上周我们在EOS对大水平面无支撑工艺的探讨中提到，SLM能否像SLS那样不需要任何支撑，实现在松散粉床上的直接打印呢？在目前通行的设备状态下几乎难以实现。但随着技术的发展，尤其是机器视觉和深度学习的进步，打印机将会向着智能化方向升级，以此为基础完全可以实现SLM的无支撑打印。笔者认为这可能代表了先进金属粉末床打印技术的走向之一，一旦实现，SLM就可以无需在基板上成型，也可以像SLS那样多层罗列。如此便解决了金属打印批量化制造的难题，同时将对以Desktop Metal和HP为代表的金属粘结剂喷射技术产生新的挑战。SLM多层无支撑打印髋臼杯实际上，这一智能化的金属打印系统已经成功商业化，并受到航空航天终端用户的高度重视。本期，3D打印技术参考对这种无支撑智能化的金属SLM技术进行分析。▌无支撑SLM工艺需要克服哪些固有难题？讨论该问题，还是要回到传统打印工艺以及支撑的作用上来。当前，金属SLM设备商会为每种材料开发一款工艺包，这里面确定了各个参数的具体数值，除非参数开源可调，否则无论如何不可改变。进口设备往往会锁定工艺包，材料也会绑定，这对保证设备持久安全稳定运行具有重要作用。国内设备基本都是开源，参数随便调，材料品牌也不限定，这在一定程度上满足了国内用户的研发或经济需求，但不可避免的也造成设备的稳定问题。不过，参数开源是用户深刻了解金属打印过程的最佳捷径。这里的重点在于材料工艺的唯一不变性，即打印任何零件、零件的任何位置、任何一层，均采用同样的参数。即，无论在打印过程中零件本身的状态是否是过热，打印机总是输入恒定的能量，但如果打印这一层不需要那么高的能量呢？这就造成多余能量来不及散失产生局部过热，造成应力集中；同时还会因为能量输入过多，造成周围粉末半熔化而粘附在零件表面。对于前者，便是支撑发挥作用的地方；对于后者就要考虑多大的倾斜角度不需要添加支撑（笔者在QQ群上传了materialise对支撑、应力问题的50分钟探讨视频）。倘若在打印过程中，时刻按照零件当前的温度状态输入“刚刚够”的能量，使其仅用于当前层截面的熔化呢（理想假设），那么就不存在热量过多产生应力的问题，也不存在周围粉末吸收多余能量出现粘附的现象。在这种理想的状态下，就不需要支撑去导热，也不需要它拉住工件。这种工艺便是智能化的判断和能量输入方法。▌智能工艺控制的可能要点有哪些？最为理想的状态是一种基于机器学习的控制方法，系统根据监控数据自动计算当前需要多少能量从而匹配参数，但目前来说难以做到。不同参数的组合确实能够计算出一个确定的能量值，但激光的输出和熔化过程实则非常复杂，确定的能量值也有数之不尽的参数组合，目前的发展阶段尚难以做到无需人的干预实现工艺匹配的完全智能化。但它一定是AI和SLM相结合的一个重要的发展方向，它需要积累海量的数据用以学习和训练。当前的控制方法实则是半智能控制，但它仍旧比之前恒定的参数工艺进步很多。半智能控制，要求对材料开发多种确定的工艺参数组合，机器通过在线监控判断当前打印层的热量状态，从参数库中自动抽取该状态下匹配的参数组合，即系统内置了所有可能的打印状态及其对应情况下的适用工艺组合。其次是适时状态监控。采用包括声学、光谱学和温度监测等方法来了解激光熔融过程中每一层发生了什么，通过提取特征，自动进行分组并在不同层次的分析中进行比较，直到完成创建图像所需要的所有信息，以此作为下一层决策的条件，自动从参数库中安排下一层参数，因此便形成了智能化的闭环控制。人工智能对层进行分析监控过程的准确性和自动匹配工艺的能力以及快速的反应能力，是非常关键的因素。▌无支撑、智能化工艺的优势有哪些？● 无需花费大量时间进行支撑设计● 无需花费大量时间去支撑和后处理但有一点仍旧需要注意，支撑还有一项作用是承载零件，因此对于倾斜角度太小的零件，仍旧需要支撑帮助。这从另一个角度突出EOS对大水平面无支撑工艺探索的意义也很重要。▌PK DM与HP: Velo3D智能化金属3D打印机市场需求强劲以上功能的实现需要极大量的数据支撑机器训练，真正做到非常的困难。然而家美国金属打印机制造商Velo3D推出的系统却具有类似的功能，其智能化的金属SLM系统打破了激光粉末床熔化领域“45度规则”，可以在不需要支撑的情况下打印角度低至10度的零件特征，还可以在不需要支撑的情况下打印直径40 mm的管道。一根铅笔距离范围的近水平面和大倾斜角度叶片未加支撑且质量优异相对于同样不需要支撑的金属粘结剂喷射3D打印来说，Velo3D也不需要支撑，但后者更加专注于高性能最终零部件制造，这对号称金属3D打印批量制造的Desktop Metal与HP来说，无疑是一场巨大的挑战（可关注延伸阅读）。可以像SLS那样多层罗列，实现批量制造同时具备高性能和高质量Velo3D对每一种材料集成了20多种工艺组合（这和我们上面提到的单材料多工艺的想法一致），采用独家开发的预处理软件Flow™准确模拟整个打印过程，分析和纠正潜在的变形。软件功能强大，含预变形能力某零件打印前仿真：红色区域表示打印过程中的变形；右侧表示Flow软件通过预打印校正消除这种变形，这是一种保证打印精度的重要方式关于Velo3D智能打印工艺的实现，笔者认为与上文的分析会非常贴近，即在线监控条件下的工艺智能匹配，当然这只是笔者一家之言，欢迎批评指正。除以上功能之外，Velo3D为保证打印质量还进行了其他改进，如自动化的光斑校准、XY轴对准自动调整、改进的气流控制等等。该公司因此受到了了航空航天领域的广泛重视，并因此获得了航空制造公司的大订单。（关于Velo3D智能化工艺控制问题有另一个50分钟视频文件，已上传qq群）END智能化的打印系统能够有效解决或减轻之前常规SLM存在的问题，如封闭结构的支撑去除、表面质量差、应力集中等。与此同时也带来了应用的突破，如大型管道结构、随形冷却模具、大曲面航空发动机叶片的无差别制造，这种工艺保证了零件的高质量，避免了过去一直存在的表面质量、积粉甚至性能问题。此外，它更大的意义在于因后处理步骤的简化带来的高性能金属3D打印批量化制造，这无疑将降低成本，增加直接制造的可行性，进一步推进金属打印的落地应用。最后，笔者仍然认为人工智能是一个非常值得深入认识的学科，如在正文中提到的，它与金属打印的结合将会实现打印机真正的智能化，作为金属SLM的传统领导者们，应当引起重视。欢迎转发延伸阅读：增材制造实时监控与工艺过程仿真金属3D打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法基于粘结剂喷射和SLM的金属3D打印性能对比分析基于粘结剂喷射和SLM的金属3D打印成本结构对比复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属打印批量化竞争：SLM无支撑智能系统PK HP与Desktop Metal

2017年，云冈大佛借助3D打印技术被整体“搬运”到了青岛，人们在领略这千年古迹的震撼之余也感叹新技术为文物保护带来的深刻变化。文物复制工程虽在当时引起巨大轰动，但项目人员却希望3D打印技术能够升级，把模型积木化，以实现大佛走遍全国甚至走向世界的愿望。随着技术的发展，这个小小的期待正在变成现实。工艺美术仿古做旧技术实现青铜、黄铜、红铜、金、仿陶效果▌新技术实现文物模块化直接制造粘结剂喷射技术（3DP）技术也可称之为粉末床技术的一种，其特点是通过向粉层表面喷射粘结剂实现零件成型。在最初的应用中，3DP是作为覆膜砂烧结的替代技术以用于铸造行业，它确实为其带来了更高的效率和成本优势，同时由于技术本身的发展，也拓宽了自身的应用范围。3DP技术原理与云冈大佛复制工程所采用的3D打印铸模技术不同，粘结剂喷射技术可直接实现大佛模块化分体构件的最终产品制造，这便是基于该技术在打印尺寸、效率以及材料性能方面的突破。粘结剂喷射技术最大的优点是突破了砂型打印的尺寸限制，与激光烧结的有限范围相比，最大可成型数米尺寸，精度达0.5mm，打印效率是激光烧结等其他3D打印工艺数十倍，这对于大体量的文物复制具有优势。3DP可实现高精度、大尺寸制造然而高效率和大尺寸还只是实现文物复制或艺术最终产品制造的最低要求，更重要的方面在于材料性能。3DP工艺采用硅砂或人造砂等砂质材料成型，零件打印完经后处理可达到水泥的强度，这使其支持分体拼装，也适于长途运输，而砂本身的质感也可体现佛像、雕塑等艺术品的古朴特点。3DP打印雕塑细节▌共享视觉：粘结剂喷射实现文物复制和艺术品创作虽然3DP工艺的开发是为了应用于铸造行业，但该技术在文物复制和艺术品创作领域，正在发挥重要作用。经过多年研发，共享集团攻克了铸造3D打印材料、工艺、软件、设备等技术难题，申请专利300余项，授权专利100余项，同时公司通过设计创新、后处理技术创新，使3DP技术在艺术雕塑等领域也取得了突破性进展。●材料性能通过表面固化等后处理手段实现了产品性能强化、防水耐腐蚀，这一特点使其满足室内外展示的环境要求。根据第三方检测机构的实则数据，其试块抗压强度达104.6Mpa，抗折强度27.7Mpa，抗冻性和耐久性符合F50的标准规定，这超出了国标中对于混凝土的性能要求（测试标准：GB/T 50081，GB/T 50082）参考各牌号混凝土强度标准值（GB 50010-2010）●高尺寸精度打印精度0.5mm，大型雕塑整体尺寸精度1mm，远高于手工雕塑制品。3DP工艺打印的高精度中国地形图●模块化安装可实现打印单体之间堆砌、拼接等无缝连接；还可采取预制接口、预埋件与传统主体结构（混凝土、钢筋等）固定。九龙壁（仿青铜），尺寸: 6100*1400*200 mm●艺术表现力结合工艺美术仿古、仿铜等做旧技术，以及材料本身的厚重质感，丰富了3DP雕塑的表面处理方案，增强了表现力。 儒家四圣（仿青铜）●快速的生产能力共享自主研发系列化3DP打印设备，其中最大成型尺寸为2800*1500*1000mm，单台设备雕塑产品产能可达1-2吨/天，结合后处理技术，1周时间即可交付1吨左右的雕塑产品，具备产业化能力。自主研发KOCEL AJS 1800A，成型尺寸：1800*1100*700mm●数字化制造基于数字制造的新模式，可将雕塑数据用于多次生产，开发周边、衍生产品，局部破损修复，实现文物保护和新型工艺品的开发和制造。数字化制造将是未来趋势▌在文物复制和艺术品创作领域潜力巨大传统雕塑行业污染大、作业环境差、制造周期长、产品生产受限于艺术工匠，是典型的劳动密集型产业。3D打印技术以其高精度、高柔性、无模制造、工艺流程短等优势受到设计师和艺术家们的青睐。它取消了传统雕塑行业中制模、翻模等工序，有效提高了生产效率；同时基于数字化生产的特点释放了库存压力、降低了成本，也减弱了对艺术工匠的依赖程度；相比于在云冈大佛使用3D打印熔模铸造的技术，3DP技术可实现石雕等艺术品直接制造，这将进一步节省时间和成本。仿黄铜凤凰，纹理细腻，以假乱真相比于国内，国外早已将3D打印技术用于雕塑等艺术品的创作，但仍以基于3D打印的熔模铸造为主。粘结剂喷射技术下的高强度砂类成型和仿古做旧技术的结合成为中国五千年文明背景下的独有特色，同时也为艺术品的创作提供了新的技术形式，势必会为文物保护和艺术创新提供更多思路。更多共享3DP雕塑案例效果及高清细节图已上传QQ群（867355738）。关于共享●共享装备股份有限公司共享装备股份有限公司始建于1966年，主导产业为高端装备、新材料等，提供增材制造、工业机器人等智能制造装备及服务，为高端装备提供关键基础零部件。2012年，公司组织200余人的专业团队，投资10多亿元，探索实践“3D打印、机器人等创新技术＋绿色智能工厂”的铸造转型升级之路：攻克了铸造3D打印材料、工艺、软件、设备等技术难题，实现了铸造3D打印产业化应用的国内首创；宁夏银川建成世界首个万吨级铸造3D打印智能工厂，其综合集成技术世界领跑。截止2018年，设计、建设累计达10个数字化示范工厂（已建成三座），为中国传统制造业转型升级提供示范。●国家智能铸造产业创新中心国家智能铸造产业创新中心是由共享装备股份有限公司控股，与新兴铸管、汉得信息、顺亿资产等12家股东，以“跨界融合、共建共享、联通各方、服务产业”为共识共同组建的服务于产业的创新平台,是国家发改委批复的全国首个产业创新中心。●共享•创客工坊共享•创客工坊是国家智能铸造产业创新中心重要建设内容之一，旨在探索3D打印技术在各行业应用并推广。拥有各类先进3D打印设备（3DP、FDM、SLM、SLA、MJF等），具备三维扫描、逆向建模、设计、拓扑优化、CAE分析等能力，以创意实现、研发孵化、产业应用为定位，提供实现创意变成产品的平台，加速实现产品研发孵化，推动产业应用。欢迎转发延伸阅读：技术竞争：喷射技术比你想象的更加重要基于粘结剂喷射和SLM的金属3D打印性能对比分析金属粘结剂喷射技术：在进行批量生产时须考虑整个工艺链复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：共享视觉：当粘结剂喷射3D打印遇上文物保护和艺术品创作

目前，不加支撑或最大程度减少支撑是金属粉床烧结的热门话题。客户经常会问到是否可以实现在松散的粉床上打印没有支撑的水平面。就目前绝大多数的设备而言，标准打印工艺肯定会发生严重的过热，并有可能导致刮刀卡刀或零件损坏。对此，金属打印用户KSB公司及知名SLM设备厂商EOS对此进行了探索。本期3D打印技术参考针对EOS就工艺的开发过程进行探讨和解析。打印后清理干净的工作平台Magics 下的视图（无支撑的 EOS Logo）为了提高项目难度，研究人员选择了最具挑战性的实验：采用高应力Ti64、硬质刮刀和大水平面，以使用于此实验的方法可以轻松转移到其他常见的材料中。▌从熔化过程理解无支撑的挑战优化支撑设计时，需要分析考虑其用途。SLM条件下需要支撑的三个主要原因是：●抵抗刮刀的作用力●应对残余应力●导热作用对于特定区域可以优化支撑的数量；对于刮刀的影响，可以选择较软的材料，调整零件的摆放角度或支撑强度。EOS使用高速钢刮刀来模拟最具挑战性的情况。借助平台预热和扫描策略等措施可以减少热应力。预变形也常被用来减少变形，它是用变形来达到最终需要的形状，但对于水平表面的变形不能起到很好的作用。如果在一个方向上进行预变形，则弯曲会更严重。在研究过程中，水平表面被放在壁厚为1 mm的圆柱体上，以防止其弯曲。这样薄壁几何形状的圆柱通常会有局部过热的现象，因此对于该圆柱，研究人员也优化了扫描策略，不仅去除了轮廓扫描还从条带改为时间优化的扫描方式。但是导热的问题仍然存在。由于圆盘直接在松散的粉末上打印，与固体材料相比，粉末的导热性更差。粉末导热率低的原因是粉末颗粒的间隙中存在气体以及颗粒之间的点对点接触。这就是为什么通常将支撑放在表面下方以增加热传递的原因。为了克服这一挑战，能量输入需要适应周围材料的导热性。因此需要在零件的高度上采用逐渐改变参数的策略。▌对每一层开发特定工艺，一层一组参数参数开发基于 EOS Ti64 Speed（60μm）过程，试验在 EOS M 290 上进行，使用 EOSTATE ExposureOT 和 EOSTATE MeltPool 监测。为了高效测试，研究人员设置了 36 个含有不同数量和不同高度圆盘的圆柱体（每六个样本一组）。根据下面的流程执行：每列将用于确定一个特定层的参数，这意味着A列中有一个只有一个层厚高度圆盘的圆柱体。监控套件用于收集更多信息并为每一层开发正确参数。下表面参数优化的流程（重要）第一层完成后，将在 EOSPRINT 2 中调整参数，并更新作业。下一步是优化第二层的工艺参数，这在第 B 列完成，这些圆柱包含两个圆盘，每个圆盘的高度为一层。之后继续开发到第 F 列的第六层之后，跳回到 A 列并继续七个圆盘。不同高度的圆盘A 到 F 组圆盘测试遵循这一流程，当从 EOSTATE ExposureOT 监测中获取到某一层有正常的传热信号后。从下一层开始使用 EOS Ti64 标准参数。EOSTATE ExposureOT 监控的数据EOSTATE ExposureOT 监控的数据如果对上述的调试过程仍然有很多疑问，还须反复思考，笔者已将调试源文档上传至QQ群。从以上两幅图也可以看出，该层的监控数据只显示了第F列，这证明了从第A-F列，每一列圆盘的高度仅是它所调试层的厚度，即从A-F，圆盘的厚度分别为0.06mm、0.12mm、0.18mm、0.24mm。。。。。循环完6层之后，A列圆盘的第二梯队圆盘高度会变成0.48mm。▌采用程序控制每层工艺如果每打印一层就调一下工艺参数，这在实际打印过程中是难以做到的。目前包括EOS在内的很多金属打印工艺软件都可实现对每个STL数据单独设置参数，也可以对一个零件的不同区段单独区分工艺。借助此功能，可以将一个部件划分为不同高度的部分，如每部分 60μm 的区段，这便可以将优化的参数应用于每一层。Z 向切割 EOSPRINT 2 中的工艺参数分配（仔细看参数栏正确理解）●EOS Logo，每个字母的直径为 50 mm●直径 100 毫米，面积接近 8000 平方毫米的圆盘●圆盘直径 50 毫米，中心孔 20 毫米。孔的边缘没有连接。EOSTATE ExposureOT监视圆盘前四层的数据。可以清楚地看到第一张照片中的圆盘下方没有固体材料或支撑。EOSTATE ExposureOT监控的数据外径50毫米，没有内部支撑100 毫米直径等于近 8000 平方毫米在该功能的帮助下可实现特定参数的程序控制，大大方便操作过程。但是无支撑工艺不得不面对下表面表面粗糙度很大的问题。在上面的工艺方法中特别提到，将圆盘悬架在圆柱壁上以防止变形，但最终还是要成功将圆盘取下来。EOS Logo 下表面在实际的操作过程中，圆盘并没有直接接触到圆柱上，而是在两者之间增加了三个层厚度的支撑来拉住圆盘。支撑件可以在 Z 方向上轻松调节强度，可以通过调节激光功率和扫描速度或齿顶长度等 Magics 参数来完成。在易于移除和足够的强度之间找到合适的参数，以防止变形。支撑优化方案及EOSPRINT 2 界面内部支撑视图 调整支撑强度后，可以很容易地从圆柱体上移除 EOS Logo取下零件的基板▌熔池监控非必须关键要素在这个过程中，工艺参数可调和熔池监控很重要，但是不是必须的呢？其他公司SLM工程师的探索实际上在EOS工程师进行此项研究之前，国外已有其他公司的研究人员从事过类似的探索，而且声明是在没有熔池监控的帮助下进行的，过程应该类似，以上便是他们的成功案例。此文展示了大水平表面无支撑参数优化的方法，但尚不清楚是否具有推广的意义，在实用性方面其实也值得商榷，但同时也值得探索。调试源文档已上传至QQ群。欢迎转发延伸阅读：金属3D打印最新前沿(一)：Magics混合支撑结构金属3D打印最新前沿(二)：NASA新材料3D打印工艺开发备忘录3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景采用人工智能和3D打印设计超级材料复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属3D打印最优前沿(三)：大水平面无支撑工艺探索

上周，3D打印技术参考对『多材料金属3D打印航空应用的集大成者—GE9X发动机』进行了详细介绍，这台发动机融入了GE航空过去十年开发的大量先进技术，是新一代商用发动机的巅峰之作，3D打印为其做出了重要贡献。本期我们来对GE航空另一款引以为傲的发动机—新型涡轮螺旋桨（ATP）发动机GE Catalyst进行介绍，在该案例中，3D打印一体化集成制造优势体现的淋漓尽致。GE Catalyst涡桨发动机▌世界首台大规模、大尺寸采用3D打印的型号发动机GE Catalyst是世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机，新型的结构设计因为3D打印降低了制造复杂性，它将此前通过传统工艺制造的855个零件经过结构优化减少为12个部件，零件数量的减少极大提高了生产效率，并将发动机的重量减少了5％，燃油效率提高了1％，这显示出3D打印集成制造优势。零件的大尺度合并意味着尺寸的急剧增加，与此同时，这台发动机共有35%的零件采用3D打印制造，这在商用型号发动机上均属首次。这些3D打印的零件包括固定流路部件、集油槽、热交换器、燃烧器衬套、中框组件、排气机匣以及轴承座，材料覆盖钛合金、钴铬合金以及镍基高温合金。其开发团队由大名鼎鼎的LEAP发动机燃油喷嘴工程师组成，可谓阵容强大，3D打印大大简化了制造、打样过程，缩短了研制周期。●中框组件：300个零件集成为1个，寿命延长，生产结构极大优化GE Catalyst发动机最具代表性的集成优化部件就是中框组件，该部件在过去的传统制造中包含了300个单独的零件，通过焊接、螺栓连接等方式构成一个部件。工程师通过结构优化，最终将该部件的零件集成在了一起，形成了一个复杂的单一零件结构，它无法通过传统铸造或机械加工制造，唯有3D打印能够实现一体成型。由此产生的结果在于该部件不再需要装配，不仅减轻了重量，更排除了磨损的可能性，因此发动机两次维护的时间被拉长了1000小时。3D打印的GE Catalyst涡桨发动机中框组件中框组件由过去的300个零件优化为一个集成制造带来的制造效率和供应链结构优化效应同样非常明显。在传统制造过程中，中框组件的300个零件需要50家供应商提供，然后由至少60名工程师先将其组装成7个组件，再装配成一个部件，维修点达到5处；而通过优化后采用3D打印制造，仅需要1台设备就可实现整个部件的直接制造，最多8名工程师便可实现最终部件的处理，维修点也变成了零件本身。由此导致的制造效率提升是显而易见的。3D打印与传统工艺在中框组件制造过程中的生产结构对比●燃油加热器：由300个零件到1个，重量减轻一半使用传统制造技术（如铣削和钻孔）来完成零件可能很难实现复杂的几何形状和内部形状。但金属3D打印机能够打印出空心、复杂的形状。燃油加热器内部包含众多微小复杂的蜂窝式通道，零件的集成制造不仅减轻了零件重量，还将曾经可能出现的燃油泄漏问题完全排除，因而减少了维修频率，提高了燃油效率。●C型油箱外壳C型油箱是从螺旋桨到发动机的主要负载部分，用于支撑涡轮机的轴承。该部件采用了仿生学设计，整体形状类似植物的细胞结构。3D打印将原来轴承座和油底壳的80个零件组合成1个，通过金属打印制造的部件既保持了强度又减轻了重量。●内置3D打印B型油箱的燃烧室外壳B型油箱为中央轴承提供支撑，并提供润滑通风作用，3D打印通过将部件合并和降低装配复杂性实现了重量和成本效益。通过优化部件形状和空气动力学，使部件承受的应力达到最小，从而使部件性能和耐久性也得到了改善。●排气机匣作为具有空气动力学流道的部件，排气机匣允许空气以最小的压力损失离开发动机，该部件必须有足够的强度，承受通过发动机的气流压力。如果使用减法制造技术设计排气机匣，工程师不得不由最薄弱位置设计整个机匣的厚度，这会对部件增加不必要的重量。通过使用3D打印，工程师设计了更复杂的空气动力学外形，并增加了提高结构刚度的特征。排气机匣有一个非常薄的内衬，其形状遵守空气动力学的要求，工程师在外壳上打印了外部翼梁，保证在空气动力学要求高的地方提供所需的刚度，同时降低整个外壳的重量。除上述部件外，ATP发动机另有其他部件也采用3D打印制造，如燃烧器的旋流器，它由原来的四个部件组合为一个，从而节省了大量时间，提高了产品性能。▌将认证速度大规模提前3D打印对于航空制造来说的另一个好处是加快了发动机认证计划。由于3D打印允许以更快的速度生产零件，燃烧器衬里的制造仅用了两天，GE因此提前六个月完成了ATP燃烧器钻机测试。通过尽可能快地对真实硬件进行测试，工程师因此可以使用结果数据进行下一次迭代以获得更好的产品，这比使用传统制造方法可以更快的获得产品。据最新的消息，GE公司有望在大约15个月内完成对Catalyst涡桨发动机的认证。END3D打印的一大优势便是集成制造，但通常情况下我们看到案例非常少，像Catalyst发动机这样大规模的一体化集成堪称3D打印集成制造的最佳实践。虽然航空业界很多项目都在开始尝试增材制造技术，但在型号发动机上，这样占35%发动机零部件的大规模、大尺寸的采用增材制造工艺还属首次。关于Catalyst发动机增材制造的视频和其他零件图片已上传QQ群。欢迎转发延伸阅读：GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战通快 :为航天器减重55%, 减少80%材料浪费, 节省74%的制造成本复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益

随着3D打印运动鞋的普及，晶格结构开始走入人们的视野，它不仅能够实现轻量化，还能起到缓震防护、吸振降噪的作用。可以说这种结构是专为增材制造而生，同时它也给工程师提供了更加广阔的探索空间。点阵结构在多领域广泛应用除了3D打印运动鞋，点阵结构也可广泛应用于其他领域，不仅包括火箭、潜艇，还包括高铁、飞机。本期3D打印技术参考将从点阵结构性能的角度介绍其应用，并带来该结构的设计考虑因素。点阵结构的性能及适用领域▌优良的强度—重量比提高部件强度—重量比的方式主要有两种：在传统制造中可以通过减少非关键区域的材料来减轻重量；在增材制造中，甚至可以将关键区域的材料网格化，虽然整体的强度会有所降低，但不失为一种提高强度重量比的好方法。3D打印的点阵结构F1赛车气缸盖3D打印的高强度石墨烯，比不锈钢高10倍，密度仅为5%，结构是关键此外，点阵结构具有高度的空间对称性，可以将外部载荷均匀分解，在实现减重的同时保证承载能力。该结构在航空航天、医疗、汽车、船舶制造等需要高强度—重量比的行业具有重要用途。3D打印的网格结构植入物，保证强度同时减轻重量▌超大的比表面积点阵结构不仅重量轻，而且具有超大的比表面积，这对于促进热交换和化学反应具有很大优势。传统散热器的散热片多是各自分开的，通过钎焊组成一个整体，不同部件之间的结合增加了热阻，从而降低了热效率。3D打印除了实现结构的一体化制造外，独特的晶格结构显著增加了表面积，从而能够以更经济的方式实现更高的换热效率。事实上，这种效率增益可以在许多不同类型的热交换器应用中实现，这些具有大表面积的小特征结构在没有3D打印的情况下几乎是无法制造的。雷尼绍3D打印的铝合金点阵结构赛车涡轮中冷器目前，从汽车、航空航天、能源到电子行业等都在尝试使用点阵结构提高热交换效率，所使用的3D打印工艺从激光粉末床熔融到电子束熔化都可实现。▌出色的减震和冲击保护点阵结构还可以通过更好地吸收冲击能量起到防护功能，基于此可以制造防护体育器材，也可以在在电子元件周围或内部使用晶格来保护免受外部动态环境的影响。Carbon 3D打印的点阵结构橄榄球头盔内衬Carbon公司推出了一系列定制化的3D打印晶格结构，它们认为这些产品可能会影响甚至改变当前的泡沫制造业。由树脂材料制造的点阵结构不尽透气而且具有很好地弹性和舒适性，它们可以广泛应用于汽车座椅、矫形垫、头盔、耳机以及鞋类等体育器材的制造。▌理想的吸振和降噪功能飞机、火箭在推进过程中产生的振动会使飞行器发送颠簸，也会增加对部件的磨损；高铁在运行时车体外的湍流边界层也会产生强烈的随机声学激励和振动，同时有巨大的气流冲击车身；此外，解决潜艇的结构振动和确保低躁隐蔽性，也是力学和声学领域具有重大意义的课题之一。3D打印的点阵结构可吸收振动又可承重在主体结构中设置阻尼器的传统被动控制，必然会增加主体结构的重量，而点阵结构作为一种典型的周期结构，通过对具有频率禁带的点阵进行周期型设计，以调节其频率禁带的宽度、深度和频段位置，可以实现对结构的振动和噪声的有效控制，同时还能减少附加质量以及外界能源的供给。点阵结构的设计规则点阵胞元结构的形式众多，它们是点阵中的基本单元，常见的胞元结构有立方体、星形、八角形、六边形、菱形和四面体等。这些结构可以通过设计软件在结构体中实现阵列组合，其设计规则主要包括以下几方面：▌胞元结构的大小和密度胞元结构的大小和密度是指单个胞元的大小以及在一个空间内胞元的数量。胞元本身的大小取决于其节点和连接节点的梁宽度和长度。较大的胞元更容易打印，同时强度也更高；较小的胞元相对更均匀，但会受到打印工艺特征尺寸的限制。单个产品不同位置上设置不同的胞元密度▌材料选择制造材料决定了点阵的特性和应用。弹性或软质材料点阵结构的胞元需要更小更密集，以防止打印过程中的塌陷；刚性材料胞元结构具有更大的设计范围，尺寸可以比较大、数量也可以更少，但仍需要注意梁的走向，同样是为了防止打印失败。目前，我们已经可以接受点阵结构既可以是树脂形式，也可以是金属形式。▌胞元结构方向通常情况下，点阵结构会默认为不需要支撑，这一方面需要注意设计过程中的设计极限，如横梁宽度、梁的倾斜角度等等；另一方面也需要注意摆放角度，选择最理想的零件自身支撑摆放方向，尽可能降低加工成本并减少后期处理工作。END多孔和周期点阵结构具有轻质、隔声和减振等优越性能，在航空航天、高速列车、汽车、船舶、潜艇等领域具有十分广阔的应用前景。但点阵结构的建模和验证仍存在不少挑战，在3D打印工艺本身比较成熟的情况下，如何验证设计的可靠性，如何避免因制造过程产生的其他问题是接下来需要考虑的问题。在此方面，模拟仿真可能可以发挥重要作用。欢迎转发延伸阅读：空客为未来航班生成仿生设计采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计创新设计：NASA借助AI和3D打印制造spider行星着陆器采用人工智能和3D打印设计超级材料复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景

材料设计，是指应用已知的理论与信息，预报具有预期性能的材料，并提出其制备合成方案。从工程角度，材料设计是依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型，制定具有预想的微观结构和性能的材料及材料生产工艺方法，以满足特定产品对新材料的需求。这是材料工作者需要不断奋斗的一项长期目标。传统的材料设计方法通常涉及在宏观层面考虑材料特性，但是近年来出现了更先进的材料设计浪潮，这种新的工程模式使科学家和工程师能够设计出更强、更轻、更灵活、制造成本更低的新材料。在这个过程中，人工智能（AI）和3D打印起着关键作用。▌借助AI实现新材料设计机器学习和预测建模是AI的一个强大子集，可以加速新材料的设计过程。设计人员只需在程序中输入所需的材料属性，算法就可以预测哪些化学元素可以在微观层面上组合，从而创建具有所需功能和属性的结构。麻省理工学院多尺度材料设计研究员、McAfee工程学教授Markus Buehler提到，利用物理和化学理论并借助于于量子力学，让计算机重新发现变量之间的关系，这是借助人工智能进行材料设计的新方法。计算机辅助材料设计系统使用自然语言来创建与材料相关的科学视觉图表研究人员可以创建不同的材料变量，并询问AI系统设计将如何体现，如果让分子链更长或更短，或添加不同的化学物质会发生什么变化，计算机都会给出性能结果。执行一次迭代只需要几微秒，而传统方法可能需要几天甚至几周。用户可以输入他们想要的所需材料属性，系统将搜索数以千计的科学文章以寻找匹配的材料。（国立材料科学研究所）换句话说，研究人员正在利用这种简单的组合关系来设计材料，它同时允许大规模批量生产这些具有相同高性能的新材料。AI使得计算机可以在很短的时间内解决问题，单纯依赖研究人员将要花费几倍的时间。▌采用3D打印制造新材料科学家们可以同时合成和测试数千种材料，但即使以这样的速度，盲目地尝试所有可能的组合也是浪费时间，这就是3D打印和其他先进制造方法发挥作用的地方。3D打印有助于材料科学领域的创新，它为工程师和设计师测试新材料带来了新方法。利用现代增材制造和其他实验技术，设计人员可以将各种组成成分按照规划放置于空间中特定的点，构建任何比例的结构并验证结果。每次测试的结果会再次输入系统，让机器自主学习和训练，随着时间的推移，机器对材料的设计将更加智能可靠。工程师开发材料工艺与性能数据库自2017年以来自，德国Fraunhofer IWS的工程师联合其它五家研究所执行了一项名为futureAM的项目，即借助AI和3D打印来寻找超级合金的合适配方。项目人员通过使用人工智能和机器学习来研究大量监测数据与实际工艺效果间的联系。例如，特殊分析算法将测量的传感器值与研究所的粉末数据库相关联，通过评估工艺参数，机器将自己做出决策并选择出合适的工艺组合。使用激光粉末堆焊技术，结合优化出的工艺参数，可以同时或连续地将不同粉末送入加工区，精确调节进给速率，性能最好、最昂贵、高抗性的材料只在最需要的位置释放，其他非关键区域可采用价格较低的材料。通过激光粉末堆焊，可以整体制造由不同材料制成的部件，它可以将特定材料准确放置在需要其性能的位置。该技术为航空航天、燃气轮机开发更轻、更强和成本降低的部件提供了广阔的前景在此前这些工作是怎么做的呢？工程们需要记录不同温度、粉末、进给速率和其他参数组合下产生的监控数据和工件性能参数，然后分析哪个参数可以增材出自己所需要的性能，但这一过程需要庞大的数据分析和人工比对工作。借助人工智能，增材制造系统通过多种监控数据自主学习如何做出决定并自动调整温度及其他参数，可成功地在具有挑战性的工作中开发新的超级合金。EDX分析：数据显示了测试件化学成分的转变。颜色说明了从钴基-Merl72到IN 718（黄色：钴，蓝色：镍，橙色：铝）的连续过渡。到目前为止，这种新材料的制造技术也仅能通过3D打印实现。它将可能需要的铁、镍、钴、钛、铝和碳化物复合在一起，按照规划施加，这是其他工艺所无法实现的。END人工智能在先进材料设计和工程方面的未来前景非常广阔。专家们一致认为，它将成为几乎所有行业未来创新的基石。但挑战仍然存在，人工智能需要不断学习和训练，才能更加准确可靠。为了在材料科学中充分发挥人工智能的潜力，工程师、研究人员和科学家需要不断加深对这项会改变行业的尖端工具和技术进行深入学习和应用。欢迎转发延伸阅读：人工智能和3D打印：满足制造业的未来创新设计：NASA借助AI和3D打印制造行星着陆器金属3D打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法视频案例：3D打印、区块链和人工智能如何融入实际生产复制联系笔者：2396747576技术交流QQ群：867355738，所有资料均在群文件夹 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：采用人工智能和3D打印设计超级材料

7月12日，美国GE航空集团在举办的百年庆典活动中，宣布旗下的GE9X发动机凭借单发超过60.9吨的推力获世界新吉尼斯记录。该发动机集成了GE航空集团在过去十年中开发的先进技术，其中包含增材制造的零件304个，是新一代商用发动机家族中的巅峰之作。本期3D打印技术参考详细讲述GE9X发动机中3D打印产品的甄别与开发过程。在LEAP发动机上取得的成功，促使GE航空对发动机生产技术和材料选择发生了系统性变化。GE9X作为一款巨大的高旁通比涡扇发动机，拥有304个3D打印的零件，首次将多种材料和打印工艺投入到单一航空发动机的生产中。基于此，GE航空建立了第一个增材制造技术工业化航空航天供应链。▌七大部件、304个零件的甄别GE9X中七个增材制造部件分别是：燃油喷嘴 T25传感器外壳热交换器 粒子分离器5级低压涡轮(LPT)叶片6级涡轮(LPT)叶片 燃烧室混合器识别出适用于增材制造的GE9X组件是非常复杂的。基于LEAP发动机的成功经验，GE9X首先选用了高度集成的3D打印燃油喷嘴，该部件也是代表工业增材制造巨大潜力的首要案例。GE9X发动机喷油嘴GE9X的燃油喷嘴与LEAP发动机基本相同，该部件也是GE航空公司为发动机应用确定和开发的第一个3D打印部件。然而，该公司在打印首批燃料喷嘴头之前，首先为超过400台GE90发动机打印过T25传感器外壳，它是第一个获得FAA认证的增材制造飞机发动机部件。T25传感器外壳位于高压压缩机的入口处，用于保护传感器电子元件免受冷却气流的冲击，从2015年开始被装配在GE90-94B喷气发动机上。因此在GE9X的3D打印部件甄别过程中，燃油喷嘴和T25传感器外壳成为第一批被选择的部件。T25传感器外壳GE9X热交换器和粒子分离器的选择则不同。热交换器传统上由数十根细金属管焊接组成，用于GE9X的3D打印热交换器具有完全不同的外形，其中包括优化的通道和充分利用3D打印设计自由开发的复杂内部几何形状，通过一体打印而成，大大提高了热交换效率。3D打印的热交换器，从多个零件到单一零件粒子分离器的作用是排出发动机中的灰尘、沙子等杂质，能够提高发动机耐久性。该部件以前从未在GE商用喷气发动机中使用，制造难度很大。GE9X粒子分离器采用了区别于传统的设计方法，工程师通过3D打印将多个部件组合成了一个单元。热交换器和粒子分离器的3D打印一体化制造显示了GE航空制造转型的巨大努力，而采用该技术进行涡轮叶片的制造则是一次巨大的飞跃。▌TiAl合金涡轮叶片，3D打印航空应用的飞跃LPT叶片的3D打印制造非常困难。叶片采用TiAl合金，相比传统使用的镍基合金轻50％左右，具有更加优异的强度重量比。由该材料制成的叶片，会使整个低压涡轮机的重量减少20％，同时将使GE9X提高10％的推力。考虑到燃料占航空公司运营成本的比例达到25％，TiAl合金的性能便体现出极大的优势。GE9X发动机低压涡轮TiAl合金叶片此前，TiAl合金叶片通过铸造+精加工的手段完成制造，这种方法的缺点在于模具制造周期太长。然而，该材料的3D打印也同样面临问题，它在激光打印时存在严重的应力开裂问题。而EBM技术被证明可以比激光更高的效率来加工这种材料，每层高达1000°C的预热温度最大程度的避免了应力产生。意大利Avio Aero公司基于在TiAl 3D打印方面的成功经验，而被GE公司收购，专门进行TiAl合金叶片的打印。EBM可对每层粉末实现高温预热远远超过SLM的预热温度Avio Aero 3D打印工厂拥有30台大型Arcam A2x打印机，每台打印机配备3千瓦的电子束，可同时生产六个15.75英寸的叶片。到今年年底，将有50台机器主要用于LPT叶片生产。此前采用铸造工艺制造叶片时，往往会提前一年半甚至两年开发模具，3D打印无疑节省了供应链成本。Avio Aero的Arcam A2x打印机▌多部门间的通力合作在为GE9X 3D打印的七个部件、304个零件中，除LPT叶片和热交换器外，其他零件均是采用钴铬合金由Concept Laser M2打印制造，主要是由GE增材制造技术中心（ATC）和奥本工厂负责生产。ATC研发中心的Concept Laser打印机ATC拥有上百台金属3D打印机，其中18台固定用来打印钴铬合金零件，还有一些用来生产热交换器的F357铝合金。然而ATC毕竟属于研发部门，更多的生产任务还是需要工厂承担。从左到右：ATC研发中心现场负责人GE航空材料工程负责人GE航空设计工程负责人ATC航空增材制造集成产品团队总经理奥本工厂同时也负责LEAP发动机燃料喷嘴的制造，其每周800个喷嘴的产量在当前增材制造的行业现状下已经属于完全工业化的大批量制造，而且其产量还会在今年翻倍增长。此外，从LEAP发动机获得的大批销量订单来看，奥本工厂未来的生产任务将更加繁重，目前ATC的一些设备正在搬往奥本工厂。ENDGE9X是GE航空首次将多种金属材料3D打印用于航空应用，但这些零件需要与其他传统方式制造的零件一样经过严格的测试，符合相关标准才能获得使用。对于一种新工艺来说，标准非常重要，美国联邦航空局和研发中心的工程师正在一起探索，大批量应用的存在无疑会推进相关标准的制定进程。关于航空应用中设备、材料、工艺等的相关认证，可以查看《关于增材制造的航空认证问题》。GE9X认证测试GE9X发动机是波音777X客机的动力引擎，是世界最大的商用航空发动机，其推力是许多战斗机的几倍，甚至超过了美国首次载人航天飞船中使用的火箭“水星-红石3号”的推力。如此强劲的推力也意味着飞机制造商可以更加轻松开发更大更重的客机衍生型号。目前，GE9X已获得来自8家客户的700多台订单。欢迎转发延伸阅读：新一代增材制造 : 金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功专门的增材制造业务部门对整个公司采用新工艺的重要性深度：增长再次加速？公司开启3D打印战略的路径与建议复制联系笔者：2396747576技术交流QQ群：867355738，所有资料均在群文件夹 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者

此前我们印象中金属线材这类有别于纯聚合物的材料往往只能使用如Markforged MetalX和Desktop Metal Studio这样的专用金属FDM系统进行打印，而近日巴斯夫推出的新款316L不锈钢线材则将其适用性拓展至普通的FDM打印机，这使得金属打印变得更易触及，而且其金属含量比目前常规使用丝材的比例都要高。本期，3D打印技术参考对该产品进行介绍。▌材料特点与打印条件新型的Ultrafuse 316L线材由超细不锈钢粉和聚合物混合而成，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。巴斯夫号称该材料在传统的开放式FDM设备上均可以打印，其官方给出的打印条件如下：●挤出温度：230 - 250°C●加热温度：100 - 120°C●丝材直径：1.75mm●单盘重量：3kg●打印速度：15 - 40mm / s●零件冷却：无该材料在Ultimaker S5打印机上面进行了实验并取得了成功，基于该打印条件，国产FDM也有很多型号能够满足使用。而且此类设备相对于专业的Markforged和Desktop Metal肯定要便宜很多。打印条件设置▌高金属含量，高性能此前市面上的金属线材中金属的含量普遍在50-80％，Metal X线材中金属粉末、蜡和树脂的组分比例为60:20:20，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，笔者对比了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。然而两者的使用成本却不可同日而语。Desktop Metal 316L官方性能数据巴斯夫Ultrafuse 316L官方性能数据在烧结过程中，Ultrafuse 316L的XY轴的收缩率约为20％，Z轴的收缩率约为26％。放大收缩比：X/Y=1.2 ; Z=1.26▌新材料的适用领域巴斯夫3D打印解决方案总经理表示，其公司的目标是开发一种高质量的金属丝材，使金属部件的3D打印变得更容易、更便宜、更快速、更易获取。基于FDM的金属打印在以下领域可发挥价值：●功能原型●装饰件●近表面冷却的工装和模具嵌件●具有高耐腐蚀性和韧性的非磁化零件●手表●医疗设备●食品化工零件●轻质空心件和填充件在Ultrafuse316L推出之前，金属丝材的打印几乎只能通过上文提到的两家制造商实现，其入门级的工业机器和材料对于普通用户来说仍然是一项昂贵的选择。而从材料方面入手，对现有的FDM打印机进行适当的升级，便可以使小规模的工业金属打印变得更加经济实惠和更加容易获取。END客观的说，金属FDM打印也有弊端，即后续的脱脂和烧结过程。往往办公室生产的名头非常诱人，但后续的两步重要操作是否只能外协完成，如果要采购设备，固定的投入也会较大。此外，FDM打印的金属材料在性能方面与SLM相比还是会存在质量差异，这因此限制了其应用范围。而且巴斯夫也表示，尚不确定使用相同的设备、材料、工艺，金属线材能否达不同批次间性能的均一稳定。但无论如何，Ultrafuse316L的推出仍然是很大的进步。关于金属FDM的更多内容，请查看延伸阅读，本文不再综述。欢迎转发延伸阅读：基于烧结工艺的金属增材制造工作原理基于烧结和熔化工艺的金属3D打印成本结构对比由Markforged Metal X了解金属桌面3D打印机的应用特点Desktop Metal金属桌面打印机---DM STUDIO解析复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：普通FDM即可打印金属线材：巴斯夫优化新材料配方

近两年，我们经常会看到包括央视在内一些媒体报道“XXX团队完成世界首例、国内首例、XX市首例3D打印辅助、置换XX手术”，看的多了，思想意识会从震惊、喜悦变至…..着急。因为3D打印技术发展已逾30年，但直到今天依然被当做新奇事物被报道，这说明3D打印还未实现大规模的临床应用。上周，国内第一批定制式医疗器械团体标准正式实施，这预示着我国医疗3D打印应用开始走上快车道。▌回顾3D打印医疗发展进程在2017年，十二部委就联合制定《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》(以下简称《计划》。其中将“3D打印+医疗”内容列为重点任务之一。《计划》中指出：针对医疗领域个性化医疗器械（含医用非医疗器械）、康复器械、植入物、软组织修复、新药开发等需求，推动完善个性化医用增材制造产品在分类、临床检验、注册、市场准入等方面的政策法规，研究确定医用增材制造产品及服务的医疗服务项目收费标准和医保支持标准。其中还提到行业应用显著深化，推动增材制造在航空、航天、船舶、汽车、医疗、文化、教育等领域实现规模化应用。盘点国外3D打印发展状况就会发现，在3D打印医疗应用领域中，萌芽期的产品还在萌芽，过热期的产品也没有如预期般迎来成熟，3D打印植入物也没有迎来过热期，而在相对平缓的发展。近几年，国内3D打印在医疗领域的应用取得了哪些突破？据动脉网统计，国内外涉及医疗3D打印的企业一共有78家。其中涉及口腔类3D打印的企业共20家；骨科植入物企业14家；生物组织企业5家。而从融资数据来看，除去未公开的融资数据，A轮企业有10家，IPO的企业大部分在发展3D打印业务前就已上市。2018年共有13次融资，2015年是18次。赛伯乐松石投资有关人员介绍，3D打印医疗应用整个市场趋于理性，初期涌现的大量企业，大部分都找到了自己的位置，有些企业自身已经具备造血能力。在方向逐渐明朗，市场逐渐冷静的环境下，接下来的项目一定将技术突破和市场需求结合。▌骨科植入物是热门，审批成为最后门槛在3D打印医疗应用的产品中，骨科是比较热门的领域。一是行业不确定性还存在，有突破空间，不像齿科应用市场比较成熟，也不像生物组织打印那样技术还未完备。二是市场体量也较大，但离大规模临床应用还有很多障碍。接下来，我们通过3D打印骨科植入物方面的研究者、从业者和投资人的观点中，厘清行业发展共同的壁垒，回望这些年来的成就。在3D打印骨科植入物方面，已被CFDA批准的产品有爱康医疗与北医三院合作的3D打印髋臼杯、3D打印人工椎体、3D打印脊柱椎间融合器。3D打印在骨科领域的应用，可以分为术前、术中两个部分。术前的应用可以利用CT、MR数据建立三维模型后，打印3D打印术前模型以及3D打印手术导板。而3D打印手术导板则可以帮助医生在手术中快速确定髋臼的定位、磨锉的大小、深度、角度以及髋臼螺钉入钉位置、角度、长度等，实现精确手术方案。术中的应用，主要是个性化的骨科植入物。3D打印的金属材料植入物，可以做到形成多孔结构，也就是说可以模仿人体骨小梁结构，让更多地骨组织长入。另一方面，3D打印的骨科植入物可以做到个性化定制。3D打印的髋关节多孔结构从市场规模和反应来看，骨科植入物同样值得期待。我国每年有超过100万骨科植入物需求，爱康医疗、春立医疗年收入都超亿元，并且保持超过50%的增长率。两家机构也都布局了3D打印人工关节应用，其中爱康医疗还与GE展开合作，春立医疗则与惠普医疗合作。爱康医疗被称为3D打印第一股，但是总的来看目前爱康医疗主要收入还是来自常规的膝关节、髋关节置换产品。2017年，常规产品占到销售收入的87.4%；而3D打印的髋关节、脊柱置换产品销售收入占比9%，收入为3340万。而2018年公布的年中报显示，爱康医疗3D打印骨科植入物产品业务增速达到178.6%，仅去年上半年3D打印产品销售收入就已达到2720万。这个数据以及增速足以说明，3D打印在骨科植入物方面拥有的市场潜力。作为目前中国唯一获得相关注册证的商业化3D打印骨科产品（3D打印用于铸造下颌骨除外），爱康医疗与竞争对手相比，先发优势明显。▌标准初定 , 产品认证问题正在获得解决但是目前来说，行业内共同面对的问题，不在于技术难题而是审批之路，以及目前还没有先行的标准规范。业内人士表示，目前国内研究骨科植入的有很多机构，产品基本上都能满足临床需求，但是卡在审批这个流程可能需要三年左右的周期。艾科赛龙是一家数字骨科医疗产品和解决方案的专业服务商，其创始人赵小文提到，“我们在基础研究领域做了很多年，但是在从基础研究转化为临床过程中，审批和认证标准比较模糊和缺失，有了框架之后没有细则，这是一个很困惑的过程。当然这其中肯定也是技术和政策相辅相成的过程，政策有了明确，技术却没有突破也是不行的。我们在人体骨骼的生理结构量化方面做了很多基础研究，但是在转化过程中就遇到没有标准的问题，后来2018年有一个相关文件，我们就马上进入了临床，所以我认为获得认证过程是较难的一点。”不过这个困扰3D打印医疗发展的老大难问题也在逐步得到解决。前不久，国家药监局发布关于组建人工智能等3个医疗器械标准化技术归口单位的公示，其中包括医用增材制造技术医疗器械标准化技术归口单位组建方案。而上周发布的第一批定制式医疗器械团体标准，则将定制式医疗产品的制造要求进行了明示，这意味着我国3D打印医疗器械标准体系的逐步建立。来源：定制式医疗器械医工交互全过程监控及判定指标与接受条件不过比起FDA目前在骨科植入物方面已经批准的超过30多种产品来说，CFDA审批速度还是较慢，而且在已发布的标准中尚未看到具体的产品指标要求，因此我们也期待第二批团体标准的发布，相信不会等待太久。但正如《计划》汇总指出的一样，其它还有很多需要政策指引的文件，包括推动完善个性化医用增材制造产品在分类、临床检验、注册、市场准入等方面的政策法规，研究确定医用增材制造产品及服务的医疗服务项目收费标准和医保支持标准等等。在此方面，3D打印技术参考也已经看到了推进计划的具体进展，目前湖南、广东、江苏、山东、河北、安徽、四川等省份均已发布关于3D打印医疗服务项目的试点收费指导标准。▌成本不会高于现有产品，医生患者接受度将成为接下来的难题3D打印医疗产品的临床应用，会直面产品成本问题。借助3D打印制造的医疗器械在价格上是否在患者可负担的范围内，患者可及性有多大，同样会成为临床应用的门槛。对于医生来说，全新的技术应用带来了对传统医学治疗方式的挑战，医生是否愿意借助3D打印，3D打印又能否满足医生的实际需求，对新技术应用带来了双重考验。在此背景下，加强3D打印医疗器械医工交互人员的从业上岗资格培训被纳入到团体标准的实施中来，它将为从业人员准确判断3D打印医疗器械是否满足临床需求提供保障。从成本上看，3D打印的医疗产品价格是否会高于现有产品很多呢？业内人士表示，3D打印的医疗产品价格整体不会高于现有的产品，并不会给患者造成高额的负担。以骨科为例，以往的骨科耗材利润率非常高，3D打印生产的植入物在成本上并没有劣势。▌编后语3D打印能够以更低成本、更高效的方式提供更好的医疗体验，无论是不是在风口上，它都将在未来的医疗应用中扮演越来越重要的角色。关于第一批定制式医疗器械团体标准可进QQ群下载。欢迎转发延伸阅读：医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活医学3D打印的主要类别及其改变该行业的方式3D打印如何辅助医生手术，如何宽慰患者复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：标准初定，国内医疗3D打印的现状及未来发展的难题在哪里

采用3D打印制造火箭发动机部件已经被业内专家作为一种潜在的解决方案，基于轻量化和一体化的制造优势，3D打印可以减少部件的总数量并能释放火箭的容量，同时带来成本的降低。在这个过程中，材料及其安全可靠的打印工艺是极其重要的。本期，3D打印技术参考带来NASA对一种火箭推进部件用新合金的开发备忘录。▌项目背景2014-2017年，来自马歇尔航天飞行中心（MSFC）、美国宇航局格伦研究中心（GRC）和兰利研究中心的团队完成了GRCOP-84（Cu-8%Cr-4 %Nb）铜合金SLM工艺开发，并利用其进行了液氧甲烷发动机燃烧室的低成本制造。2016-2017年，MSFC进行了几次成功的高温试验。该项目的另一个里程碑是发布了GRCOP-84的成分数据，其目的是可以获得更多的粉末供应商以及3D打印服务商。下一步的开发工作自然指向了GRCOP-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）铜合金，这是一种相比前者具有相似强度但可以提供更高热导率的新材料，这使得发动机的性能可以进一步得到提高。2015年，NASA 3D打印首个全尺寸GRCOP-84铜合金燃烧室GRCOP-42粉末此前难以生产，但参与GRCOP-84制造的粉末供应商现在已经准备好进入这种类似合金的生产开发。较低的Cr和Nb含量实际上比GRCOP-84更容易加工，因为当铜熔化时，Cr和Nb反应非常迅速，Cr2Nb会漂浮到静止熔化物的表面。因此，GRCOP-84中增加的Cr2Nb超过了GRCOP-42的溶解度。本研究中使用的GRCOP-42粉末的尺寸规格为0–44μm。▌开发过程GRCop-42的3D打印工艺开发是基于Concept Laser M2完成的，选择该设备的主要原因是，它曾被用于GRCOP-84开发，具有一定的“铜友好性”，400 W的激光功率可以很容易地达到完全熔化GRCop-42所需的高能量密度。虽然GRCOP-84采用0.03mm的分层厚度并取得了成功，但事实证明，以这种速度构建较大的组件非常耗时，基本上275毫米高的部件需要28天才能完成打印。在GRCop-42的开发过程中，人们希望它能以更快的速度进行打印，并可以扩展到更大成型尺寸的设备，以生产更高推力的发动机。GRCop-42的高导电率意味着可以使用更低的能量，在较厚的粉层上实现稳定的熔池，调试工作最终以0.045 mm的分层厚度开始。M2打印机参数表在2018年初，研究人员对42个参数进行了初步试验，建立了不同工艺组合的25个小块。GRCop-84最佳的打印工艺能量密度为95.2 J / mm3（见表A栏），GRCop-42测试矩阵以与其相似的能量密度开始，其中功率范围为225-325w，扫描速度范围为800-1200mm/s，最低能量密度相当于GRCop-84的一半。据推断，较厚的层需要稍微更小的扫描间距才能完全熔化，因此扫描间距稍有减小（见表B栏和C栏）。GRCop-42边界参数在实验过程中发现，较高能量密度条件下样品存在过熔现象，零件周围的粉末迅速吸收热量。将25个样块进行破坏性显微镜检测，对YZ平面使用图像分析软件确定每个样本中孔隙的平均孔径和平均孔隙度，在Excel中计算圆形等效直径，并将这些值绘制在与参数对齐的颜色图上。孔隙度图谱 : (a)总孔隙度(%), (b)平均孔径(μm)在所有数据中心找出平均孔径小于15μm，密度大于98%的参数集，这些参数随机分布在构建板的25个样块中。然后进行机械测试件的打印，测试件直径为13 mm，Z方向高度为100 mm，每种参数均使用不同参数打印。研究人员对功率与扫描速度以及构建板上每个试样的位置进行了标注，左上为NW，右上为NE，左下为SW，右下为SE，其中“O”为中心样本。▌后处理与机械测试打印完的样品遵循GRCOP-84的标准处理工艺进行热等静压，然后进行机加工和室温拉伸试验。测试件被加工成ASTM E8型圆形拉伸试样，然后按照相关标准进行拉伸试验。无论每个试样的制造质量如何，测试过程都要保证快速和一致性。机械测试样件分布图上图显示了构建板上的样件布局。20个绿色试样的极限拉伸强度（utss）范围很窄，仅从339MPa到356MPa不等，延伸率大于20%。在剩下的5个标本中，有2个（黄色）的拉伸强度与大多数样件类似，但延伸率仅有12%和15%；另外两个（红色）的拉伸强度仅有180MPa和197MPa，几乎没有延伸；最后一个（蓝色）的拉伸强度最高，达到459MPa，具有中等延伸率（12%）。在初始密度研究中，NE1-1、NE1-2、E-1和E-2样本具有最高的总孔隙度和最高平均孔径。NW1-1样本并未进行热等静压处理，这也解释了它非常高的强度和较低的延展性。END这项研究发现，GRCOP-42是一种易于打印的合金，可以制备完全致密的部件，相比GRCOP-84可以达到更快的成型速度并具有一致的性能。利用平均孔隙度和孔径进行初始参数测试也显示出预测力学性能的良好效果，对延伸率的影响尤其明显。采用优化的新工艺，3D打印速度提升越20%，原来28天才能完成打印的部件现在仅需要22天多一点，几乎节省了一周的时间。然而这并不意味着这已经是最优的工艺，更高的功率往往会导致孔隙增多，而且还可能造成零件粘粉难以去除。因此，需要找到能量密度更低、更快、更加适宜的参数。研究人员仍需要对确定的参数集进行广泛的测试，同时需要对不同批次的粉末进行研究，排除外在因素的影响。欢迎转发延伸阅读：重点解析：铜材料的直接打印问题激光成型高温难熔金属材料的种类及应用Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战金属3D打印的最佳实践（一）：Magics混合支撑结构复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属3D打印的最佳实践(二)：NASA新材料3D打印工艺开发备忘录