度场也旋转了90°。 图2.粉末和基板的初始晶粒形貌 晶粒的演变如实反映在了模拟结果中。当温度高于1723K时，粉末颗粒和基体熔化成液相，晶粒结构熔解于其中(图3f)。当局部温度低于1723K时，液相转变为固相，并在凝固区域形成晶粒。在扫描第一层2道时(图3g)，在第一层第1道中形成的一些晶粒被重新熔化。扫描第1层3道后(图3h)，从俯视图(Z方向)看，长晶粒和细晶粒交替出现。从侧面(Y方向)可以看出，这些细晶粒实际上是沿Z方向边长最长的晶粒。扫描第三层第三道后，最终晶粒形貌如图3j所示。从图3h和3j的对比可以看出，上层形成了粗晶粒。   图3.三层三道 SLM 过程中温度场和晶粒演变，a-e温度场演变；f-j晶粒演化。a和b中的红色区域显示了两条轨迹中的熔池形态。相邻层之间扫描方向旋转90°；部分熔化的粉末颗粒由黑色箭头突出显示 在三层三轨SLM过程中可以观察到不同种类的晶粒演化。这些演变从以下四个方面进行分析。 (1)熔池内的晶粒演化。在熔池内，晶粒长大方向垂直于熔池边界（如图4a中白色箭头所示），与热传导方向相反。熔池边界附近的晶粒形态表明晶粒从基底和部分熔化的粉末颗粒外延生长。此外，在熔池中可以观察到新的晶粒，这些新晶粒中的一些来自异质成核，如图4c中所示的“B”晶粒。 (2)重叠区的晶粒重熔和再生长。在第三道的扫描过程中，重叠区的晶粒部分或全部重熔，然后部分重熔的晶粒(如“A”晶粒)通过外延生长进入第3熔道区域，如图4b、c 、d。晶粒的重熔和再生长在相邻层间的重叠区也会发生，如图4e所示，在蓝色虚线矩形区域内进行了重熔和再凝固，并将第一层部分熔化的晶粒延伸到第二层。在从第1层到第2层的外延生长过程中，晶粒竞争生长，只有一部分晶粒能够成功延伸到第2层。在第二层扫描中竞争力较高的晶粒扩展到第三层时可能失去竞争力，如图4e中的“C”晶粒。这可以归因于90°旋转扫描，从第2层到第3层，扫描方向旋转90°，因此热传导方向和温度梯度也发生了改变。 (3)相邻层间晶粒生长方向发生变化。如图4e-f中红色箭头所示，当晶粒从第1层生长到第3层时，晶粒生长方向发生了变化。晶粒沿与热传导方向相反的方向优先生长，热传导方向在相邻两层之间旋转90度，这导致了相邻两层间晶粒生长方向的旋转。实验中也观察到类似的晶粒生长方向的旋转。 (4)晶粒粗化。熔池边界附近的晶粒以大晶粒以牺牲小晶粒的方式长大变粗，基板的温度会随着扫描次数的增加而升高，进而导致基体晶粒粗化。同时，随着扫描层数的增加，下层区域的温度也会上升，底部的晶粒也会粗化。 图4.XZ横截面中SLM粉末熔融过程中的晶粒演变 晶粒尺寸的演变 晶粒尺寸的所有数据均基于3D模拟结果计算。83.4%晶粒的纵横比大于1.5，说明三层三道打印主要形成了柱状晶粒。一些等轴晶粒通过晶粒形核引入，由于晶粒粗化，它们在制造过程中不会延伸或收缩太多，从而形成等轴形态。实验得到的晶粒长宽比分布和模拟之间具有良好的一致性。随着时间的增加，熔池向前移动，晶粒不断形成，并在后面的凝固区域中长大和粗化。因此，早期的晶粒数和平均晶粒体积随时间增加。凝固完成后，由于不能引入新的晶粒，晶粒数趋于稳定；而平均晶粒体积因不断的晶粒粗化而略有增加，最终趋于稳定。平均晶粒体积在同一层的第1道到第3道以及从第1层到第3层依次增大。 图5.不同层、不同熔道的晶粒数目及体积变化 对于同一层的三条熔道，随着新的扫描进行，基板和样件的温度逐渐升高，这导致液固间的温度梯度降低，晶粒可以在较高的温度下生产，并导致体积增加。不同层间，下层晶粒向上层竞争生长，导致上层平均晶粒体积大于下层平均晶粒体积，即平均晶粒尺寸由下层向上层逐渐增大。   图6.由 TiB2纳米颗粒增强316L不锈钢的晶粒形态 除以上研究内容外，研究人员还结合温度梯度和冷却速率分析了对熔融过程中异质形核和晶粒长大的影响。同时，为了验证相场模拟的潜力，对SLM制造的纳米增强316 L不锈钢进行了晶粒细化重现。该研究对了解金属3D打印过程中微观结构演化的机制提供了一种有效途径，对通过调整工艺参数来定制微观结构以获得所需的性能具有指导意义。 注：研究论文已上传QQ群。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.知识回顾：粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制 2.GE增材：具有增强后处理和质量控制的金属3D打印 3.杨永强教授演讲：金属增材制造技术的进展及展望 4.一种新型「氩/氦」保护气体，显著减少金属3D打印过程中的飞溅和缺陷风险

Roboze是杰出的面向最终用户的高性能聚合物3D打印机开发商，自多年前率先推出旨在替代金属的ARGO 500 3D打印解决方案之后，该公司在航空航天、汽车和工业制造领域取得重要突破。为迎合制造需求的发展，Roboze于近日推出成型尺寸达1 x 1 x 1 m的ARGO 1000，该设备因此成为目前世界上最大的带有高温腔室的高性能聚合物3D打印机。基于挤出的3D打印技术，仍然是当前最为成功的 PEEK 3D打印解决方案。基于ARGO 500的出色表现，Roboze已经成为一些细分市场的领导者，由其成型的碳纤维增强PEEK 空气动力学机翼便是典型应用之一。 1 立方米的 PEEK 3D打印成型腔室 ARGO 1000 可以生产高达 1 立方米的PEEK零件，从根本上改变了航空航天、能源、交通、医疗技术和汽车等行业制造更轻、更高质量组件的方式。Roboze 使用更具可持续性和高性能的先进聚合物和复合材料，如PEEK、碳纤维增强 PEEK 以及ULTEM AM9085F，这些材料在一定程度上可以迅速更换金属零件并替代极端应用任务下的关键组件。更为关键的是，这些材料目前几乎没有第二种3D打印解决方案，激光烧结也几乎不可行。 ARGO 1000 的成型尺寸达1 x 1 x 1 m Roboze决心以高性能聚合物替代金属生产 更大的打印尺寸源于制造需求的发展，该公司一直处于增材制造行业的创新前沿，是世界上最早在 3D 打印中引入 PEEK 的公司之一。此外，该公司的工业自动化系统和专有的基于齿轮（无皮带）传送的技术允许生产的零件比皮带驱动打印机制造的零件精度高六倍。 该公司首席执行官表示，他们所制造的零件性能已经远远超越了原型，并且已经在为微型卫星、军用级船舶以及国家可持续基础设施制造定制组件。 高温腔室是影响高性能聚合物3D打印最重要的因素 强大超级聚合物和复合材料零件可直接用于最终用途零件 以PEEK为代表的高性能聚合物对打印环境要求苛刻。据中国领先的高性能聚合物3D打印机制造商上海远铸智能指出，仅凭高温组件不足以支撑大尺寸打印，另一个关键挑战是大尺寸部件在打印过程中的变形翘曲开裂现象。增强的恒温腔室设计是满足打印件温度的均匀性的关键，从而能够很好的解决变形翘曲开裂问题。该公司推出的最大的高性能聚合物3D打印机为FUNMAT PRO 610 HT，具有610*508*508mm的成型尺寸，设备的高温恒温腔室实现了打印与后处理的一体化，打印件可以更好的成型，并具备较高的机械强度和较低的内应力。 碳纤维增强高性能聚合物是金属的理想替代品 在设计工业应用工具时，传统技术使用铝制或者替代性的金属合金材料，这是因为金属件的表现更加优异并符合该类工具的要求。在许多情况下，热塑性塑料可以达到该类工具的强度要求，但是无法满足执行测试任务时的刚性要求。 而这正是复合材料发挥作用的地方。向基础聚合物中添加增强材料可以极大地改变原材料的性能，从而使塑料件替代金属件成为现实。目前常用的FDM增强材料有碳纤维和玻璃纤维，可用来增强ABS、尼龙（PA）、聚丙烯（PP）、聚醚醚酮（PEEK）等材料。CARBON PEEK被认为是整个行业中性能最高的 3D 打印超级聚合物。除了PEEK众所周知的特性之外，它还增加了更高的热稳定性和刚度。添加碳纤维显著提高了所生产部件的机械性能，消除了与传统制造技术的差距。 Roboze碳纤维增强尼龙3D打印产品 INTAMSYS3D打印的尼龙碳纤装配夹具 碳纤维增强尼龙则结合了尼龙的轻质和碳纤维的机械强度和热性能，碳纤维复合尼龙材料的强度与刚度显著提高，其机械强度甚至超过了3D打印的PEEK和PEKK，在汽车工业中从车辆固定架和仪表等内外部组件到发动机壳体均可以替代金属部件。众所周知，汽车碳纤维由于其强大的热和机械性能，被广泛用于汽车制造，作为金属零件的替代品，碳纤维增强尼龙在汽车工业中具有广泛的应用前景，能够实现减轻重量与设计优化的可能性，同时具有环保和经济优势。 END 制造业在不断调整以满足新的需求。定制化、按需生产和小批量生产等需求都在不断催生有别于传统制造方法的替代性方案。增材制造技术可能永远无法完全取代数控机床加工或铸造，但高性能FDM打印机能够以高性价比的方式满足这些需求。高性能聚合物以及纤维增强复合材料是最强的FDM材料组合，它不仅可以用于航空航天和汽车制造行业， 其特殊的性能还可以满足其他行业的制造需求。 高性能聚合物以及纤维增强复合材料以其优异的力学性能已被广泛应用于各工业领域，但由于传统制造工艺的限制，复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。3D打印技术的快速发展无疑为实现复杂几何形状的复合材料制造提供了契机，从而进一步拓展了复合材料的应用范围。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.美空军研究室大力开发连续纤维复合材料3D打印，并用于无人机机翼成型 2.超越PEEK，3D打印的碳纤维增强尼龙有怎样的性能和应用潜力 3.中国产工业级高温3D打印机为何备受国际顶级科研机构青睐 4.国产专业级FDM设备成功打入日本精密零件加工企业

近日，西南交通大学在增材材料疲劳性能评价方向取得重要进展，并在国际疲劳领域顶级期刊International Journal of Fatigue上发表题为“The effect of defect population on the anisotropic fatigue resistance of AlSi10Mg alloy fabricated by laser powder bed fusion”的学术论文。博士研究生吴正凯为论文的第一作者，吴圣川研究员为通讯作者，英国皇家科学院和皇家工程院两院院士、中国科学院外籍院士Philip J. Withers为共同作者。 3D打印材料疲劳寿命的分散性——最大缺陷分布不确定 激光粉末床熔融（L-PBF）作为应用最为广泛的增材制造（AM）技术之一，具有成形精度高、复杂构件适应性强等技术优势。铝合金具有比强高、成本低、抗腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车等工业领域。随着轻量化、一体化铝合金零件的迫切需求，各种复杂形状的铝合金零件如带有凸台、薄壁以及复杂内腔等构件的制备已成为目前的发展趋势，L-PBF技术有望为复杂铝合金零件提供一种新的快速制备方法。然而，相较于钛合金、镍基高温合金等其他金属而言，3D打印铝合金的研究相对滞后。由于铝合金粉末流动性差，以及激光反射率高、热传导性高等特性，在L-PBF成形过程中极易在内部产生未熔合、气孔、裂纹等缺陷，严重降低其疲劳性能，是影响其发展和应用的重要原因之一。 与焊接存在局域缺陷相比，增材缺陷具有全域分布特点。由于缺陷的位置、尺寸、形貌、数量以及多个缺陷之间的相互作用关系不同，构件局部的应力集中往往存在明显的差异。Murakami指出，影响金属材料疲劳寿命分散性的根本原因是最大缺陷分布的不确定性。此外，L-PBF成形还具有方向性，成形构件在不同堆积方向的疲劳性能也具有显著差异，是影响其发展和应用的重要原因之一。目前关于增材铝合金缺陷致疲劳断裂的研究大多局限二维表征手段（如断口观测等），对于增材制造内部三维缺陷主导下的疲劳损伤失效行为欠缺准确表征，亟需建立增材制造三维缺陷特征与其各向异性疲劳性能的关系。 缺陷容限评价——准确辨识和定量表征缺陷的几何特征 对于增材制造铝合金，合适的去应力热处理可以消除大部分残余应力，并有利于降低组织各向异性。在实际应用中，对承受疲劳载荷的部件往往需要对表面进行加工处理，以避免表面粗糙度对疲劳性能的影响。所以在经过热处理和机加工后，增材制件内部缺陷则会成为控制其疲劳行为的主要因素。缺陷的存在对材料内部的应力状态影响极大，导致应力集中，进而诱导裂纹萌生，降低疲劳性能。因此，获取增材制件内部缺陷特征，构建缺陷、应力和疲劳寿命间的关系是缺陷容限评价的重要目标，因此如何准确辨识和定量表征缺陷的几何特征成为缺陷容限评价的首要问题。 图 1：(a)L-PBF工艺及取样方向示意图；(b)不同取向试样内部缺陷三维成像结果；(c)缺陷等效椭球示意图；(d)不同取向试样内部缺陷尺寸与角度关系图。 X射线断层扫描技术（X-CT）在复杂制件损伤检测方面的优势显著，其可以在三维空间上实现材料内部缺陷及损伤的可视化，并准确给出缺陷的空间尺寸、形貌和分布特征，为缺陷以及裂纹演变提供有效的技术支持，已成为当前材料失效机制研究的顶尖研究手段。此外，为定量表征材料内部缺陷对疲劳强度的影响，1976年日本学者Kitagawa和Takahashi将传统的名义应力评价方法与线弹性断裂力学（LEFM）理论相联系，基于材料的疲劳极限Δσw与裂纹扩展扩展门槛值ΔKth，得到疲劳极限与裂纹尺寸的函数关系，即著名的Kitagawa-Takahashi（K-T）图。Beretta等通过对比传统加工材料和增材制造材料对缺陷的敏感性，发现K-T图缺陷容限评定概念依然适用于增材制造部件。 沿构建方向加载的高周疲劳试样与垂直于构建方向加载的高周疲劳试样投影到平面上的所有缺陷 研究表明，随着缺陷等效尺寸的增大，材料的疲劳极限逐渐降低，裂纹扩展门槛值逐渐增大并逐渐达到长裂纹扩展门槛值；表面和近表面缺陷会在很大程度上降低其疲劳性能，且疲劳失效和断裂往往受表面最大缺陷处控制，因此可基于缺陷X-CT三维成像数据，利用极值统计方法估测不同尺寸下部件内的最大缺陷值，并结合K-T图对增材制造材料进行疲劳性能评价，探讨缺陷对疲劳极限的影响规律。基于上述实验及理论方法，本论文综合利用X射线三维成像（X-CT）、扫描电子显微镜（SEM）、单轴拉伸、高周疲劳、疲劳裂纹扩展门槛值等多种试验手段深入系统开展了L-PBF成形AlSi10Mg合金在垂直于堆积方向（X向）和平行于堆积方向（Z向）的三维缺陷特征、拉伸性能、疲劳寿命等方面研究，以探索增材制造三维缺陷与各向异性疲劳性能的关系。 无损、快速评估材料的疲劳性能 研究结果表明，不同取向L-PBF成形的AlSi10Mg合金试样内部三维缺陷形貌具有显著的各向异性，采用等效椭球模型表征具有扁平状特征的缺陷，并取等效椭球的长半轴（a）与中半轴（b）所在平面的法向与加载方向的夹角（θ）作为缺陷的角度特征参数，可以有效表征缺陷的最大特征尺寸及形貌的各向异性。当缺陷的等效直径大于160 μm时，Z向试样缺陷的特征角度趋向0 °，而X向试样的特征角度趋向于90°，不同取向试样表现出缺陷角度特征的显著各向异性，也说明了缺陷三维形态具有显著的各向异性。疲劳实验结果表明，Z向试样的疲劳极限为45 MPa，显著低于X向试样的疲劳极限（118 MPa），但X向试样的疲劳数据分散性却显著高于Z向，疲劳性能各向异性极为显著。 图 2：(a) 缺陷特征尺寸和位置表征示意图；(b) 不同取向试样疲劳源缺陷表征；(c)不同取向试样疲劳性能对比；(d) 缺陷特征尺寸对疲劳性能的影响。 对疲劳断口裂纹源缺陷进行表征和统计，结果表明不同取向试样的疲劳裂纹均从表面或近表面未熔合缺陷处萌生，尺寸较大的扁平状未熔合缺陷主要分布在堆积层平面内，沿加载方向具有更大的投影面积，显著降低了Z向试样的疲劳强度。基于缺陷特征尺寸的极值统计方法和标准K-T图，对不同取向试样的疲劳极限进行预测，结果表明，对于Z向试样的预测结果误差在10%以内，而对于X向试样的预测误差较大，达到了30%左右，预测结果偏于保守。基于以上研究内容，论文构建了增材制造三维缺陷特征与其各向异性疲劳性能的关系：首先通过X-CT对试样内部缺陷进行三维精准表征，并将其等效为椭球，将其在投影面积的平方根（√area）作为缺陷特征尺寸；然后基于极值统计方法对不同取向试样内部的最大缺陷特征尺寸进行预测；最后结合修正的Kitagawa-Takahashi（K-T）图对不同取向试样的疲劳极限进行评估。 图3：(a) 不同取向试样内部缺陷特征尺寸的极值统计方法；(b) 不同取向试样内部缺陷尺寸概率评估；(c) 不同取向试样内部最大缺陷尺寸与试样体积的关系；(d) 基于缺陷极值统计的疲劳性能概率评价K-T图。 此研究加深了对三维缺陷致增材金属疲劳行为的理解，提出了基于缺陷三维成像的增材金属材料疲劳性能评价方法，可无损、快速评估材料的疲劳性能，并可对金属增材制造提供必要的工艺反馈信息，为3D打印材料的抗疲劳评估提供了思路。考虑到缺陷尺寸、形貌、位置等的综合影响，该团队应用大数据、机器学习等算法构建缺陷特征与疲劳强度和寿命之间的关系，进一步地，把材料成分和增材工艺作为输入参数，建立更加准确的疲劳寿命模型。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 2.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 3.看EOS如何提高材料的疲劳性能（内附一种无支撑工艺方案） 4.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响

梯度材料是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度。在组合方式上，梯度材料有金属/金属、金属/陶瓷、金属/非金属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/非金属以及非金属/塑料六种。在制造工艺方面，对于不同的材料组合方式已经发展出了不同的工艺类型，3D打印是其中之一。 经后处理抛光和热等静压处理的3D打印火箭燃烧室 在往期文章中，我们已经注意到欧洲的多国团队已经发起了联合项目，共同推动多材料、多工艺协同金属3D打印。国内清华大学林峰教授团队、北京科技大学曲选辉教授团队以及华南理工大学杨永强教授团队也已将该方向纳入其中。本期，3D打印技术参考以NASA的实践为例，介绍采用最优的工艺组合实现多金属梯度成型的实践案例。 增材制造为开发具有复杂内部特征和薄壁的火箭发动机组件带来了重要设计和制造机会，但主流的工艺都集中在制造单一材料，而现实应用中的整体式部件可能是多种材料的组合。因此，现有的增材制造工艺无法完全优化应用结构。NASA在定向能量沉积技术方面的探索已经表明，增材制造为节省成本和缩短制造周期带来了可观回报，同时使零件重量和性能也得以优化。 GRCop-84铜合金与Inconel 625高温合金的复合 NASA于2014年开始旨在探索使用3D打印技术生产低成本上层级推进系统能力的LCUSP项目。在该项目中，NASA成功展示了使用激光粉末床熔融技术（SLM/L-PBF）制造GRCop-84铜合金燃烧室衬里以及使用电子束自由沉积技术（EBF）在推力室衬里上制造Inconel 625冷却通道和外壁的能力。这种3D打印的多金属复合结构燃烧室于2018年成功进行了热火测试，NASA还通过与工业界的合作进一步将其发展为成熟的双金属燃烧室。 SLM制造的燃烧室铜合金衬里和DED制造的镍基合金外衬 LCUSP项目的成功实践表明，不同工艺之间的“最佳组合”为快速开发低成本、梯度材料高质量火箭推进部件提供了上升通道。 GRCop-42铜合金与HR-1镍基高温合金的复合 RAMPT是NASA于2017年开始的另一项借助3D打印开发并推进火箭发动机部件设计与制造的项目，其不仅希望减少零件数量和重量、提高可靠性，还希望保持稳定的供应链。在该项目中，NASA采用激光能量沉积技术（LP-DED）打印了直径1.5米、长度1.8米的镍基高温合金（NASA HR-1）整体通道火箭喷嘴，并将零件数量从1100多个减少到10个以内，制造时间也仅仅90天。这种近乎完整的原型设计和制造能力使研究团队迅速用于制造更大尺寸的火箭演示器件，如SLS火箭的RS-25发动机喷嘴，它的尺寸相当于此前打印喷嘴尺寸的1.5倍。研究人员最终在五个月内验证了3D打印的整体冷却通道和薄壁结构，并有效控制了打印变形。 NASA采用激光能量沉积制造整体式火箭发动机喷嘴 NASA采用激光能量沉积制造的HR-1合金整体式喷嘴，直径1.5m，长度1.8m，其尺寸为RS-25喷嘴的65％ RAMPT项目进一步增强了3D打印在喷嘴和燃烧室制造中的优势，并进一步完善了相关技术。NASA近些年新开发了一种新的3D打印铜合金GRCop-42，并正在研究在SLM打印的该合金的燃烧室上直接采用激光沉积HR-1高温合金冷却通道喷嘴，这种整体式的结构将不再需要螺栓连接，增加了结构稳定性。与之相关的预防构建失败和变形的建模、工艺仿真也都在计划之内，相关的材料表征、测试等也在进行之中。 NASA在L-PBF打印的GRCop-42铜合金外采用LP-DED工艺打印HR-1高温合金制造整体式部件 NASA使用L-PBF工艺打印的GRCop-42铜合金和LP-DED打印的HR-1高温合金整体式部件 GRCop铜合金系列已经在NASA多个项目中获得测试和应用，同时HR-1高温合金的微观结构和材料特性也正在得到研究。结合铜合金的导热性和镍基合金的高温强度，双金属或多金属的一体化结构部件无疑会减少很多制造步骤并增加稳定性。但是，与其将这种结构称之为双金属或者多材料，不如称其为梯度材料。 3D打印梯度材料在航空航天领域大有可为 成分梯度合金在航空航天领域具有重要的应用潜力，工件的不同位置工作条件可能不同，所需要的的特性也会有差异。例如一个位置需要抗腐蚀，另一个位置需要抗蠕变，这就需要连接两种或多种不同的合金；再以燃烧室为例，其衬里需要铜合金的高导热性，外层则需要镍基合金的高温强度。虽然目前已经有冷/热涂层和熔焊等不同的金属连接技术，但它们对于大型部件的连接要么成本很高，要么工艺复杂。 使用激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉积（DED）等技术对金属部件进行增材制造具有非常大的优势，它提供了更好的尺寸精度，最大限度的减少后处理，并改进了组合材料的机械性能。 广州雷佳杨永强教授团队3D打印的梯度材料 在该领域，清华大学、西安交通大学、北京科技大学等均有知名学者在进行研究；北京隆源和广州雷佳也开发了基于铺粉的多材料3D打印设备。除此之外，中航工业沈阳飞机设计研究所早在多年前已经采用增材制造实现了300M与A-100钢梯度复合设计成型，这种方式可以使飞机起落架的制造成本降低45%。而至于国内火箭燃烧室等部件的制造则没有任何消息，也并不排除已经开始研究或早已取得了重要成果的可能。 END 金属3D打印技术包含多种不同的工艺，粉末床熔融、定向能量沉积、冷喷涂等等，各种工艺已经证明适用于不同的制造领域。然而各种工艺都有其技术限制，无论受制于材料、尺寸还是成本，各项工艺无法通用。 如何推动金属增材制造多材料和多工艺融合发展，充分发挥增材制造技术的潜力，综合运用多种工艺突破单一技术的制造极限，正在美国和欧洲地区获得关注（查看延伸阅读）。 欢迎转发主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.推动多材料、多工艺协同金属3D打印，欧洲多国合作发起联合项目 2.华南理工杨永强教授团队在新一代SLM技术领域的研究进展 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.纯铜3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP

2021年6月18日大众官方消息，大众汽车正在汽车生产中推进创新3D打印机的使用。大众致力于在未来几年内使3D打印更加高效，适合生产线使用。利用这项技术，大众汽车将能够更快、更灵活地开发和生产零部件，并使用更少的资源。 大众汽车员工在Wolfsburg高科技3D打印中心检查使用粘合剂生产结构件的质量 大众德国沃尔夫斯堡（Wolfsburg）工厂正在第一次用最新工艺——粘结剂喷射（binder jetting process）——制造部件。传统的3D打印使用激光熔融金属粉末逐层构建一个组件，而粘结剂喷射过程使用粘结剂，然后加热并成形所需的金属部件。使用粘结剂喷射成型组件可以降低成本并提高生产率——例如这些部件的重量仅为钢板的一半。目前大众是唯一在生产过程中使用这种3D打印技术的汽车制造商。 为了实现这一创新性的进步，大众汽车在过去五年中投资了几千万欧元。此外，公司还与西门子建立了软件合作关系，并扩大了与打印机制造商惠普（HP）公司的现有合作。随着第一次全面使用粘结剂喷射金属3D打印，大众计划积累关键经验，例如未来哪些部件可以经济快速生产，或者3D打印制造如何支持大众汽车生产的数字化转型。 惠普提供所需的高科技3D打印机，西门子公司提供增材制造专用软件。西门子和大众共同努力的一个关键过程步骤是优化组件在成型室内的定位，这种技术被称为嵌套（nesting），可使每个打印任务生产两倍的零件。 从夏季开始，以上三家公司计划在沃尔夫斯堡高科技3D打印中心成立联合专家组，并利用3D打印实现复杂汽车零部件制造。 目标是到2025年每年在沃尔夫斯堡通过3D打印生产最多10万个组件。使用粘结剂喷射工艺制造的第一批组件已应用于大众T-Roc敞篷车A柱部件。这些部件的重量比传统的钢板组件轻了近50%，仅此效果就充分体现出改善汽车生产的潜力。大众汽车已经成功地对3D打印金属汽车部件进行了碰撞试验。 截止目前，大批量生产还不够经济有效，然而新技术和合作将使生产线应用在经济上可行。 大众汽车采用3D打印已有25年，沃尔夫斯堡工厂现在有13个单位使用各种打印工艺制造塑料和金属部件。典型的例子是塑料组件的原型，例如中央控制台、车门覆层、仪表板和保险杠。金属打印部件包括进气歧管、散热器、支架和支撑元件。在过去25年中，大众已经打印生产了100多万个部件。 大众与西门子的合作是数字生产平台领域全面战略伙伴关系的一部分。3D打印的例子表明，这种转型蕴藏着许多创新的机会。”

根据公开信息，我国采用3D打印技术制备的星敏支架、斜撑支架、主承力大底结构等产品，已通过地面测试和各项环境考核，逐步应用于空间站、深空探测航天器、运载火箭等。晶格桁架结构，因其超轻和多功能特性在航空航天领域备受青睐。 然而，通过3D打印技术制造的晶格单元在机械设计过程中很少考虑增材制造技术本身的约束，导致晶格结构的实际机械性能与设计性能之间存在显著差异。中国空间技术研究院、南京航空航天大学以及北京理工大学方岱宁院士团队合作开展了考虑增材制造几何约束的自支撑晶格单元创新设计策略研究，相关成果成功用于我国多个新型超轻航天器结构设计与制造。 受固体物理学中晶体学的多重旋转对称性的启发，研究人员设计了三类用于3D打印的自支撑晶格，分别具有三、四和六重旋转对称性。每类晶格都可以分为四个层次级别，使结构从以弯曲为主逐步变为以拉伸为主。使用节点位移法推导出自支撑晶格的弹性本构关系，并通过与有限元计算和力学实验的对比，验证了本构关系。这项工作提供了由自支撑晶格组成的复杂结构设计中刚度特性的等效关系，该结构已用于新型超轻型航天器结构的设计，包括： • 2019年发射的千乘一号01星中的格构夹芯板组成的卫星结构； • 2019年发射的中巴地球资源卫星04A星中的拓扑优化薄壁结构和晶格填充动量轮支架； • 月球及火星深空探测器的相变热控制器以及集热器框架由薄壁和晶格填充结构组成。 基于本文提出的自支撑晶格和铝合金打印的航天器结构应用：(a) 由格构夹芯板组成的卫星主体结构 (b) 由拓扑优化的薄壁和晶格填充组成的动量轮支架(c) 由薄壁和晶格填充组成的相变热控制器结构(d) 由薄壁和晶格填充组成的集热器框架结构自支撑晶格结构的制造约束与设计本文所述的晶格结构的3D打印均是采用激光粉末床熔融（SLM），该工艺的几何约束主要表现为封闭空腔、间隙、薄壁、悬垂以及最小/最大尺寸等，其中只有悬垂角影响晶格结构的参数。根据研究，结构的尺寸误差和表面粗糙度随着结构与水平方向之间的角度减小而增大。对于小于35 ◦结构，需要添加支撑防止坍塌或严重变形。如果支撑结构在零件外部，则容易去除；如果在零件内部，则难以去除。为了实现高精度设计并避免在制造过程添加支撑，自支撑杆外伸角度需要大于35◦。为此，研究人员在自支撑格架的设计中考虑了悬臂角约束。与传统的任意角度支杆构成的格架不同，自支撑晶格除了水平支杆外，还包括倾斜支杆和垂直支杆。 晶格晶胞被定义为具有晶体结构完全对称性的最小重复单元。研究人员采用三重、四重和六重旋转对称操作来设计用于3D打印的自支撑晶格单元。第一层级单元仅由倾斜方向的支柱组成，然后通过相对于水平面镜像结构来获得具有旋转对称性和镜像对称性的第一层级晶格单元；最后，通过在空间中重复可以获得三种晶格结构。 具有三重、四重和六重旋转对称性的第一层级晶格单元设计 通过在第一层级晶胞边缘添加垂直支柱形成第二层级设计，每个晶格单元形成了三个、四个或六个三角形，三角形充当第二层级的稳定子结构，这种设计可以提高晶格的结构属性，降低机械属性。 在第二层级点阵的侧面增加一个方向的斜杆就形成了第三层级的点阵，每个斜支柱构成一个新的三角形，其中有两个斜支柱连接晶格单元的中心。三级晶格的变形是拉伸主导变形，第三层级格子的承载效率可以超过第二和第一层级。 具有三、四和六重旋转对称性的第二、第三和第四层级晶格单元的设计 在第三层级基础上再增加一个方向的斜杆形成第四层级格子结构，第四级晶格表现出更好的抵抗晶格缺陷的能力。 基于以上设计，共形成了12种自支撑晶格材料结构设计，通过复制填充到空间中。这些设计对于专业外的读者稍显晦涩，需要将3D打印技术参考的表述和原文对比，仔细甄别。 具有三重、四重和六重旋转对称晶格的12种设计 数值分析与试验验证研究人员使用ABAQUS 2017软件进行了有限元分析以验证弹性变形-本构关系，计算了十二种类型的晶格，并与SLM制造的实际结构的机械性能进行了对比。 3D打印的自支撑格层结构为5层，晶格支柱的直径与板层厚度均为0.6mm，倾斜支柱与水平方向之间的角度为45°，材料选择AlSi10Mg粉末，打印完成之后在280°C 下进行2 小时的热处理，以减少结构内部的残余应力。 由 SLM 制造的自支撑格层试样 建立与晶格夹层试样相同尺寸的等效有限元模型，将实验结果与弹性变形-本构关系进行比较。每个模型由三层组成，即上层、下层和等效连续体层，刚度由本构关系得到。下层被夹紧，同时限制上层旋转，并在压缩方向上施加单位位移。 研究发现，理论和实验结果之间的误差在-7.2% 和 8% 之间，这可能与制造尺寸误差以及面板引起的边界效应有关。在亚毫米尺度上，格子撑杆直径的变化可以达到±10%，即格子撑杆的实际直径为设计值的90%～110%。那么，格子撑杆的实际截面积为设计值的81%~121%。根据弹性模量、力和支柱截面积的尺寸关系，3D打印晶格的实际弹性模量在设计值的82%~123%之间，即误差在-18%~23%之间。本作品中显示的误差在范围内，因此是合理的。 通过实验和等效计算得到压缩模量 END 研究人员基于固体物理学中晶体学的多重旋转对称性，提出了一种考虑增材制造几何约束的自支撑晶格的创新设计策略，并成功在航天器结构中获得应用。 另据媒体报道，超轻型金属晶格结构解决了深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现了极其复杂结构的功能集成。而当前我国的深空探测器，无疑是指“嫦娥”系列和火星探测器。这种外部蒙皮+内部三维点阵、变密度、内部含有流道等特殊复杂的构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生了较大的综合效益。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.天问一号变推力发动机等采用3D打印零件，减重、减体积是关键 2.“天问”携“祝融”成功落火，航天五院529厂积极开展3D打印技术的研究与应用 3.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号今日成功着陆火星 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，福特宣布与惠普合作，将废弃的3D打印粉末和零部件转变为注塑成型的汽车零部件，从而形成生产的闭合回路，这种方式为行业首创。对于这两家公司而言，可持续性是发展的重点。通过此次合作，双方开发出了这种看似不太可能但却环保的解决方案。该方案生产出来的注塑零部件不仅可满足福特及其客户对耐用性的要求和质量标准，而且更加环保。 （图片来源：福特） 回收材料将被用来制造注塑燃油管管夹，且该管夹被首次安装在福特Super Duty F-250卡车上。与传统管夹相比，该管夹具有更好的耐化学和耐潮湿性能，且重量减轻7%、成本降低10%。此外，福特还发现，当今车辆上另有10个燃油管管夹可以使用这种回收材料，因此未来也将采用这种材料。 福特公司可持续发展技术研究员Debbie Mielewski表示：“福特公司对于寻找能够利用可持续材料的新方法充满激情，因为这不仅可以减少浪费，还可以引领循环经济的发展。许多公司都能够很好地利用3D打印技术。但福特公司与惠普此次推出的新方法首次实现了废弃粉末的高价值应用，将原本可能会废弃的粉末转变为有用的、耐用的汽车零部件。” 惠普3D打印机旨在提高效率，其系统和结构可最大程度地减少产生的多余材料并可重复使用添加的大部分材料。福特公司高级制造中心（Advanced Manufacturing Center）使用的正是惠普3D打印技术，而惠普与福特的合作研究小组研发的新解决方案可实现零浪费。 惠普首席可持续发展和社会影响官Ellen Jackowski表示：“通过3D技术可使生产过程更具可持续性，但惠普希望做的更多，一直努力推动行业寻找可减少、重复利用和回收粉末及零部件的新方法。我们与福特的合作进一步扩展了3D打印技术的环境效益，表明我们可以与不同行业合作，更好地利用废旧制造材料，从而实现新的循环经济。” 福特正在开发新的应用，并利用多种不同的工艺和材料进行3D打印，包括丝材、粉末和光聚合树脂等。该公司已经将3D打印用于各种小批量的商用车零部件以及流水线工人使用的固定装置中，从而节省时间并提高质量。 福特的目标是使车辆使用100％的可持续性材料。Mielewski表示：“实现福特的可持续性发展目标并解决广泛问题的关键是与其他公司合作，仅凭自己是做不到的。通过与惠普合作，我们对浪费问题更加明确，并解决了技术难题，从而在一年内找到了解决方案。” 还有三家公司同样也助力福特和惠普事项项目成功。着眼于下一代口腔护理的SmileDirectClub公司拥有首个用于矫正牙齿的医疗技术平台，在美国拥有最大的惠普3D打印系统设施——60多台惠普3D打印机每天可生产40000多个对准器，该公司负责为福特收集回收废弃的3D打印机零部件；惠普的长期回收合作伙伴、树脂生产商Lavergne，会将模具和来自福特惠普3D打印机的废粉转化为适合注塑成型的高质量再生塑料颗粒；从事设计和生产装配的ARaymond公司，也是福特供应商。该公司最后会将塑料颗粒成型为燃油管管夹。延伸阅读：采用3D打印和机加工回收废料生产优质金属粉末 不仅高分子粉末存在废料，金属3D打印产生的废料、废品可能会更多，这对于本来就非常昂贵的金属粉末来说，造成的浪费确实非常严重。当前，早有企业着眼于将金属3D打印过程中已经循环多次使用的旧粉、废件，甚至机加工的铣削、磨削废料拿来重新加工，进而生产优质粉末，其目的就是实现循环经济，降低企业的生产成本。 促进增材制造向循环经济发展这项技术目前被美国6K以及MolyWorks公司大力倡导。据6K CEO介绍，气雾化法至少有50％的成本来自粉末的产量损失，而采用该公司的微波等离子体工艺的制粉效率则高达90-95％。该工艺能够非常精确地控制金属熔化成液滴的环境条件，通过调整时间、温度和流量大小，可以产生大量近乎完美的球形金属颗粒。采用机加工废料为原料，6K已经生产除了的高级In718镍基高温合金粉末以及钨、钼、17-4PH不锈钢、IN625、TC4等粉末产品。除此之外，6K公司还在开发3D打印用非共晶合金粉末，如高熵合金、特种铝合金等。 凭借该技术，6K成为世界首个可以利用可持续资源，生产增材制造粉末的公司。其目标是100％的利用进入供应链的所有材料，为增材制造用户提供一种新的项目成本管理和供应链控制方式，并同时朝着实现增材制造循环经济的方向发展。 6k微波等离子体工艺已生产的粉末 2020年，美国航空航天增材制造企业Relativity Space宣布与6K建立战略合作，共同开发经济、可持续的材料用于火箭3D打印。该合作将建立闭环供应链，届时，Relativity生产过程中产生的废料将通过6K转化为优质粉末，并重新部署到Relativity工厂。两家公司还将共同开发用于火箭制造和太空应用的新材料。 MolyWorks的技术思路也是将金属打印的废料转化为优质粉末，同时该公司提出了“Mobile Foundry”的业务发展模式（也可称为移动方舱），即在金属废料的产生地现场消化并转化为优质粉末。该提案获得了美国小企业创新研究计划(SBIR)以及美国陆军的支持。移动方舱被运送到战场，现场将弹壳、损毁的发动机缸体、装甲甚至午餐盒等废料转化为优质粉末。同时，该公司还将钛合金锻造废料转化来的粉末3D打印成了空军起落架的非结构件。 MolyWorks移动式方舱在战场现场将废料转为优质粉末并再打印为需要的零件 一般而言，与开采和加工新矿石相比，回收金属往往具有更高的能源使用效率，但是回收给定材料的收益可能会有所不同。MolyWorks最为关注钛合金，其使用量占全球增材制造市场的30％左右，并且也是回收利用率最高的材料之一。钛合金在使用过程中具有抗腐蚀和防锈的功能，这意味着它在回收时会更纯净。钛合金在回收冶炼过程中需要高真空的熔融气氛以防止污染，约90％的钛废料可以回收利用，而其他金属（如钢和铝）的回收利用率基本接近60％。 END 材料的成熟度和扩展方向一直以来是3D打印发展的最大问题。近两年的材料发展超越了之前的5-10年，这得益于与传统制造业对比，3D打印无需开模、可以进行个性化定制，甚至不需要过多的后期机加工等繁杂的步骤。与此相对的材料价格也在不断下降。在产业不断发展的同时，更多的问题得以暴露，同时也产生了更多降低成本、发展循环经济的方式。 无论是惠普和福特，还是6K和MolyWorks，他们的发展模式都为创造更好的3D打印体验提出了新的方向，产业涉及的范围也被拓展的更宽更深。 注：本文惠普和福特的合作内容来源于盖世汽车社区，已获授权。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.新型材料助力3D打印行业的循环经济之路 2.中国航发：金属粉末循环使用导致的成分及打印件性能变化 3.增材制造关键词：绿色、柔性、高产、数字化 4.破除忧虑——采用金属回收废料制造的3D打印粉末能否符合规格

与所有制造过程一样，最终产品的质量在很大程度上取决于基材的特性和加工技术的精度。对于金属3D打印，尤其是粉末床熔融工艺，即便有很多厂商已经意识到在粉末生产、处理以及打印再到后处理的过程中应当进行气体保护，但对于此方面的研究几乎未受到充分关注。一个关键的问题是，对于采用不同的气体保护，是否会取得不同的结果。 全球最大的工业气体生产商林德集团和医疗领域增材制造的领导者法国3D Medlab公司合作，展开了在特殊气体氛围下，对3D打印钛合金点阵结构生产质量的影响，双方希望以此提高由Ti64制造的医疗产品的质量和生产效率。因为像晶格这样的结构必须稳定、具备所需的所有机械性能，最重要的是能够维持细胞的生长。然而3D打印过程中的烟尘和杂质会导致零件中产生缺陷，即使氧气含量的微小差异也会影响元素的稳定性，从而破坏材料的结构和化学特性。 3D Medlab晶格结构植入物 该研究于2020年1月至2021年3月完成，双方研究了新工艺气体对Ti64晶格结构在激光粉末床熔融(L-PBF)过程中的飞溅形成、工艺稳定性及3D打印零件性能产生的影响。使用光学断层扫描进行的过程监控表明，与单独使用氩气相比，使用氩气-氦气混合气体保护，显著减少了激光熔融过程中的飞溅。研究结果证实，这种氩氦混合气体可将飞溅物的排放量降低35%，显著降低了缺陷的产生风险并提高了零件的整体表面质量。 氩/氦混合气体显著提高了零件的整体表面质量 林德增材制造粉末冶金专家表示：“可靠、可重复的3D打印能力是提高产品质量的关键，这对医疗行业至关重要。此外，从商业角度来看，打印时间是增材制造中重要的单一成本要素，但通过使用恰当的保护气体可以提高薄壁零件的打印速度。林德的新型氩氦混合气体正是为此而开发，是钛合金医疗器械制造领域向前迈出的重要一步。” 3D Medlab增材制造主管表示，孔隙率水平和表面质量是高复杂零件机械性能质量的基本要素，通过确保产品尽可能接近原始设计规格，同时减少可能带入人体的金属粉末，该指标因此成为业内定义增材制造医疗器械质量的首要标准。通过与林德公司的联合研究发现，氦气与氩气的合理平衡，可以对打印质量和生产效率产生重大影响。 有资料指出，打印室内的惰性气体是影响零件质量和整体生产速度的关键因素，该研究的主要目的也是评估理想的气体混合物来优化这两种结果。单独使用氩气时，打印过程会观察到大量飞溅物（或由激光引起的熔融金属颗粒）落至相邻打印部件上。在高度复杂的零件上产生飞溅会影响打印质量，并导致零件螺纹的质量下降。此外，使用纯氩气会产生一定程度的孔隙率。 延伸阅读：「氮/氩」混合气体显著提升工业纯钛3D打印零件的性能 更高的生产效率并不以牺牲质量为代价，根据断层扫描的结果，林德和3D Medlab的研究将孔隙率降低了70%，而点阵结构的压缩性能仍与仅用氩气时相当。除了这两家公司在混合气体方面的研究之外，国内南方科技大学严明教授课题组在多年前研究了氮气与氩气混合气体对商业纯钛和钛合金3D打印零件性能的影响。研究发现，采用氮气与氩气的混合气体作为保护气体，相比于传统工艺中充入氩气作为保护气体，额外的氮元素能够强化钛材料，使材料的力学性能明显更加优异。 在商业纯钛3D打印过程中采用氮、氩混合气体进行保护 严明教授课题组研究数据 通过对同一种工业纯钛的实验研究发现，当氮比重为0.65wt.％时，材料的综合力学性能达到最佳，屈服强度和拉伸强度分别达到807和1037MPa，断裂伸长率为19.15%，与纯Ar打印试样相比，分别提高了49.53%、42.02%和0.78%，显著高于仅采用氩气保护条件下的材料性能。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 2.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 3.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 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