拓扑优化与增材制造分别是新型高效结构的先进设计与制造技术，二者有效融合充分发挥了各自优势和潜力，在航空航天和高端装备领域展现出广阔应用前景。 西北工业大学张卫红教授研究团队对近年来国内外160余篇相关研究论文进行了详细综述，分析了面向增材制造的拓扑优化技术研究热点、亟待解决的关键问题以及面临的挑战，为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。相关成果以"A Review of Topology Optimization for Additive Manufacturing: Status and Challenges"为题受邀发表在Chinese Journal of Aeronautics 2021年第一期。 研究热点 将拓扑优化设计方案按照工艺要求快速重构并直接增材制造是当前工业界实现快速优化设计与制造的重要发展方向。为促进拓扑优化与增材制造融合应用，当前研究工作主要从材料结构一体化和结构工艺一体化两个方向展开。 材料结构一体化充分发挥增材制造强大的个性化制造能力，以多尺度结构设计为代表，如图1所示。微小的点阵结构不仅表现出轻质高强的高承载特性，还表现出优异的隔热、抗冲击、减震降噪等多功能特性，在功能结构中发挥重要作用。多尺度结构可以从宏观-细观-微观多个尺度合理设计材料布局，充分发挥材料潜力实现轻量化。 目前多尺度结构拓扑优化方法主要有三类：1)”退化”的拓扑优化，通过降低和取消密度惩罚得到连续化和梯度化的密度分布，并依据密度投影关系填充不同密度的点阵，该方法简便易行但难以直接优化点阵构型；2)基于梁参数优化的多层级结构设计，以构成点阵的梁为基本单元，优化梁截面直径实现梯度变化的多层级结构；3)以均匀化理论为桥梁关联微观构型与宏观等效性能，同时对宏观结构和微观构型进行协同优化实现材料效率最大化。 图1. 典型的多层级结构：(a)金属多层级点阵结构，(b)卫星支架结构，(c)发动机支架结构，(d)点阵填充的薄壳结构 将增材制造工艺约束如特征尺寸限制、连通性要求、悬空角约束(图2)融入拓扑优化设计方法是另一类研究热点，即结构工艺一体化设计。受增材制造设备成形精度的限制，需对拓扑优化生成的细小分支结构进行控制，针对基于密度法和水平集法的拓扑优化方法，研究人员分别提出了密度过滤技术和显式尺寸控制技术来实现特征尺寸约束。 由于增材制造成形后需依据不同工艺去除残余的未固化树脂、未熔融粉末和辅助支撑，要求结构内部不能含有封闭空腔，研究人员分别提出了虚拟温度场法、选择性生成通道法和特征空洞中心外置法来消除封闭空腔。最后，为了降低甚至消除辅助支撑结构，自支撑结构的设计作为当前的研究热点受到广泛关注，研究人员一方面对支撑结构形式和打印方向进行优化，另一方面将悬空角约束引入拓扑优化从根本上消除支撑结构。 图2. 增材制造成形质量随悬空角减少而降低 研究挑战 随着面向增材制造拓扑优化技术的深入，一些新的问题与挑战也随之出现，如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料性能各向异性、增材制造材料与结构疲劳特性以及功能梯度材料的设计与制造。在多尺度点阵结构设计过程中，均匀化理论通常用于表征微观结构与宏观性能之间的关系。但基于尺度分离假设构建的均匀化理论难以准确描述增材制造点阵结构力学性能，因此需要构建能够描述尺度关联效应（图3）的表征方法，如子结构法和多尺度有限元法。另外，基于梁单元建模虽然能体现尺度关联效应，但梁节点位置通常会产生材料体积和刚度误差，因此建立普适性的补偿方法是提升梁单元点阵分析精度重要方法。 图3. 点阵结构尺度因子对体积模量的影响 增材制造叠加成形过程中散热不均使材料在不同方向上的固化/结晶/粘接速度不同，产生了非均匀微观结构与材料力学性能(图4a)，对结构拓扑优化设计和应用提出了新的挑战。一方面需要精确表征成形材料力学行为，另一方面可以基于横观各向同性材料模型，充分利用不均匀性设计出性能更优异的结构。 此外，增材制造过程中大量存在得到未熔融区域和气孔缺陷(图4b)导致增材制造结构件的疲劳性能通常弱于相应锻件(图4c)，除了采用热处理(如热等静压)改善疲劳性能外，还应将疲劳性能指标引入结构设计中，发展面向疲劳性能的拓扑优化方法。 图4. 增材制造17-4 PH不锈钢的力学性能：(a)微观结构，(b)气孔缺陷，(c)疲劳性能 最后，功能梯度材料与多材料结构功能一体化系统在工程上有广泛的应用前景，但其优化设计与增材制造仍是一个富有挑战性的课题。一方面，多材料拓扑优化技术的发展为功能梯度材料的设计提供了新的内容，使不同材料可以根据外载条件得到最优布局。另一方面，多材料增材制造是功能梯度材料最理想的制备方法，但不同材料融合机理、材料性能、成形工艺约束等问题仍需进一步深入研究以适应制造功能梯度材料的需求。 近期Nano Dimension发展了首项增材制造PCB板的侧装技术，生产的Dragonfly精密增材制造系统(图5)可以显著提升PCB板性能，促进了多材料增材制造系统的发展。但是如何在多材料结构系统设计与成形过程中综合考虑系统承载力学行为、功能行为、承载性能与系统功能相互影响机制、系统可靠性、可维护和可修复性等，仍然是亟待解决的问题。 图5. 增材制造复杂PCB板 总结展望 本文回顾了近年来面向增材制造的结构优化设计方法主要研究内容和目前存在的问题与挑战。虽然拓扑优化和增材制造均有三十余年的发展历史，形成了各自比较完善的研究体系，但将两者深度融合从而充分发挥出各自优势仍是比较新的研究领域，在设计方法理论与制造工艺技术方面依然存在诸多挑战。尤其是在精确表征复杂点阵构型力学性能，发展先进制造技术如多轴增材制造系统、材料结构工艺一体化融合、复杂多材料结构功能一体化系统设计制造仍需深入研究。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.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 2.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 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.赛峰与SLM Solutions合作3D打印大尺寸商用飞机前起落架组件

近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授葛锜团队和西北工业大学副教授张彪团队在Advanced Materials合作发表论文，报道一种用于光固化4D打印的超高力学性能形状记忆高分子材料。这种新材料在橡胶态断裂应变超过1240%，在150%-250%的应变区间可以重复加载超10000次。此外，其优异的光聚合性能使其成为数字光处理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和软体机器人领域应用潜力非常大。该项研究被Advanced Materials后内封面重点报道。 4D打印是一种新兴的制造技术，它能够使打印出来的三维结构的形状在外界环境刺激下随时间变化。与用于4D打印的其他主动软材料（Soft Active Materials -SAMs）相比，形状记忆高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的刚度，并且能与各种3D打印技术兼容。其中，采用DLP 3D打印技术打印可光固化SMP，可以制造具有复杂几何形状和高分辨率的4D打印结构。然而，现有可光固化SMP在力学性能方面具有局限性（伸长率偏低、抗疲劳性能差等），这极大地限制了它们的应用范围。因此，亟需发展可承受大变形且具备抗疲劳能力的光固化SMP，以满足工程应用中对4D打印智能材料力学性能的高要求。 图 1. 超高力学性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技术的4D打印 联合研究团队合作开发出了一种超高力学性能可光固化SMP体系。该材料体系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）组成，故称为tBA-AUD SMP体系。如图1所示，该SMP体系极易光固化，与基于DLP的3D打印技术兼容，可以制造出高分辨率-高度复杂的3D结构。研究团队开展了大量实验，研究tBA-AUD SMP体系的大变形机理和探索其在高承载-大变形结构中的工程应用。 图 2. tBA-AUD SMP前驱体溶液的相关特性 如图2所示，通过流变测量、凝胶分数试验和固化时间测试表征了tBA-AUD SMP前驱体溶液的3D打印性能。交联剂AUD含量在50 wt%以下前驱体溶液具有较低的黏度，适用于DLP 3D打印。AUD含量越高, tBA-AUD SMP体系的平衡凝胶分数越高，固化相同厚度的前驱体溶液所需的时间越短。 图 3. tBA-AUD SMP体系的热力学性能 如图3所示，通过热力学性能测试标定了tBA-AUD SMP体系的大变形、形状记忆和耐疲劳性能。tBA-AUD SMP体系在编辑温度（80 °C）下具有较低的弹性模量和超高的断裂伸长率。tBA-AUD SMP 体系具有近乎100%的形状固定率和良好的形状恢复率（~90%）。此外，这种SMP材料可以承受超过10000次大变形循环加载（循环应变150%-250%）。 图 4. tBA-AUD SMP体系的大变形机理 如图4所示，通过红外光谱测试、应力松弛实验和单轴拉伸试验对比新鲜试样和10000次疲劳后试样，以阐释tBA-AUD-SMP体系的大变形和抗疲劳机理。AUD交联剂的高分子量和氢键的综合作用赋予了tBA-AUD SMP体系大变形性和抗疲劳性。 图 5. tBA-AUD SMP三维构件的高度变形能力及其在智能家具中的工程应用 图 6. tBA-AUD SMP在航空航天中的应用 如图5和图6所示，3D打印的 tBA-AUD SMP三维构件具有高度变形能力，在智能家居和航空航天等工程应用中潜力巨大。tBA-AUD SMP的断裂伸长率远高于先前报道的各种可3D打印SMP。使用tBA-AUD SMP打印的三维结构具有大变形能力和高承载能力，使其成为制造带有SMP铰链的智能家具的理想材料。利用tBA-AUD SMP的快速热响应能力，可以制作用于展开太阳能电池板的智能铰链。通过穿过铰链微孔的电阻丝的加热，折叠编辑的铰链可在1分钟之内恢复到笔直状态，完成太阳能电池板的快速部署。该项研究开发了适用于DLP打印的大变形-抗疲劳形状记忆聚合物光敏树脂，可以满足各类4D打印工程应用对先进智能材料的高断裂应变、高抗疲劳能力、高承载能力和适应于先进制造工艺等的综合要求。西北工业大学副教授张彪、南方科技大学博士后李红庚和博士生程健翔为论文共同第一作者。葛锜为论文的通讯作者，南方科技大学为唯一通讯单位。该项研究得到国家自然科学基金、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室和陕西自然科学基础研究计划等项目资助。注：本文内容来自南方科技大学。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大在液晶弹性体3D打印研究方面取得新进展 2.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域 3.结构易仿、制造不易、科学更难 | 史玉升教授团队的4D打印研究进展 4.南科大：一种新型抛光技术，可获得纳米级超光滑表面

TIWARI Scientific Instruments（TSI）是一家以设备为导向的德国初创企业，专注于材料热测量和测试系统以及金属和陶瓷增材制造技术，并为欧洲航天局（ESA）提供服务。其开发的熔丝FFF 3D打印工艺，可以在丝材中加入金属或陶瓷颗粒，并最终得到金属或陶瓷部件，从而为空间应用提供制造能力。 使用该工艺制造的不锈钢、钛、氧化铝以及碳化硅零件已经在ESA材料和电气元件实验室进行了全面的无损和破坏性测试，以评估其附加值和空间使用性。出人意料的是，这些3D打印的零件与传统制造的同类产品相比，具有更高的机械性能，其中不锈钢可以在不断裂的情况下延长到以前无法实现的100%。 3D 打印的碳化硅过滤器 作为欧空局的孵化企业，TSI注重材料的热和机械性能。基于高的导热性，纯铜的3D打印一直备受关注，TSI希望能够推出低成本的3D打印解决方案。近日，该公司成功采用FFF技术实现了高密度、结构复杂、无氧纯铜散热器打印。 将纯铜加工成粉末或细丝均极具挑战。纯铜的3D打印工艺目前虽有很多，但多为孤例，每一种工艺从事的企业都极少。采用绿激光打印是当前粉末床技术的重要发展，而适用于3D打印的绿光激光器却极少，通快推出的产品目前也不单独出售。对于要求苛刻的应用，采用SLM打印的零件可能仍需要额外的机加工和后处理，这个过程可能会影响到零件的成分和性能。 使用 nTopology 设计、TSI熔丝3D打印的纯铜热交换器 TCT展会上通快的纯铜质量评估样件 使用FFF技术，部件打印的层厚设置为50μm，由于层厚导致的粗糙度会在烧结过程中因为收缩而降低。零件在生坯条件下可以手动抛光或机械加工，从而降低了进一步后处理的成本，然后再进行脱脂和烧结。采用TSI的技术，金属和陶瓷部件的致密度可超过 99%。 采用挤出技术3D打印金属部件，目前比较知名的国外企业有Desktop Metal和Markforged，国内有升华三维、上海复志以及纵维立方。DM的设备推出多年，但似乎在升级和应用方面并没有太多新闻，国内厂家的技术多比较类似。在材料方面，国外企业多可自主生产材料，国内则多采用第三方材料。 使用 nTopology 设计、TSI熔丝3D打印的纯铜热交换器 热交换器散热效果模拟 通常，金属丝材的粘结剂含量较高，体积比占40%左右。在TCT 3D打印展会期间，上海复志展示了其公司基于挤出的金属3D打印机，在打印机旁放置的脱脂炉非常显眼；升华三维也在其官网展示了其脱脂炉；而Exone等公司的粘结剂喷射技术，则是将脱脂和烧结一步完成，没有单独的脱脂环节。 升华三维的脱脂炉 Markforged金属3D打印零件国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料，成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据，通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%，铜纯度为99.9%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。 在DLP纯铜3D打印工艺方面，国外Holo公司利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印，同样是结合已经非常成熟的金属注射成型（MIM）后端工艺，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。Holo还对树脂基体的成分进行了优化，它不同于金属注射成型中使用的蜡基材料，后者中的某些化学物质会影响烧结零件的机械或化学性质。Holo公司称其浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。 对于纯铜3D打印工艺的开发，主要围绕导热性和导电性展开。铜的导电性与其纯度直接相关，任何污染物，特别是铁，都会影响最终性能。实际上除了激光和电子束能够直接熔化成型纯铜，DLP、FFF、3DP等工艺都无法摆脱脱脂烧结工艺。作为近些年流行起来的新金属3D打印类型，人们更应该关注3D打印之后的环节。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.纯铜3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 2.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度 3.迄今最高：立体光刻3D打印强度超1GPa的氧化铝陶瓷 4.最新：ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印

6月2日，经中国工程院院士增选第一轮评审，产生进入第二轮评审候选人235位，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打印专家王向明入选。此前入选第一轮的其他3D打印专家遗憾未能进入第二轮候选，但他们将继续引领行业进步。 在航空制造领域，王华明教授率先在钛合金大型复杂主承力件激光熔化沉积控形、控性、装备、标准等方面取得重大突破，并于2015年入选中国工程院院士，而王向明考虑更多的则是如何实现创新设计、确保使用安全，着重解决3D打印面临的“会用、敢用”的问题。 王向明，工学博士、研究员、博士生导师。主持或参与多个型号机体结构设计。现任航空工业集团沈阳飞机设计研究所项目总设计师、“鹘鹰”飞机常务副总设计师、航空工业集团增材制造首席专家、创新结构国防原“973”技术首席、飞行器新概念结构航空科技重点实验室主任、辽宁省增材制造共性技术创新中心主任。某部先进制造技术专业组增材制造责任专家。王向明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。授权发明专利32件，发表期刊论文53篇、出版专著5本、撰写重要研究报告40余篇，大型学术会议特邀报告15次。 王向明在西安增材制造高峰论坛 2014 年，美国将增材制造列为重大颠覆性国防技术。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。 王向明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。 基于发明的增材熔合连接方法，王向明提出多种增材主承力结构设计方法，即通过增材熔化沉积填充，一边成形、一边连接，将两个构件合并为一个整体，使构件做得更大、更复杂。其中具体包括残余应力临界值仿真预测、离散分区成形、去除残余应力、增材熔合连接，涵盖创新设计、性能评定、工程验证等。与焊接的区别是，突破厚度限制，力学性能与母材相当，近似“无痕”连接。研制出框-梁等多种整体主承力结构，拓展法向复杂承载维度。 王向明提出基于增材制造的新概念机构 针对熔合连接区疲劳特性评定，王向明提出当量应力集中系数法。将熔合连接区内部细观缺陷打包，与母材宏观应力集中当量等效，利用名义应力法确定当量应力集中系数值和寿命算法，以此作为疲劳和工艺质量评价判据。针对疲劳寿命安全，王向明建立工程化验证专用模式，与传统积木式验证不同的是，力学性能考核与工艺过程循环迭代，这样可及时暴露性能缺陷，加快改进，使增材制造主承力结构件的寿命安全保障有了技术支撑，进而解决寿命安全风险控制难题。 拓扑结构是公认的轻量化结构，减重效率可近一半，具有极大应用潜力，受到工程界的普遍关注。王向明认为，拓扑结构属静定结构范畴，任一分支失效都将导致总体破坏。寿命安全如何保障？为此，他提出按寿命设计和稳定性设计所产生的强度裕度等效面积作为裂纹扩展容限区域，分不同情况建立拓扑结构局域损伤容限设计准则。针对拓扑结构机加难点，他还提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工艺方法，机加量减少70%，制造成本也得到降低。 上述研究解决了增材主承力结构创新设计难题，成效显著，零件数量减少2/3、结构减重1/5、疲劳寿命增加1/3。“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得了国家技术发明奖一等奖的殊荣，这一项目由沈阳飞机设计研究所负责设计验证，北京航空航天大学负责制造。 早在2003年，王向明就与王华明教授开展密切合作，共同为飞机结构件“量身定做” 王向明介绍，选区熔化增材制造技术可打印出内部形状复杂的轻质功能件，但常规点阵结构的节点承载能力大都不满足飞机功能结构要求。为此，王向明将点阵结构的节点半径作为设计变量，通过形状优化降低应力集中和重量，由此建立多种拉压承载型节点强拘束微桁架单胞。他提出节点剪切强度计算方法，发现敏感设计参数（微杆半径），并据此建立有效设计手段；打印出散热器、格栅等多种高效功能件，解决了增材高承载功能结构创新设计难题。功效实现质的飞越，功能效率提高一倍、减重近2/5、零件减少95%。另外，据王向明介绍，飞机战损/战伤比为1∶20，结构战伤占近90%，若无法及时抢修即相当于战损。对此，他提出了补强几何应力集中/填充复合应力集中最小的修理设计方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修复流程与数据库——设计、评定、制造、修复。主持完成了3类材料、9类构件的地面静态、摇摆动态环境下的工程验证，为保持舰载机完好率提供技术途径。 上述成果应用于多个型号项目，单机用量达复合材料用量的1/7，含5种工艺、9种材料。开辟了增材构件在飞机上工程化应用先河，实现了质的飞越，应用进程保持领先，使我国成为唯一实现增材制造构件在飞机上规模化应用的国家。王向明领衔的“基于增材制造的飞机结构创新设计与工程应用”项目由此获得了国防科技进步奖一等奖。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.史玉升、王向明等4位增材技术专家确认2021中国工程院有效候选人 2.贯通材料、设计和速度，打开3D打印应用的大门 3.材料–结构–性能一体化增材制造 | 顾冬冬教授发表南航首篇《Science》论文 4.提前布局MES，迎接增材制造批量化生产的时代

3D打印技术的主要价值之一在于能够生产传统工艺几乎无法制造的特殊设计，而实现创新且复杂的3D设计，几乎所有的公司都很难做到，这不仅需要想象力，还需要软件工具来实现；材料，是影响3D打印应用的关键，它直接决定了终端用户能否使用，即便当前3D打印材料种类繁多，却依然难以通过很多领域的使用要求；速度，则是影响应用成本的关键，3D打印速度的突破将使其应用范围变得更加宽广。然而，很少有公司能够同时贯通材料、设计和速度，而走通了这条路，至少可以打开一个应用领域，例如Carbon公司。 功能强大，性能导向的晶格设计软件 Carbon不仅仅是一家3D打印设备制造商，还是一家材料商和软件公司，它在3D打印运动鞋制造市场中占有举足轻重的地位。其推出的高性能材料和设计工具不仅成就了Adidas的新型产品，更几乎“灭掉”了其他3D打印工艺在该领域的光彩，至少到目前为止，采用其他工艺的其他运动品牌已经许久未推出3D打印新品。 晶格，几乎是区分一款运动鞋是否采用了3D打印工艺的标志性特征，这种结构的性能具有很高的设计灵活性，通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，可以达到结构的强度、韧性、耐久性、静力学和动力学性能的完美平衡。 Design Engine是Carbon推出的用来生产优化产品的设计软件，尤其专注于晶格结构的生成。传统设计工具在进行增材设计时难以完全兼容，尤其是对于以晶格为代表的复杂结构。Carbon公司指出，Design Engine是为简化晶格结构设计而生，基于云端的强大计算能力可以在几分钟内生成高级共形晶格，减少了对单机运算力的需求。 高度约10cm的零件生成晶格结构仅需117s 作为在晶格结构应用方面的领导者，Carbon注重晶格结构的性能特点。Design Engine支持用户在尝试不同设计时准确预测机械性能，从而帮助用户调整设计并缩短开发时间。同时，软件采用交互式界面，可同时制作五种不同的结构设计。即便对于最具挑战的外表设计，该软件也可以提供共形晶格结构设计，并减少生成设计后繁琐的修改步骤。值得注意的是，Carbon对于晶格结构性能的准确预测是基于本公司的材料。 在产品开发方面，Carbon已使用该软件成功设计了新冠肺炎检测取样拭子、高端自行车坐垫以及冰球运动行业从未有过的Super-Tacks X头盔。今年3月，Carbon宣布其所有会员用户均可以使用Design Engine软件。5月，Adidas推出最新款基于Carbon 3D打印技术的4DFWD运动鞋，并广泛使用了Design Engine软件进行鞋底晶格结构设计，新的点阵中底包含多达五百万种晶格结构，经过特殊编码，可以在垂直撞击时向前压缩，这种功能的实现均是通过晶格结构设计实现。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 前所未有，先进的3D打印可编程树脂 在很多情况下，由材料商或设备商推出的3D打印材料即便声称达到了多高的性能，但有时候却是只能感动自己。汽车领域的用户多次反馈当前的3D打印材料无法满足他们的性能要求，尤其是缺口冲击强度，PA、PP都无法满足。实际上每一种3D打印材料在其性能范围内只适合去承担其“力所能及”的应用，一味苛求它达到传统材料的性能在目前可能仍不可行。但，这反映了应用端对材料的迫切需求。无论材料商还是设备商，把握住这个需求，至少是掌握了打开市场的钥匙。 高性能树脂材料的开发便是Carbon成功的另一个关键，尤其是与粉末床熔融技术相比，Clip技术可以生产完全致密的零件。Carbon推出了多款高性能树脂，这些材料必须满足特定行业的性能标准和质量要求才能获得使用。 在汽车领域，福特、兰博基尼、自动驾驶技术公司Aptiv以及知名汽车紧固件制造和销售公司Araymond，均采用使用Carbon EPX 82材料批量生产汽车部件。EPX 82是一种高强度工程材料，其热变形温度为115°C，具有良好的冲击强度，非常适合要求强度、韧性和热循环耐久性均衡的应用，如连接器、支架和汽车和工业部门的外壳部件等。其机械性能可与玻璃微珠填充的热塑性塑料（如20％GF-PBT，15％GF-尼龙）相媲美，并符合USCAR-2流体兼容性标准。 兰博基尼SIÁNFKP 37通风口、APTIV拖挂式连接器盖、福特野马GT 500 EPB支架及兰博基尼SUV Urus油箱盖 在消费品领域，最为知名的应用便是Adidas采用Carbon的3D打印工艺、高性能树脂以及设计软件来大批量制造运动鞋中底。EPU 41是Carbon为Adidas Futurecraft 4D中底开发额革命性的弹性材料，双方密切合作，对150多种不同的材料配方进行了迭代，以实现所需的机械性能。用于最终生产的树脂材料特别适合生产弹性体晶格几何形状，在安全性和舒适性方面超越传统泡沫。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 在牙科和医疗领域，Carbon有专门用来生产牙模、间接粘合托盘、牙周夹板及导板的不同种类的医用树脂，并连续于2019和2020年在Dental Labs客户满意度调查方面排名排名第一。在其他领域，Carbon的Cyanate Ester 221材料被用来生产NASA自由飞行器冷气推进系统的四个高性能离合器零件，精密冷却系统制造公司Ebullient也采用该材料3D打印芯片冷却模块。这款材料材料性能与玻璃填充的尼龙相当，高热变形温度为230℃，并且具有非常高的刚性，非常适合制造需要长期热稳定性的组件。 3D打印的芯片冷却模块 从这些不同领域的应用可以发现规律，Carbon开发的树脂材料面向了客户需求，甚至与客户一同开发材料。与应用端结合，解决客户的需求，是其致胜的关键因素之一。相比之下， PA、PEEK、PP及其复合材料，是目前较为流行的3D打印高性能材料，而材料开发商在多大程度上是因为材料已经流行了而去重复生产和开发，有多少是考虑了终端用户的真正需求呢？来自汽车制造商的数据显示，目前主流的3D打印材料多无法通过实验室测试，尤其是冲击强度。 提升百倍，革命性的3D打印速度 Carbon最引人瞩目的成就便是对3D打印速度的突破，这是其成功的最重要因素。该公司的研究人员于2015年在Science上发表论文首次展示了这种称之为连续液面生成（CLIP）的技术，凭借一种半渗透窗，可以将氧气注入液体树脂，从而形成一种能防止固化的薄的“死区”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂固化成固体。机械臂缓慢地将不断增长的固体从树脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，这种技术无需一系列层合界面，因此产品更加坚固。而因为区别于其他DLP工艺的抬起和下降步骤，它比传统3D打印技术快了100倍。   Clip技术原理 Adidas 3D打印运动鞋底的成型过程 在速度方面的突破，证实了3D打印可以被用于制造业，因此也吸引了各方的持续关注和多轮融资。自此，Carbon与福特汽车、阿迪达斯和里德尔体育公司达成协议，分别为它们生产汽车零件、运动鞋底和橄榄球头盔。这同时成为Carbon取得3D打印批量制造和商业成功的关键。 Carbon为里德尔开发的3D打印橄榄球头盔 基于Clip工艺，Carbon推出了多种类型的3D打印机。Carbon M系列是功能原型的理想选择，在零件质量、准确性和一致性方面深得客户满意；Carbon L1打印机作为成熟装备，服务于需求量产的产品设计师、工程师和制造商，其成型尺寸为400 x 250 x 460mm，阿迪达斯Futurecraft 4D鞋中底和Riddell Diamond橄榄球头盔便是采用该机型打印，它提供了稳定的质量和可靠性，并能够按需生产。 Carbon-Adidas 3D打印生产车间 在商业模式方面，Carbon采取只租不卖的模式，按年收取费用。这一方面降低了终端用户尝试Carbon技术的初期投资压力，另一方面也使得终端用户在面临Carbon后期设备技术更新的时候，能更轻松的切换到更新版本的设备。 END 从Carbon的发展历程来看，其首先突破了3D打印技术的速度限制，其次开发出了多款高性能3D打印树脂，为其产品的工业应用打开了通道。设计软件的开发，则是基于3D打印工艺在复杂结构制造方面的优势，尤其立足于使用其公司的树脂材料在晶格点阵结构方面的优异性能，开发出了只有该公司产品才能实现的、可接受的成本先进应用。 而从业内众多成功案例以及增材制造发展的趋势可以看出，速度和材料成为了一家公司致胜的关键，没有哪家公司不是在基于更快打印速度的基础上同时推出先进材料，惠普、华曙概莫能外。而尚没有哪家公司可以像Carbon那样，只有利用它们的打印技术、材料才能实现创新设计的高性能和相对低成本应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中国工程院院刊：3D打印技术在多个领域取得进展 2.Carbon首秀TCT Asia并官宣:3D打印实现量产不再是传说 3.GE公司的新尝试：采用金属3D打印代替铸造，发现成本更加经济 4.预见2021：《2021年中国3D打印材料产业全景图谱》

2021年5月28日，国际著名学术期刊《Science》发表了南航材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授团队的研究综述论文《材料–结构–性能一体化激光金属增材制造》（Dongdong Gu*, Xinyu Shi, Reinhart Poprawe, David L. Bourell, Rossitza Setchi, Jihong Zhu, Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science 2021, 372, eabg1487）。标志着南航在基础研究和重大成果方面取得新突破。南航是本文第一署名单位，顾冬冬教授为本文第一作者和通讯作者。 同期Science主编以“跨尺度调控”为题，对论文做了亮点评述，认为激光增材制造有望变革零部件的设计方式。顾等人建议将串联式设计和成形构件的增材制造策略，变革至更为整体性的方法来优化金属构件。这种更为综合的方法将有助于减少制造所需的工序数量，并扩大可用于最终应用零部件的结构类型。 高性能金属构件是航空、航天、交通、能源等现代工业的基石，且高端装备的服役性能很大程度上取决于构件的高性能。高性能金属构件多服役于极端严苛环境，故对构件的选材、制造工艺、性能/功能均提出了严峻挑战。激光增材制造（3D打印）技术是当前世界科技强国竞相发展的一项战略性关键核心技术，可满足现代工业对难加工金属构件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。激光增材制造逐点逐域的局部成形特性，决定了工艺过程和成形性能涉及宏观–介观–微观至少6个数量级的大跨尺度形性协调，这是其核心科学挑战。传统增材制造遵循典型的“串联式路线”，即结构设计–材料选择–加工工艺–实现性能；但因材料、结构和工艺等多因素耦合规律复杂，激光增材制造精确成形需反复试错，造成金属构件高性能目标实现困难。为对应上述挑战，本文提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）这一整体性概念，其概念性创新在于：变革传统的串联式增材制造路线，发展新的材料–结构–工艺–性能一体化“并行模式”，在复杂整体构件内部同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，以主动实现构件的高性能和多功能。材料–结构–性能一体化增材制造的概念及内涵 为明晰“材料–结构–性能一体化增材制造”的科学内涵与技术途径，本文面向下一代空间探测器着陆器系统的整体化和多功能化发展趋势，针对隔热/防热、减震抗冲击、空间抗辐射等多功能需求，创新发展鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝等仿生结构，并基于陶瓷/金属梯度复合材料、碳纳米管增强金属基复合材料等多材料设计与布局，实现仿生多材料整体构件的材料–结构–性能一体化增材制造及其高性能/多功能。 多功能整体构件的材料–结构–性能一体化激光增材制造：以下一代空间探测着陆器“大底”构件为例 本文定义了“材料–结构–性能一体化增材制造”的两大特征及其内涵。其一是“适宜材料打印至适宜位置”，从合金和复合材料内部多相布局、二维和三维梯度多材料布局、材料与器件空间布局3个复杂度层级，揭示了多材料构件激光增材制造的科学内涵、成形机制与实现途径；其二是“独特结构打印创成独特功能”，揭示了拓扑优化结构、点阵结构、仿生结构增材制造的本质是分别将优化设计的材料及孔隙、最少的材料、天然优化的结构打印至构件内最合适的位置，提出了基于上述三类典型结构创新设计及增材制造实现轻量化、承载、减震吸能、隔热防热等多功能化的原理、方法、挑战及对策。 材料–结构–性能一体化增材制造的特征之一：适宜材料打印至适宜位置材料–结构–性能一体化增材制造的特征之二：独特结构打印创成独特功能 本文建立了“材料–结构–性能一体化增材制造”的跨尺度实现原理及调控方法，包括微观尺度的材料组织与界面调控、介观尺度的粉末激光熔凝及致密化工艺控制、宏观尺度的构件结构与性能精确协调。本文进一步对“材料–结构–性能一体化增材制造”未来发展方向进行了总结与展望，包括更加数字化的材料创成和结构创新、更具自主决策功能的打印装备、更加智能化的打印过程、更加多元融合的打印工艺、更加绿色可持续的打印技术及应用等。 高性能/多功能金属构件材料–结构–性能一体化激光增材制造的跨尺度形性调控机制 “任何成绩都是苦出来的，成功没有捷径，唯在勤勉” 在着手进行论文写作时，顾冬冬和团队成员从2016年开始有意识地将研究发展目标定位在Science、Nature级别的论文上，一是因为增材制造技术日益成为国内外研究热点，Science、Nature每年都有增材制造论文发表，但多为欧美国家作者，形势催人奋进；二是因为团队长期聚焦金属激光增材制造基础研究，特别是2016-2017年获得国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目课题资助后，一直在潜心思考，如何在Science、Nature级别的期刊上取得高水平基础研究成果的突破。在前期有了充分的研究准备后，顾冬冬从2020年1月寒假期间开始构思写作这篇论文，2020年12月定稿并投稿，2021年2月收到评审意见并利用春节假期完成论文修改，2021年4月论文录用。面对论文最终成功发表的结果，顾冬冬说“任何成绩都是苦出来的，成功没有捷径，唯在勤勉”。 “论文写作的过程就是不断寻求突破的过程” Science论文注重概念性创新，因此在论文写作中，如何在金属激光增材制造研究领域发掘不同点、构筑创新点，是顾冬冬一直思索的问题。他在文中提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）的整体性概念，将传统的串联式增材制造路线，发展变革为材料–结构–工艺–性能一体化“并行模式”，“论文写作的过程就是不断寻求突破的过程”，顾冬冬教授在论文写作中精益求精，为了让阐释更为形象具体，采用“拼图”这一大家熟悉的形式，来诠释一体化增材制造的概念及内涵，这是在论文构思与写作过程中不断迭代、不断完善的概念性突破，以凸显研究思路的特色与创新。 Science论文具有高度凝练的思想。工程科学领域的论文既要面向世界科技前沿，更要面向国家重大需求。当前航空航天装备服役条件严苛化、材料–结构一体化、装备功能多样化的发展趋势，要求增材制造的材料和结构更多元异构化、工艺技术更复合化、增材制造过程更智能化，顾冬冬凝练了材料–结构–性能一体化增材制造的两大特征及内涵：适宜材料打印至适宜位置（the right materials printed in the right positions）；独特结构打印创成独特功能（unique structures printed for unique functions），为高性能/多功能金属构件激光增材制造提供普适性原理与方法。 “以更高的标准要求自己，不放过每一个细节” Science期刊具有强烈的精品意识，Science期刊及其论文在概念、思想、内容、形式等方方面面完美融合了科学与艺术、传统与现代、经典与时效。“以更高的标准要求自己，不放过每一个细节”，这是顾冬冬在论文写作过程中对自己的高要求，论文中的每一句语言、每一个措辞、每一幅图片、每一帧线条，无不体现着国际学术出版的最高标准和要求。Science论文集成了科研的创造力、想象力、理解力、表现力，而这些能力都需要在平日进行积累和储备。Science论文的录用与发表是一个艰辛而美好的过程。论文的概念创新和思路凝练，不是一蹴而就的工作，而是一个反复迭代的过程，在完成这篇论文的过程中，顾冬冬经历了反复思考、自我否定、探索修正、自我完善，直到形成新观点、新方法。在修改这篇论文时，正值2021年春节假期，顾冬冬放弃春节与家人团聚，每天工作12小时以上，利用两周时间完成全部修改工作。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读：1.顾冬冬教授：航空航天领域增材制造四类典型结构及发展趋势 2.顾冬冬教授：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 3.结构易仿、制造不易、科学更难 | 史玉升教授团队的4D打印研究进展 4.2021 TCT 3D打印展精品展品（二）：性能高，结构复杂，功能强大

由于在电子设备、热管理系统和航空航天工业以及电动汽车等许多应用领域的广泛潜力，高纯铜的3D打印得到了广泛研究。然而这种材料并没有像其他金属那样获得广泛的应用，其原因在于纯铜的3D打印有几个重大的加工挑战需要解决。 由于铜的高导热性，熔体区域散热迅速，局部热梯度大，容易导致分层、卷边和零件失效；而且，铜对氧化具有高敏感性，需要对其3D打印工艺进行特殊处理；此外，纯铜还是一种高反射金属，传统的SLM技术难以对其进行加工。然而，纯铜的3D打印工艺探索并非停滞不前，而是接连取得实质性进展。本期，3D打印技术参考汇总纯铜的3D打印工艺种类。 基于粉末床熔融技术的纯铜3D打印 纯铜的3D打印工艺最开始由激光粉末床打印开始探索，由于纯铜对主流的SLM用激光器的波长具有很高的反射率，不仅不容易熔化，甚至有可能损伤打印机光学器件；通常，基于常规激光器打印纯铜，不得不更改设备结构，配备更高功率的激光器等。因此，基于传统SLM技术的纯铜3D打印发展的始终不尽如人意。 真正的转机是绿激光和蓝激光的发展。纯铜对515nm绿激光的吸收率接近40%，对450nm蓝色激光的吸收率则达到65%，分别相当于常规SLM用红外激光的8倍和13倍。随着对短波长高功率激光器开发的克服，采用SLM技术进行纯铜3D打印开始出现转机。 2017年，Fraunhofer激光技术研究所表示正在探索采用绿激光进行纯铜3D打印；同年，日本岛津推出了100w的高功率蓝光二极管激光模块，并采用它进行了纯铜的3D打印。但对于这两家机构，目前尚未看到有专用的SLM设备推出，Fraunhofer则表示未来将创造一种可靠的用于单模操作的高质量激光器，稳定输出最大功率达400w的515nm波段激光。真正的商业化是在2018年，通快推出了第一款绿激光SLM打印机，该设备配备波长为515nm的TruDisk1020绿光激光器，打印零件铜含量高于 99.9％，实现了100％IACS的电导率和99.9％的致密度。该设备将亮相今年上海TCT 3D打印展。 通快采用绿激光3D打印的纯铜器件 除激光粉末床熔融技术外，电子束对纯铜3D打印也具有优势，不过该工艺打印的零件表面质量方面表现不佳，这为铜感应线圈等应用的后处理带来不便。 本部分上传资料：通快、EOS纯铜材料数据表及设备资料。 基于粘结剂喷射技术的纯铜3D打印 理论上，能够用于金属注射成型的材料均可采用粘结剂喷射工艺成型。然而，该技术的代表型企业Exone在很长时间内推出的官方认证材料却只有17-4PH、304L、316L、M2工具钢等等，纯铜也一直未能出现在同技术类型公司的材料清单中。 几种纯铜3D打印工艺特点对比 实际上在采用粘结剂喷射技术成型纯铜之前，已经有学者采用SLS技术对铜和PMMA的粉末混合物进行了研究。PMMA作为中间粘结剂，在激光扫描过程中融化来粘结铜粉形成生坯，之后再进行脱脂烧结处理。这种方式其实与粘结剂喷射技术的过程类似，都是先将铜粉成型出零件的形状，只是方式不同。研究人员发现，这种间接的SLM过程，纯铜的致密度远低于理论密度（约77-78%），孔隙较多，且脱脂过程产生的杂质被留在了材料内部。 无论对于金属注射成型、粘结剂喷射还是激光烧结，合理的粉末粒度分布、粘结剂的选取和脱脂工艺的控制对于纯铜的成型来说都是关键因素。相比激光烧结，粘结剂喷射技术更容易控制粘结剂的含量，这避免了前者铜粉一次掺入粘结剂而造成的固定比例问题，在工艺调节和研究过程中更加灵活。 不同3D打印工艺制造纯铜零件的性能（参考） 此前，国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料，成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据，通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%，铜纯度为99.9%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。 Digital Metal粘结剂喷射3D打印成型的散热器及扩音器天线 本部分上传资料：纯铜的粘结剂喷射成型研究；Digital Metal粘结剂喷射成型纯铜的性能数据。 基于熔融挤出技术的纯铜3D打印 2020年2月，Markforged宣布推出纯铜3D打印丝材和工艺，并成功应用于散热器和汽车制造领域。2020年12月，Desktop Metal推出了基于其Studio桌面3D打印系统的纯铜材料及工艺。 Desktop Metal打印的纯铜电机座和螺旋换热器，均具有内部冷却通道 与粘结剂喷射技术一样，基于熔融挤出的金属3D打印都需要脱脂和烧结。Desktop Metal声称，新推出的纯铜材料致密度可以达到98%，能够制造具有复杂几何形状和内部通道的零件，借助其Fabricate软件可自动执行复杂的冶金过程，从而生产出密度和特征精度均与铸造相似的高质量零件。 本部分上传：Markforged、Desktop Metal纯铜材料数据表。 基于数字光处理（DLP）技术的纯铜3D打印 2021年3月，美国Holo公司宣布推出基于DLP技术的纯铜3D打印材料。采用该公司专有的PureForm技术，利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印，并结合已经非常成熟的金属注射成型（MIM）后端工艺，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。 Holo公司的专有浆料材料特性 Holo公司的浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。 Holo 3D打印的纯铜零件 基于已经成熟的工艺，Holo着重于散热器件的开发与制造，而不是销售3D打印机。其目前的一条试验生产线每月可生产20000个纯铜小零件，并希望每年生产数百万个铜散热片零件。 END 在电子元器件飞速发展的今天，热损耗与热安全问题日益凸显，设计紧凑、高效、一体成形的散热器具有重要的应用空间，而这些特征正是3D打印相比传统加工技术最大的优势。 除热管理系统和热交换装置外，纯铜3D打印还可用于射频阴极和感应加热线圈等。对于不复杂的器件，纯铜3D打印可能并没有特别的必要，其发挥作用的空间还是在于产品开发、特殊结构制造等方面。 当前，纯铜3D打印的工艺其实还有其他种类，但大都局限于少量公司取得了突破，仍有极大的发展空间，这与激光、材料和后处理技术的研究和发展密切相关。 注：本期资料均已上传qq群（共五份）。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：金、银、铜等典型高反射材料的激光增材制造 2.ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印 3.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 4.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度

在天问一号探测器上，航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的推进分系统，共计48台大大小小的发动机。它们分别为着陆器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供可靠动力，为环绕器系统提供轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力。当进入合适的着陆时机，天问一号在3000N发动机作用下，下降到距离火星100km的高度，实现环绕器和着陆器分离。为使着陆巡视器降低运行速度达到着陆要求，作为着陆巡视器主发动机的7500N变推力发动机接续发挥关键作用，为着陆巡视器动力减速、悬停避障和缓速下降等软着陆任务提供轨控推力。祝融号探测器着陆该型发动机是六院研制团队在借鉴探月任务中7500N变推力发动机工程经验基础上，根据火星探测任务全新设计制造的发动机。并且相较之前探月任务中同样推力的7500N发动机，为了满足火星探测器安装结构要求和减重需求，并提升发动机性能，研制团队首次在我国开展深空探测的航天器上将推进分系统发动机燃烧室从以往的低室压方案改进为中室压方案，从而保证了相同推力情况下，发动机体积更小、性能更高。制造过程中，改进型7500N变推力发动机与以往7500N发动机的性能和推力一样，但重量和体积只有以前发动机的三分之一，结构也更加优化、紧凑。发动机的对接法兰框还首次采用3D打印技术，“一次打印成型”避免大余量去除原实心棒材或锻件引起的变形，也保证了发动机与总体对接的质量稳定性。 祝融号火星车 “天问一号”探测器由航天五院抓总研制。在 “天问一号”的研制过程中鑫精合作为增材制造解决方案提供商，采用激光选区熔化成形技术（SLM）制造交付产品 30 余项，激光沉积技术（LDM）制造交付产品 9 项。在减重、特殊功能实现等多个维度解决火星登陆项目研制工艺技术难题。减重、减体积为关键指标——材料和结构是关键在以上报道中，减重、减体积属于关键指标。3D打印在复杂结构制造方面的优势无疑能够帮助这两个指标更容易实现。减重即为轻量化。轻量化的实现途径主要有三大方面：一是材料的优化设计和应用；二是产品结构的优化设计；三是先进制造技术的开发应用。三者相辅相成不仅可以实现最终产品减重，同时也将减少构件体积。轻量化材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化，指的是在满足机械性能要求的前提下，通过采用轻量化的金属和非金属材料实现重量减轻的方法。在当前的轻量化材料中，钢铁仍然保持主导地位，但在天问一号上面使用钢铁减重，这显然不可能。而当前3D打印领域最主要的轻量化材料无非就是铝合金和钛合金，因此，这两类材料很可能被天问一号探测器使用。并且，关于铝合金和钛合金，及其特殊结构的应用已经不乏案例。2018年5月21日，嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射，这是航天529厂首次实现3D打印产品的在轨应用。该星上面的斜动量轮支架便是采用铝合金3D打印生产和制造。 动量轮支架打印成品及在中继星上的装配图（来源：altair） 2019年发射的千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计，并通过铝合金增材制造技术一体化制备；在其他卫星产品上，铝合金点阵和拓扑优化结构产品、钛合金激光送粉3D打印产品、钛合金激光铺粉3D打印产品也已实现在轨应用。2020年，我国新一代载人飞船实验船成功验证。此次试验船搭载了星驰恒动公司研制的60余件金属3D打印产品，涉及三维点阵类轻质材料结构产品、热管理功能类产品、复杂形状直属件产品等多种类型。与此同时，新一代载人飞船直径达4米的超大尺寸整体钛框架也由3D打印工艺制造，成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本等目标。新一代载人飞船试验船的成功返回也标志着超大尺寸关键结构件整体3D打印技术通过大考。 新一代载人飞船试验船返回舱及采用激光沉积3D打印制造的返回舱防热大底框架实物 除此之外，与天问一号当前同在火星的毅力号上面同样也包含3D打印产品，公开报道共有11件，其中5件为钛合金的精密X射线光谱仪外壳。钛合金的高强度质量比使其重量比常规生产的零件少了3到4倍。从以上应用案例不难看出，钛合金和铝合金是当前卫星、探测器3D打印应用的重要材料，而点阵和拓扑优化结构为减重、减体积进一步贡献作用。火星探测器的着陆成功，标志着增材制造技术在航天深空探测领域应用迈出开拓性的重要一步。 这些材料和结构助力“天问一号”成功落火 在天问一号着陆火星的过程中，面临被烧毁或者坠毁的风险。任务能否成功，取决于“天问一号”的结构和采用的材料，对此官媒对此进行了介绍。以下便是为保障探测器顺利着陆和正常工作发挥作用的先进材料和结构（内容来源于《中国航天报》等媒体）： 1. 超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料：应用于火星探测器上气动加热最严重的大底结构及大底拐角部位。 作用：在探测器着陆的阶段，该材料表面与火星大气摩擦并发生复杂的物理化学反应，带走大量的热量；同时该材料还具有良好的保温隔热性能，将热浪排除在探测器之外，有效保护探测器不被烧坏。 研究团队：中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。 2. 连续纤维增强中密度防热材料：应用在需要维持探测器整体形状的上下边缘和结构的支撑部位以及背罩防热结构的舱盖、封边环、埋件、螺塞等零部件。 作用：该材料相比低密度材料强度更高，密度为0.9g/cm3，兼顾了耐烧蚀和承载能力。 研究团队：中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。 3. 超轻质的烧蚀防热涂层材料：应用在气动加热较为缓和的背景部位。 作用：涂层密度为0.28g/cm3，热导率为0.06W/(m k），隔热性能优良，对着陆器的减重也起到重要作用。 研究团队：中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所。 4.特种吸能合金：应用于着陆机构。 作用：该合金具有突出的强韧性、轻质性和吸能性，可吸收探测器着陆的冲击能。 研究团队：中国科学院合肥物质科学研究院固物理研究体所。 5. 高性能碳化硅基增强铝基复合材料：应用于探测器高精密仪器。 作用：重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定，满足“天问一号”长时间运行时对关键机构的材料需求。 研究团队：上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室团队。 6.铝硅封装外壳：应用于探测器着陆系统的TR组件等核心元器件封装解决方案。 作用：保障探测器着陆系统电路的安全，为器件内部电路穿上安全可靠的保护衣，保障探测器在火星的安全平稳着陆。 研究团队：合肥圣达电子科技实业有限公司。 7. 新型铝基碳化硅复合材料：用于火星车结构、机构、仪器等几十种零部件。 作用：火星车要在工况复杂的火星表面长距离行走，这对火星车材料的轻量化、高强韧性、高尺寸稳定性、耐冲击性提出了极高的要求，传统铝、钛合金难以兼顾综合要求，新型铝基碳化硅复合材料可胜任。 研究团队：中国科学院金属研究所团队。 8. 新型镁锂合金：用于探测器结构。 作用：目前世界上最轻的金属结构材料之一，可实现探测器轻量化。 研究团队：西安交通大学团队。 9. 高精尖铝材（蒙皮板、自由锻件、超大规格板、锻环、铝锂合金）：应用于探测器。 作用：保障天问一号火星探测器长期的太空行驶及完成着陆。 研究团队：西南铝业（集团）有限责任公司。 10. 有机热控涂层：航天器外表面及仪器表面。 作用：探测器在进入轨道后，处于地球大气层以外的超高真空空间环境，朝向太阳的部分表面温度非常高，而背向太阳的部分表面温度非常低，导致航天器“冰火两重天”。该材料可以保证探测器能够在极端复杂的温度下保持正常工作，通过调控温度达到热控需求。 研究团队：中国科学院上海有机化学研究所有机热控涂层研制组。 11. 纳米气凝胶：用于火星车。 作用：很轻、隔热性能好，在探测器“落”与“巡”两项任务中发挥作用。 研究团队：中国航天科工三院306所。 12. 聚合物智能复合材料：用于可展开柔性太阳能电池系统。 作用：实现柔性太阳能电池的锁紧、释放和展开，以及展开后高刚度可承载等功能。 研究团队：哈尔滨工业大学团队。 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”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 2.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 3.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用 4.从嫦娥四号登月，看航天529厂如何实现3D打印在轨应用

高品质球形金属粉末是高性能金属增材制造的重要保障，其成分、氧含量及粉末物理特性（形貌、粒度分布、粉末流动性、松装密度等）对3D打印成形过程稳定性和制件理化性能至关重要，影响并决定产品能否装机应用。在众多粉末技术指标中，粉末球形度和卫星球比例直接影响粉末的流动性和松装密度。粉末球形度低或卫星球比例过高会直接影响送粉或铺粉质量，进而影响打印件质量，产生内部和表面缺陷。近年来，随着增材制造技术日趋成熟，对于复杂构件的高效成形和大型部件的需求越来越高，增材制造智慧工厂亦应运而生，但受限于下置式供粉模式在设备运行过程中无法在线添加粉末，而开仓加粉易产生台阶接差和冶金缺陷，因此国际主流大尺寸设备通常采用上送粉式的连续送粉系统。上送粉方式对粉末的流动性要求较高，如果粉末流动性不好导致落粉不均匀，或在铺粉过程中出现结块、凹凸不平等现象，会对打印质量产生不良影响。未来，金属增材制造对高流动性粉末的需求将愈发凸显。铝合金粉末由于密度轻，本身不易获得高的流动性，而且制备铝合金粉末的形貌控制较其他合金材料难度要大，以至于在很长一段时间内3D打印用铝合金粉末仅以安息角评价粉末流动性，而无法采用霍尔流速计直接测量。近年来，北京康普锡威科技有限公司不断开发先进雾化制备技术，在2020年推出了优化后适用于金属增材技术的系列高流动性铝基合金粉末材料，粉末球形度高、流动性好，进一步突破了以往铝合金粉末流动性不佳、松装密度低等技术难题。目前该公司高流动性铝基合金粉末材料（AlSi10Mg等）已在航空航天、汽车交通等领域获得批量应用，粉末产品特性及打印制件均有良好表现。 高流动性AlSi10Mg粉末特性 高流动性AlSi10Mg 3D打印制件 下图为常州钢研极光增材制造有限公司使用高流动性AlSi10Mg粉末打印的某产品工艺研发样件（未经任何表面处理），沉积态样件表面一致性好，表面粗糙度低（Ra约3-4μm）。 3D打印试样和模型 3D打印样件微观形貌 利用高流动性AlSi10Mg粉末制备3D打印试块，成形态金相横纵向面偶见小孔，无较大气孔。整体致密度较高。 3D打印样件纵向（Z）微观形貌 3D打印样件横向（XY）微观形貌 3D打印样件致密度 采用排水法对3D打印样件进行致密度测试。利用高流动性铝合金粉末打印的不同大小样件密度差异小、均一性好。 3D打印样件致密度 3D打印样件力学性能 高流动性AlSi10Mg粉末打印力学性能如下： 高流动性AlSi10Mg 3D打印力学性能 关于康普锡威 北京康普锡威科技有限公司成立于2005年，是有研科技集团有限公司（原北京有色金属研究总院）下属公司，属于有研粉末新材料股份有限公司（以下简称:有研粉材，科创板上市企业，股票代码688456）全资子公司。北京康普锡威科技有限公司长期致力于各类球形金属粉末的研发及产业化，拥有国家科技部首批“金属熔体分散处理高技术创新团队”，项目“球形金属粉末材料雾化制备技术及产业化”获2017年国家科技进步二等奖。研发团队自上世纪80年代开始进行快速凝固雾化技术的研究开发和生产应用工作，是国内较早进行球形金属粉末雾化制备技术研究和应用的团队之一。公司依托自主开发的成套高品质粉末雾化制备技术，开展增材制造、微电子互连、金属功能粉体材料等球形金属粉末产品的开发与服务。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.国产「高流动性」铝合金3D打印粉末获得突破 2.当前国内外高强铝合金种类、性能信息汇总 3.铝合金大尺寸构件3D打印一体化制造的需求、限制因素及进展 4.ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印

桌面金属3D打印的代表企业主要有Markforged以及Desktop Metal，这两家公司推出的产品在长时间内引领了整个桌面金属3D打印市场。对于这种间接金属3D打印技术，脱脂和烧结是两大重要任务，而脱脂的方法则根据有机粘结剂的组成成分不同会针对性的采用热脱脂、溶剂脱脂、催化剂脱脂或者多种脱脂方法相组合。脱脂是从坯件外部逐渐向内部扩散的过程，整个过程相当漫长，成为困扰业界多年的问题。而脱脂工艺的快慢也造成了如今MIM行业的产品代际，放之于间接金属3D打印，也同样面临该问题。 全亚洲最大的3D打印技术专业展览会-TCT亚洲展即将于5月26日-28日，在上海虹桥国家会展中心举办。作为本次展会的大会赞助商，Raise3D上海复志将会在今年的TCT上发布“全球第二代桌面级金属3D打印解决方案。 图 | 复志展台 该款解决方案由Raise3D和BASF合作开发，与目前市面上的第一代桌面级金属3D打印机不同，该产品采用当下MIM行业最先进的一步脱脂法—催化脱脂，避免了产品容易发生变形和尺寸精度控制困难的弱点，能生产较大尺寸的打印零部件；同时脱脂时间更短，降低了成本，兼容现有的MIM工艺，可直接利用目前的国内手机供应链，实现规模化生产。这也意味着，Raise3D新推出的桌面金属3D打印解决方案可与当前MIM行业无缝衔接。 而当前Desktop Metal和Markforged所采用的脱脂方法是溶剂脱脂，作为上一代脱脂工艺，溶剂脱脂时间长，不仅拉长了整个产品生产周期，还制约着可生产产品的壁厚或者尺寸，使得基于该工艺的技术只适合成形尺寸小、壁薄且厚度均匀的零部件。而脱脂工艺的不同，依赖于3D打印线材中的粘结剂成分。 Raise3D的金属3D打印样品 巴斯夫推出的Ultrafuse 316L线材由超细不锈钢粉和聚合物混合而成，而催化脱脂工艺也正是由巴斯夫发明。与标准热塑性线材相同，其线径分为1.75mm和2.85mm两种，在打印过程中线材内的聚合物充当粘结剂，打印完成的部分称之为生坯。其中的主要聚合物成分在催化脱脂过程中会被除去，剩下的部分则由纯金属颗粒和残余粘结剂组成，接下来会在稍低于金属熔点的温度下进行烧结形成最终的金属零件。 BASF金属3D打印线材 Raise3D部分金属打印展示样件 Raise3D部分金属打印展示样件 根据3D打印技术参考的资料调查，Markforged金属3D打印线材的粘结剂成分为蜡和树脂，其中金属粉末和粘结剂的组分比例为60:40，而Ultrafuse 316L的金属含量则达到了90％。 高金属含量意味着降低了产生缺陷的风险、提高了成功率。巴斯夫采取了一些措施来确保在生产过程中均匀分布金属颗粒，使每个粉末颗粒都可以被一定量的聚合物包裹。这对于减少挤出过程中的不均匀流动、提高表面质量和可靠性具有重要意义。此外，高金属含量也意味着具有更高的性能，3D打印技术参考对比了Ultrafuse 316L与Desktop Metal 316L不锈钢的性能数据，发现前者在拉伸强度、断后延伸率和致密度方面均优于后者。 Desktop Metal、巴斯夫及MIM标准下的316L性能数据 Raise3D是一家位列国际第一阵营、处于高速发展的国际化公司，与多家国际知名品牌建立合作，并成为BASF金属3D打印线材大中华区的独家代理。为发展金属3D打印技术及其他先进3D打印工艺，该公司已有上市计划。 扫描下方二维码，现在预约参观立享50元门票优惠！ 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.预见2021：《2021年中国3D打印材料产业全景图谱》 2.杨永强教授演讲：金属增材制造技术的进展及展望 3.金属粘结剂喷射3D打印：在尝试使用该技术时须考虑整个工艺链 4.2020年全球3D打印市场规模（设备、材料、服务）发展情况