SLM金属打印技术作为一项关键的3D打印技术，持续获得科研界和工业界的关注，目前在国内，传统制造企业正开始主动接触这项技术。相较于国内的迟缓，国外还是要超前一些。本期，以高温夹具的制造为例，介绍3D打印的在材料测试系统（MTS）中的应用。由于一些特殊行业对材料超高温情况下的力学性能有较高的要求，现有的拉伸试验机夹具多由金属材料压力加工而成，在高温加压过程中会过早出现屈服失效的现象。例如，在测量IN718合金的高温蠕变性能（700℃）时，标准钢夹具很容易断裂；再者，不稳定的夹具在进行性能测试时，数据的准确性和一致性也无法保证，这对于本就存在一致性风险的3D打印零件测试，更是雪上加霜。为了准确量化性能，美国空军技术学院（AFIT）的研究人员对MTS夹具进行了重新设计，并利用SLM技术制造，使其具有了更高的热转换率，减小了高温蠕变过程中夹具的热应力，从而降低了夹具开裂的概率。MTS夹具优化设计3D打印在制造具有复杂内部结构的零件方面具有优势，这种优势不仅可以用在随形冷却水路模具的制造方面，同时也可用来制造具有冷却流道的夹具。优化设计：左边为3mm的三回路流道，右边为5mm的单回路流道起初，研究人员设计了内部直径为3mm的三回路流道，发现过通道内粉末不易清除。经过优化，改进为直径为5mm的单回路流道，加工方向也进行了优化，减少支撑的使用。改进后的设计粉末清除方便，也为实验测试提供了最合适的流体环境。CFD模拟散热为了对比3D打印和传统制造的MTS夹具的散热效果，研究人员对此进行了仿真。将两种模型零件导入ANSYS Fluent软件，进行基于动量、能量和连续性方程额系统焓值计算，总焓值的变化即为系统的散热效果。散热效果模拟通过比较两种模型的温度分布情况，发现3D打印的MTS夹具的焓值变化更高，是传统工艺夹具的2.87倍，温度分布也更为均匀。MTS夹具制造制造所采用的设备为Concept Laser M2 Cusing, 模型留有4mm的余量，用于补偿与基板分离时的偏差，基板材料为钢。打印采用孤岛扫描策略，后处理过程包括线切割，表面磨削，以及关键位置的钻孔等。SLM成形件实验测试AFIT研究人员将SLM成形的MTS夹具安装于22 KIP 810 MTS®，去离子水作为冷却剂，流速为13.5mL/sec，冷却剂温度为22℃，夹紧压力为6.8 MPa，拉力为1000N，蠕变温度为700℃。在蠕变测试过程中，金属夹具表面涂覆Aeroglaze Z306，FLIR® SC7650红外摄像机被用于监测3D打印夹具和传统制造夹具的热图像。热量分布比较：（a）传统工艺制造夹具，（b）SLM制造夹具结果显示，3D打印成形的夹具具有更好的热转换效果，传统工艺制造的夹具冷却过程中，平均温度为31.7℃，而3D打印的只有27.7℃。总结金属3D打印随形冷却水路，为模具提供了更广阔的设计空间，同时这种优势也可应用到其他领域。AFIT研究人员利用SLM制造的IN 718 MST夹具，在高温蠕变测试中具有很低的热应力，降低了夹具在高温和压力环境下开裂的可能性。为进一步提高冷却流道的散热能力，设计更为复杂的螺旋流道，创造湍流环境，提高热传换效率，这种设计也适用于其他类似应用。欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：案例：3D打印如何用于工装夹具生产利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：案例分析∣SLM制造MTS高温拉伸夹具

3D打印用于医疗已经不是什么新鲜事，从医疗导板、护具、牙桥牙冠到替换人体内部零件的金属植入物，涵盖范围不一而足。如果说上面这些看起来比较呆板，那么像心脏、血管这些活性组织器官打印则要更加神奇。关于实际案例我们已经看到了很多，本篇我们来看一个非常唯美的科普视频，来了解生物陶瓷打印是如何帮助修复脊椎损伤的。 脊柱是身体的支柱，由脊椎骨及椎间盘构成，是一个相当柔软又能活动的结构。作为生命的脊梁、健康的立柱，一旦出现问题，将会严重影响人体生命信息的感传和气血能量的即时通达。由于现代人的工作和生活方式的改变，脊柱疾病正在呈现逐年增多并逐渐年轻化的趋势。现代医学的发展的确可以治愈和减缓很多疾病，但由于脊柱内部自上而下有一条纵行的脊管，内含脊髓，当受到损害时常难以治愈。而生物陶瓷3D打印的发展，为脊椎损伤修复带来了新的希望。上面视频揭示了生物陶瓷3D打印修复脊椎缺损的全过程，下面我们解析一下：含椎管的多孔替代结构3D打印的优势之一就是可以制作几乎任意结构。该修复体的多孔结构有利于骨细胞快速长入形成骨组织，并能促进血管化区域的形成，内置的中央管则有利于促进血管组织的内向生长。生物类材料自是植入体内，所用材料必具有生物相容性。从视频中我们也可以看到，椎体结构的打印用了两种材料—生物可降解陶瓷和细胞。陶瓷材料形成了椎体的主体结构，而细胞材料则构成了内部的血管。植入物打印完成之后，经过医学处理便可以植入人体，通过钢钉等器械固定，使其更为脊柱的一部分，接下来便是上面提到的血管化、成骨的过程。生物可降解陶瓷的好处一是生物相容性，例如羟基磷灰石，在体内不会发生排异反应；二是这种材料可以降解，如视频中所展示的，植入体在细胞长入后逐渐降解，最终被自身新生成的骨组织替代。最终的结果，将是解除病患，给患者带来健康。关于医学方面的知识笔者专业能力有限，在此不班门弄斧。生物陶瓷3D打印的技术也已经发展了多年，笔者在读书的时候就看到中南大学帅词俊课题组已经开展了相关研究，相信这种功能植入物在近几年一定获得了更好的发展。视频中的治疗方式涉及到多材料生物3D打印技术，制造出来的是功能性的植入物，相信可以给患者带来更多希望。欢迎转发长按获取更多资料Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：中国科学家如何采用干细胞实现血管3D打印医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：推荐视频：3D打印如何助力修复脊椎损伤（画面唯美）

在去年德国法兰克福TCT展会上，Materialise宣布将引入Simufact的粉末床熔化工艺仿真功能，该功能将作为Magics的一个插件，帮助用户在熟悉的数据环境中更好地控制预构建过程。该功能目前已完成内测，将于本月正式发布。当前，仿真正在受到越来越多的重视和关注，无论是软件开发商还是直接应用部门，对于增材制造仿真功能正显得极为迫切。SOLIDWORKS Simulation 2018新增加了拓扑优化和应力检测功能，Netfabb 2019推出了基于云的仿真，EOS增强与模拟软件供应商Amphyon的合作，而GE Additive则直接收购了GeonX。除此之外，让人印象深刻的还有仿真大户ANSYS收购3D SIM推出了金属打印工艺仿真功能。 Simufact粉末床熔化工艺仿真功能相比专门的仿真软件，Materialise有着先天的优势，毕竟众多3D打印的从业者最熟悉的软件还是Magics。Magics完善打印前模型预构建功能从上图可以看出，Materialise是进一步完善了Magics的功能，从最初的模型处理、支撑生成，到后来的e-stage高效支撑处理模块，仿真功能的加入可以说是对Magics功能的极大完善。用户可以在数据处理和支撑添加完成之后直接进行工艺过程的预览，利用Simufact的热力学计算方法呈现打印过程中的热量情况，还能直观看到打印件的变形和支撑以及工艺调整对打印件的影响。Magics在线仿真功能增材制造的零件与铸造和锻造的金属具有不同的结构和性能，这些不同包括密度、残余应力、力学强度以及非平衡的组织结构等。激光熔化金属粉末成型零件，难以避免会在内部留下孔隙，而残余应力的产生则会直接引起零件变形。打印过程中通常会采用加热基板、添加支撑、修改激光参数和扫描方式的方法来减少影响，但这仍是一个试错的过程。此时仿真模拟的功能可谓有效，而Magics增加了这种便利。下面以集成前的原Simufact软件举个简单例子（来自louis.lu）：在mimics及geomagic软件中，对CT扫描得到的胫骨进行建模和修复建模完成后，在hypermesh等网格划分前处理软件中，对其进行网格划分。由于该构件是由增材制造来进行分层制造，所以网格划分也需要遵循一定的层次规律。网格划分完成后，将其导入Simufact中，进行分层设置，建立起扫描轨迹线，并一一对应。将计算得到的结果与计算之前的结果进行对比，得到其增材制造后的冷却阶段模型的总体变形。从结果可以看出，无论是纵向变形，还是横向变形，变形量都非常明显。这也就是增材制造仿真的意义所在。完整动画演示质量控制是目前满足客户苛刻要求的最重要挑战之一，Magics能够在生产前预测错误、适时调整工艺，可大大减少开发阶段构建的原型数量，同时提高产品质量和寿命。这将直接最大限度地缩短上市时间和开发成本。实施模拟仿真，不仅仅是科学研究问题，更是工艺问题。欢迎转发更多资料获取延伸阅读：增材制造实时监控与工艺过程仿真基于增材制造的模拟仿真到底接不接地气？金属粉末与激光作用过程为什么要仿真赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：Materialise将于本月推出Magics在线仿真功能

「 点 击 下 方 图 片 即 可 查 看 」欢迎转发更多资料获取长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印特种材料汇编

在往期文章中，笔者提到奥迪在2002年已经购买了第一台Stratasys FDM 打印机，3D打印的引入不仅用来制作原型，还开始制作汽车备件，从而大大减少了压铸等传统工艺的使用，奥迪公司无疑在此方面取得了巨大成功。本篇文章分析奥迪实现高效3D打印产出的应用经验。奥迪3D金属打印中心工业级设备购入3D打印机、输入CAD数据、开始打印过程、完成优化组件制作，当用户真正开始这一流程时就会发现，生产出合格的零件并不是那么简单，而奥迪在2014年就将打印的金属部件直接安装在了汽车上。其所属的整个大众集团在全球拥有120多家工厂，可开展金属和塑料3D打印，奥迪Ingolstadt金属打印中心拥有3台金属机—EOS M400、290以及SLM Solution 280 HL。基于粉末床的SLM技术对于汽车制造来说无疑是最先进和成熟的，而诸如多激光束、独特的气体过滤技术以及成熟的工艺输出确保了零部件的高效率和高质量制作。经过多年摸索，3D打印已经在其公司内部产生出了奥迪标准。专业的3D打印技术团队Ingolstadt金属打印中心隶属模具制造部，具有独立生产车间。为实现高效产出，奥迪改装了SLM送粉系统，配备材料仓库、后处理室以及热处理车间，并拥有多名工程师和技术人员分别处理不同的任务。为了使打印部件达到要求的高质量，应用工程师必须非常了解设备。热成型工具工程师在真正开始打印之前就需要很多经验。除了要符合增材制造的设计结构外，还需要考虑零件结构强度、可能发生的变形、支撑结构设置以及零件的摆放位置等。虽然设备商都会对此进行培训并提供技术支持，然而金属打印过程复杂多变，仅仅依赖设置好的得工艺方案远远不能解决所有问题，高质量零件的打印需要依赖应用工程师的专业知识以及对可能出现问题的反应能力，这也是为什么奥迪需要受过专门训练的员工，金属打印团队在此方面积累了大量经验。用于钣金零件的切割刀片经过多年积累，Ingolstadt金属打印中心设备齐全，成功开发多种工艺技术，在设备使用、材料、工艺以及零件设计方面积累大量经验，零部件成品率极大提高，损坏已经很少发生。其负责人声称这归功于多年的积累和以及工程师丰富的经验。广泛的经验交流经验技术的交流对于技术的进步直接而高效，Ingolstadt金属打印中心负责人的很大一部分任务是就在大众集团内部进行交流，如与使用其他打印设备的同事一起制定设备和软件开发规范，探讨安全生产条例，零件高精度制作、支撑快速去除的方法等等。当前虽仍没有完善的解决方案，但该中心会将行业的高要求传递给软件和设备开发商。通过这种方法，集团以外的用户也可以在这一模式中受益。零件打印过程的监控似乎被奥迪格外看重，工程师每次轮班均需拍照记录，对智能监控的需求极为迫切。奥迪期望打印机可以自动评估打印过程，提供反馈并可以进行周期性的工艺调整，而且可以在必要时自动取消打印。但奥迪并未说明对此需求的原因，笔者猜测这可能与零件性能以及打印过程的稳定性有关。主动寻求技术改进和突破即使智能监控未能发展到令人满意的地步，但实际上依靠成熟的工艺，设备也可以自动运转，即便周末也无需人为干预。零件打印完成后可在打印中心完成切削、车削和热处理。热处理过程看起来似乎不起眼，但增材制造的零件性能却极大依赖该过程。为材料开发热处理工艺需要相当长的时间，而且激光熔化成型的零件有别于传统的铸造零件，具有不同的微观组织结构，因此需要新的热处理工艺。其实这也为传统的制造商创造了新的业务领域，然而由于增材制造尚未引起传统产业链环节的充分认识，他们对3D打印的零部件尚缺乏必要的知识和经验，而Ingolstadt金属打印中心两年时间打印了4000个零件，这是很大的业务量。在EOS M400侧方位操作奥迪为SLM Solutions280 HL改装了一台粉末给料机奥迪在增材制造工艺链中投入了大量人力，除了设备自动化和热处理进一步发展外，还包括进行了加快送粉速度、改进设备清洁效率的方法，这些结合在一起的小细节在实际生产中节省了大量时间。高效产出Ingolstadt金属打印中心的一个成功案例是转向箱原型的打印，该请求来自前期开发中心。他们将交货时间从七周减少到一周，并将该部件的生产成本降低了10倍，这足以证明3D打印工艺的优势。而且近年来在材料和工艺开发方面取得的进步，使一些3D打印的部件也可用作备件。奥迪也已经在使用这种工艺制造展览模型、预生产车辆和赛车零件。lunar quattro铝合金车轮备件生产是金属打印中心的一个重要项目，他们使用的材料主要是AlSi10Mg。3D打印的W12发动机水冷系统连接件已成功通过奥迪的质量检测，可以接受订购。该团队与奥迪传统售后部门密切合作，在该部件获得成功使用后，他们确定了适合3D打印的其他部件。3D打印用于备件生产，不仅可以减少库存，更关键的是可以减少制造备件生产所需的各种工具，极大降低成本。3D打印经拓扑优化的蜂窝结构金属打印中心三分之一的订单涉及设备生产，如冷却模具插件以及用于工厂和夹具结构的仿生优化组件。3D打印在此方面的优势包括模具冷却效率的大幅提升以及仿生组件重量的减轻，例如用于固定装置的零件以前重12kg，经过仿生设计和3D打印制作，重量减轻三分之一。通过这种方式，生产的设备可以更轻、工作效率更高，甚至生产质量也得到提高。延伸阅读增材制造如何重塑汽车产业案例：3D打印如何帮助汽车减重 省油案例探究：3D打印提升汽车性能 加速设计迭代奥迪2002年即购买了第一台Stratasys FDM 3D打印机更多资料获取长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

如果有研究生想出国留学攻读增材制造方向的博士，笔者一定会推荐德国弗劳恩霍夫研究所和亚琛工业大学，这两个机构是激光制造的摇篮，担负着未来的先进制造工艺，在全球范围内极富盛名。然而本篇笔者要叙述的是另一所研究机构—莫纳什大学增材制造中心。 莫纳什大学是澳大利亚最大的大学，材料学科非常强，在全世界排名第7。说到莫纳什大学就不得不提吴鑫华院士—莫纳什大学增材制造中心主任。吴鑫华院士是澳大利亚技术科学与工程院院士、英国材料协会院士，也是国内长江学者讲座教授，在中国国内更是缔造了飞尔康、三峰以及倍丰激光科技公司，可以说其团队的研发范围涵盖了从材料、设备到工艺过程的几乎所有内容。 在7月底，杭州举办的增材制造大会上，吴鑫华院士做了《航空材料选择性激光熔化中冶金问题和质量控制》的主题演讲，借助该演讲我们可以一窥莫纳什大学增材制造中心在金属打印方面所做的工作，以期对我们带来更多启发。在此感谢南极熊在现场所做的重要工作，才能使我们更多人获得丰富的知识。以下为演讲实录，笔者根据演讲内容做了相应配图，供大家参考。 前面各位讲演专家们提到了，3D打印材料非常重要，我是材料工程师，所以我今天主要讲一讲3D打印中的材料问题，尤其是在航空中的应用问题，因为航空中对材料质量的要求非常严格。今天我用一些例子介绍一下，我们如何控制3D打印中材料指标问题。 我来自莫纳什大学，我们有增材制造中心，我还会介绍一下我们这个中心的特点，以及在航空中的新应用，最后讲一下对于金属材料来讲，尤其是对于航空材料来讲有什么样的发展方向。 莫纳什大学增材制造中心研究范围 莫纳什大学是澳大利亚最大的大学，有8万多名学生，最重要的是它的材料学科，非常强，现在全世界排第7名。增材制造中心成立于2012年，现在大概有40多人，主要是面向于基础研究，但最后的结果是要为工业服务。 在材料研究当中，3D打印只不过是加工工艺的一种，其实跟铸造和锻造或者是焊接一样都有重要的应用方向和价值。所以长期以来在材料结合过程当中，3D打印是我们必须研究的过程。莫纳什增材制造中心已经培养了上百个博士，过去七八年大概有3000万澳元的经费。目前有一个比较大的项目，是澳大利亚的一个国家项目，主要是从基础研究向成果转换，其中赛峰集团跟我们一起研究发动机的材料问题。 中心最重要的是2014年，我们有四个发动机静止构件通过了实验，这在当时的赛峰集团是一个非常重要的成绩，我们因此获得了创新一等奖，这对赛峰来讲也是一个里程碑。为了更好的为工业界服务，也是帮助赛峰批量化生产，2016年我们跟赛峰集团形成了批量化生产的战略合作关系，包括我们为赛峰集团提供所有的技术支持和设备，在院内进行批量化3D打印发动机的构件。 今天我主要讲的是金属粉末床激光熔化工艺。把粉末铺在机器上进行激光扫描，金属粉末的熔化和冷却过程是一个非常快速的过程，这个过程是非平衡状态，非平衡状态导致了材料形成的组织结构是非常细小的，而且材料内部含有大量的残余应力。在莫纳什大学研究过程当中，从前面的粉末开始，首先我们要知道什么样的粉末可以使用，什么样的不可以，粉末循环多少次还可以使用，如何鉴定粉末质量，最后还存在如何降低粉末的成本问题。 第二是进行拓扑优化，优化不仅仅把一个形状优化出来，重要的是在高温高运力情况下，优化的所有产品都要保证所有性能一致，包括拉伸性能，更主要是疲劳的性能，这里面存在非常复杂的优化和认证工作。工艺的优化是什么呢？取决于所有的材料，在跟激光结合的过程中究竟产生了什么样的组织结构，有没有裂纹。这是非常重要的，首先要打印出一个完美的结构，后面才能进行后处理。实际上真正要达到产品的性能，所有的3D打印构件都需要进行热处理，这个热处理是真正材料学的处理，要对材料非常明白，根据这个产品结构的要求，在不同情况下选择不同的组织结构，才能真正进行3D打印最后的热处理。 最后从我们打印的构件来讲，表面光洁度非常差，如何提高表面光洁度，对于它的寿命是有直接影响的。所以这也是一个非常重要的部分。 前面讲演者都没有提到缺陷的检测，我相信一会儿GE专家会讲到缺陷检测问题，缺陷是非常重要的一个方面。缺陷的检测，就是在直接个性化的产品当中如何进行缺陷的检测，这个检测不光是要检测，而且要降低成本的情况下如何去实现，实际上也是一个非常重要的问题。最后是如何通过世行认证，医疗要通过认证，国际航空也要通过认证，国际航空只有一个国际标准，这个标准是应该的，也是非常难做到的。 根据我刚才讲的顺序简单介绍一下我们所做的工作。在优化过程当中，刚才提到了拓扑优化，现在市场上有各种各样的软件，商业的软件有的时候并不具备应用于3D打印的场景，例如一个发动机转子，如果我想把这个做出来减重的话，所有运力应变分析首先要了解它在做什么，零件内部的粉末要导出来就要开一个洞，这个洞开在什么地方对它的寿命会有影响。我们大学与其他单位进行了六七年的合作，开发了一款软件，通过这个软件我们设计了发动机的转子，今年3月通过了发动机的实验，它的标准是7万转，我们通过了84000转的转动。这是3D打印第一次通过发动机实验，也是3D打印究竟能不能用于转动构件的重要里程碑，也是我们上限的标准。这点我们已经证明了，确实可以做到。 拓补优化设计：自主编写软件，突破现有设计瓶颈 我刚才提到，在进行工业优化的时候，我们针对每一种材料都需要进行工艺优化，这个优化第一步就是参数优化，包括激光功率、扫描速度、扫描间距这一系列的参数，使整个产品做出来是一致的，这样才能保证大的构件做出来以后是稳定的，更重要的是机器性能是一样的。 这里解释一下，如果打印的参数不好，有的时候就会出现孔洞，你可能会讲我就挑最慢的速度，保证100%致密，但是最慢的速度就影响到生产力的问题，所以这里面就要讲平衡，根据生产的要求选择一个最佳的参数。 材料和工艺研究：每一种材料都需要优化 前面还提到后处理的问题，后处理是非常复杂的，是真正的材料学问题。我们采取热处理的原因目的是什么？是改变它的组织结构，第一是提高性能，第二是根据构件的要求，有的构件要求强度，有的要求疲劳，有的要求高温熔炼，所以从材料来讲，就是根据组织结构不一样满足各个材料构件的性能要求。组织结构不一样，就像花纹不一样，做出来的耐磨性、耐久性就不一样。 再讲一下3D打印中材料常见的问题。镍基合金按照现在的标准去买材料，你买出来的粉末三批出来的结果完全不一样，有的是开裂的，有的不开裂，开裂的时候有的是外裂纹，有的是内裂纹。这意味着以前定的标准用于铸造或者锻造来讲，各个元素对于快速冷却的敏感性不一样，对开裂的敏感性也不一样。只有真正明白了各个元素对它的敏感性以后，重新在现有的标准下再加载一个标准，才真正适合3D打印，它并没有走出现有的标准，只是适合3D打印的成分范围要比铸造范围要窄很多。 对于粉末的问题，大家觉得现在做粉末的非常多，谁都来做粉末，都可以拿来做3D打印，只要装在机器都可以用。实际上完全不是这样，讲一个简单的例子，如果粉末的尺寸大小分布不一样，有的是0—50微米的，有的是10—50微米的，要求的参数就不一样，同一个参数做出来的密度也不一样。所以我们选择粉末的时候，一旦想真正做产品，必须要有一个粉末的规范，不可以随便变。 刚才还提到后处理的问题，很多人说后处理就是把常规的铸造件或者锻造的后处理拿来，直接应用于3D打印，实际上是完全不现实的。为什么呢？首先材料快速冷却之后组织结构是不平衡的状态，而且是非常细小的组织结构。如果我要想恢复到原来的组织结构性能，首先要求的温度时间都不一样。还有一个，我们现在处理的是一个构件，而不光是一个块状的材料，这个构件有的时候有不同的厚度，比如发动机厚度有的2毫米厚，有的30毫米厚，在我们处理材料的时候，处理2毫米的条件和处理30毫米的条件不一样。现在在同一个构件里面，现在处理只能是同一个条件，为了最后各个部位都达到要求的性能我们做了150种实验，才真正能够把工艺条件优化出来，各个位置均满足性能的要求。这里面还有非常复杂的问题，包括残余应力的消除，以及自然时效的问题，每一个热处理做完之后放几分钟、几天、几个月都不一样，你后面再怎么处理？所以所有的问题都必须要全部解决以后，才能真正找到一个优化的后处理工艺。 后处理方案 在3D打印当中，我们发现最难的材料都是高强材料，这里讲一个高强的镍基合金和高强钢，同样的问题是直接3D打印的时候会开裂，尤其是在镍基合金当中，强化项超过46%的材料都会开裂。这个开裂基本上温度可以加到200度是不是就能够解决问题呢？实际上也不能解决问题，这实际上是一个非常复杂的问题，目前在我们中心经过了非常仔细的、复杂的研究，最后我们终于把这个问题解决了，保证这个材料在3D打印当中不开裂，这在世界上还是唯一的。这里面包括了所有材料里面各个元素的影响，包括形状的影响。这个材料是用于发动机叶片的，你可以做出来1毫米厚的时候全都开裂，做10毫米厚的时候全不开裂，所以这里面有形状的影响。当然还有加工工艺条件的影响，所以是一个非常复杂的过程。 为了完成这个任务，除了要考虑我们刚才说的这些问题，实际上更重要的是需要计算机的模拟，这个模拟必须要真实的模拟，这里一定要模拟它的非平衡状态的固化，才能真正把这个问题解决，当然还有一系列材料的参数。所以我们在做计算机模拟的时候，有9个不同的条件都必须考虑进去，最后才能真正把温度场和温度梯度以及残余应力分布计算出来，才能最后找到一个最佳的加工工艺，就是在什么情况下做出来不开裂。当然有了这个基础知识之后，就可以应用到其他的镍基合金中去。 在研究工艺的过程中我们也研究材料，进行新的材料设计，就是哪些材料利用3D打印快速冷却时适合作为3D打印的材料应用。我们研究了两个材料，一个是高强铝合金，这个材料可以使用到250度高温，所有的铝合金目前都是使用于100度以下，有了250度的高温，在发动机前端以前是用钛合金的现在可以用铝合金代替，可以进一步降低重量。一般的铝合金，现在市场上所有的铝合金屈服强度最高是280左右，一般260度左右，这个强度是580，比它高一倍，而且这个材料有非常好的特点，就是它的后处理非常简单，前面所有的都需要三步后处理，这个材料需要一步后处理就可以达到这样好的性能。 世界最大3D打印的A357铝合金构件 我们研究这个材料也是有原因的，当时我们的客户赛峰集团给我们提出来这个要求，他希望有代替发动机前端钛合金的材料，所以给我们提出来这样一个要求，我们就根据250度使用的情况，在这个温度下演讲材料的强化机理是什么，通过这个强化机理配置相应的元素，再来形成这样一种合金。我们也知道，开发一种合金有的时候可能需要几十年，但是我们一旦理解了它的强化机理，整个合金研发只花了12个月时间。所以真正做材料的研究，如果了解了材料的机理，实际上研究新的材料并不难。 我们还研究了一种高强的钛合金，钛合金一般屈服强度850左右，塑性大概10%，这已经有几十年。在这么多年情况下，实际上钛合金的研制是非常缓慢的，就是因为后面再研究什么新的钛合金都已经非常困难了。我们研究的钛合金还有一个特殊的用途，这个钛合金除了3D打印以外更重要的是根据钛合金铆钉研制的，铆钉研制实际上最难，这个材料性能经常是矛盾的，要三个性能同时增加是非常困难的。我们了解了这个材料的机理情况下，改变了所有的材料晶界结构，使得三个性能同时提高，这在学术上来讲也是一个非常大的成功。 下面我简单介绍一下3D打印国际适航上的工作。2012年科技部邀请我回来建立了飞尔康，一直是生产钛合金粉，为了提高钛合金粉的质量我们做了很多细致的工作，这个粉包括3D打印工艺，最后达到了国际航空标准，装到了919飞机上。大概有29个构件，通过3D打印的工艺达到国际航空标准，这在中国可能还是唯一的，在这个过程当中大家也问我，你究竟做什么样的工作能够达到国际航空标准？我们做了10.5吨的材料，做了非常多的实验，最后证明这个材料是可靠的才用到了民用飞机，生产的时候必须是天天一样的，年年一样的，25年都一样的，才真正能够达到民用航空的标准。 3D打印的C919飞机登机舱门零件 上图是C919采用3D打印制作的登机舱门零件分布，主要是钛合金打印的，这个工作完成以后，莫纳什大学也跟商飞签署了战略性合作，我们帮助商飞培养一些3D打印的人才，进一步帮他们做一些研发工作。 3D打印未来发展什么样呢？在所有3D打印客户当中，尤其是航空界，现在最大的问题是打印效率，如何降低成本的问题，这个成本如果要EOS，折旧费占60%，为什么有这么大的成本，不是说EOS机器特别贵，这是次要的，更重要的是机器的效率不适合3D打印批量化生产，这些机器是研究用的机器。研究用的机器，说明里面很多待机时间很长，浪费的时间很长，所以要想降低成本，必须要把这些问题解决。航空客户给我们提出这个问题来，通过最近两年的努力，我们重新研发了一款设备，目前叫AmPro SP，这款设备的效果，能够使3D打印构件成本降低80%。 我们在提供机器的同时，现在设计的是整套的系统，这个系统包括粉末的前处理，包括3D打印和粉末后处理，无论在航空也好、医疗也好，其实真正要达到一致性重复性的批量化生产，首先粉末必须是一致的，后面循环过程当中也不能带进来污染。所以我们现在研发了一整套装置，前面粉末的前处理，保证所有的粉末进到3D打印之前必须是完全一致的，而且所有的装粉的装置有一个二微码，这个二微码使得所有粉末的历史可以在计算机输入，可以永远保持它的历史，可以保持25年。后面我会讲到在粉末循环过程当中如何保证干净。 经过非常复杂的分析和设备的对比，根据我们的机器、我们的工艺，我们可以把生产构件单价成本跟EOS相比降低82%左右。这里面还有航空质量的控制技术问题，粉末从开始到最后是不见空气的。另外在3D打印当中有一些烟的问题，这个烟对我们来说就是氧化物，这个氧化物掉到粉末是污染，对寿命是有影响的。所以如何除烟我们请了专家做了大量设计和模拟，最后选择一个最佳的除烟的装置，来控制除烟的效果，达到舱内是非常干净的。当然还有工艺优化的问题，如何把3D打印参数全部集成到设备里面，使得打印完成就能达到性能要求。 零件打印完之后，尤其是大的构件要处理里面残余的粉末是非常困难的，发动机里面有很多管道，为了处理残留的粉一般来说需要两个工人，一个人提着，另外一个人用高压枪去吹，吹的满天都是粉末，这个不符合要求的。我们研制了两个辅助设备，把这个构件装到这个盒子里面，同时装了气枪，根据材料的要求可以360度旋转，把残留的粉末清除。以前清理这些大构件的时候，要三四天才能把这里面清干净，现在有了这个装置之后10分钟就可以把所有残余粉清理干净。它跟机器上配套，直接装进去就可以使用。所有粉也是在受保护的、安全的情况下进行的回收，后面就可以重复使用。 整个公司除了提供机器设备以外还提供材料，我们也帮助客户建一些生产线，包括3D打印的实验室或者粉末生产线，在医疗产品方面我们也做了医疗产品，这些产品当然跟九院比相差非常远。但是从材料来讲，我们更注重于材料能够满足国际医疗的标准。当然从航空来讲，我们不断努力跟客户合作。 目前3D打印只会向前，不会往后。这不光是一个政治性的原因，而是整个世界已经意识到3D打印的价值。在这个价值当中，我们也意识到3D打印又有自身的局限性，但是它也有非常大的优点，只是在于我们如何去开发适合3D打印的应用市场和领域，因为有的地方可能觉得3D打印不适合，不适合的就不要去强求，但是3D打印有它的特点，它一定会继续往前走，而不会倒退，所以这点是不可分辨的。真正成功的3D打印应用，我们应用到最后的时候都在于性能，这个材料构件没有性能是没有办法应用的，真正的性能都在于基础研究，一定要有基础研究，尤其是有材料研究的支撑，没有这个支撑最后只是一个形状而已。所以一定要做好材料的基础研究，不是等到后来。今天在座的大部分是搞材料的人，实际上这就是我们的本质工作。 以上是吴院士演讲全文内容，高屋建瓴。金属打印是最复杂的增材制造技术，所涉及的内容很专业也很复杂，然而真正与应用结合才能发现问题，才能找到努力的方向，相比而言我们所做的工作相差很大。希望本文能为读者带来更多启发。

与传统技术相比，3D打印的诸多优势令其备受瞩目，从过去只能做原型，到如今开始制作越来越多的功能器件，这一方面要归功于材料的发展，另一方面要归功于工艺的进步。本期文章列举当前最好的耐热3D打印材料，可供专业工程师和技术爱好者参考。从耐热塑料到耐热金属，我们来看看在工业和商业产品中广泛使用的具有耐热性能的3D打印材料。耐热3D打印塑料基于比其他3D打印材料相对较低的成本来进行原型制作和生产，塑料成为最常用的3D打印材料。由于应用前景广泛，塑料在机械性能方面的变化日趋多样性。● 耐热塑料PA12PA12采用精细聚酰胺粉末制成，与传统3D打印塑料相比具有防水性，对酒精、燃料、清洁剂、油脂等化学品具有出色的耐受性，最重要的，这种材料非常适合耐高温使用。PA12熔点在180度左右，可在95°C以下可安全使用。PA12的加工工艺以激光烧结和惠普的多射流熔融技术居多，其中HP的PA 12材料通过了美国最权威的UL安全实验所关于可燃性的认证。●铝粉复合尼龙铝粉复合尼龙是尼龙粉和铝粉的混合物，通过SLS技术打印，由于它是增强尼龙，因此具有出色的耐久性和物理性能。铝粉复合尼龙的熔点为172-180°C，软化温度为169℃，这使得它成为零件需要机械性能和耐高温性能时的最佳选择。●玻璃微珠复合尼龙玻璃微珠复合尼龙由常规尼龙粉和玻璃微珠混合制成，比标准的PA12更加耐用。该材料耐磨性能好，强度高，熔点176°C，可在高温条件或在需要特别高的热变形温度时使用。基于良好的耐热性和尺寸稳定性及热老化稳定性等方面的特点，玻璃微珠复合尼龙零件可以直接用于汽车、电动工具及手板行业。华曙高科推出的此类材料已获得广泛应用。耐热3D打印金属金属的熔沸点自然比塑料高出很多，但由于应用领域的区别，金属的耐热性仍然有所区别。●铝合金铝合金是金属3D打印的常用材料，比强度高，可用于高压部件。其最重要的特征之一是它对机械应力和高温具有很强的抵抗力，熔点在600°C左右，可用于制造耐高温的零部件和功能模型，如电机和发动机等，工作温度在200℃以下。铝合金的优异性能使其广泛用于要求苛刻的领域，如航空航天连接件、汽车制造、工程部件等。●Ti64Ti64是一种具有优异机械性能的3D打印材料，它不仅强度非常高，而且重量轻、耐氧化、抗腐蚀。Ti64熔点高达1660°C，使用温度比铝合金高几百度，可在450～500℃的温度下长期工作。钛合金优良的性能使其广泛用于高性能制造，如汽车、航空航天以及医疗行业。●镍基高温合金镍基高温合金在650～1000℃范围内的高温和高应力环境下，仍具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力。3D打印的镍基合金零件因其优良的性能，常被用于制备航空发动机中的涡轮盘、涡轮叶片等热端部件，提高了发动机的稳定性和热效率，使得航空发动机具有更大的推力；此外，该材料也可用于飞机紧固件、汽车歧管螺栓、柴油发动机排气阀等耐热零件的打印。欢迎转发留言延伸阅读：如何选择3D打印树脂材料3D打印磁性活化材料—赋予材料生命力Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构从气流和零件摆放角度探讨SLM打印表面质量一篇顶刊配四项美国专利，香港城市大学首创陶瓷4D打印长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：当前最常用的耐热3D打印材料

显微CT技术是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解零件的内部显微结构，近些年来越来越多的被用于增材制造产品的尺寸测量和孔隙分析。本文综述了该技术的几大应用，供读者参考。X射线显微CT扫描图解尽管近年来增材制造技术有了长足的发展，但是仍然存在一些产品质量问题，包括工艺或加工条件不当引起的孔隙、表面粗糙度（甚至表面缺陷）、残余应力引起的变形，以及机械性能的各向异性等。在航空航天和医疗应用领域，产品的质量把控较为严格，近年来，随着X射线显微CT技术逐渐由定性成像演变为定量分析，该技术在增材制造领域应用越来越多。孔隙和缺陷分析在金属打印中，孔隙通常分为锁眼和冶金气孔。冶金气孔的尺寸较小，通常小于100微米, 有的甚至数微米，利用CT扫描技术分析这些内部缺陷的形态和空间分布对于成形工艺优化和零件性能评价尤为重要。研究人员通过显微CT观察HIP前后的孔隙分布，发现在分辨率范围内，孔隙几乎全部消失，但是再次热处理之后，这些孔隙又重新生长，只是数量减少。这表明，HIP之后，孔隙仍然没有消除。由于显微CT分辨率的限制，在探测极小尺寸的孔隙方面还存在困难，而且也限制于分析小尺寸的零件。SLM最佳参数打印的圆柱样品CT图像：以不同的方式进行可视化和量化指标，总孔隙率4.5％显微CT最有价值的地方在于它可以无损评判关键零件是否可以服役；另外，随着高分辨CT的发展，也可用于检测不可预料的小尺寸缺陷。体密度测量阿基米德排水法操作方便、成本低，被普遍用于测量致密度。但是人为操作必定会带来误差，另外一些小孔尽管可能不足0.1%，不影响致密度的测量，但是这些小孔聚集分布在层间等其他重要位置，这可能会直接导致零件不合格。CT扫描理论上可以克服排水法的测量误差，例如零件表面的开孔，附着的气泡等影响，对体密度实现精确测量。在测量过程中将已知的标准样块与未知的样块同时测量，通过灰度对比，计算获得未知密度，测试速度快，结果准确。尺寸测量传统的尺寸测量是通过CMMs或者光学测量系统，这些技术都限于外表面。X射线显微CT技术具有很高的精度，并且可以探测到零件未知的细节，这对于具有复杂内部结构的零件的表面测量具有独特优势。通过对样品尺寸的精确测量，进而考虑材料的收缩率，对原始CAD模型进行补偿，保证增材制造零件的尺寸精度。蓝色区域小于CAD设计，红色区域大于CAD设计模拟由于CT技术可以准确测量孔隙尺寸及空间分布，这些CT数据便可以用于计算机模拟，避免了通过人工建模设计带来的误差，这样模拟的结果将更为准确。基于CT扫描的3D打印TC4试样拉伸测试模拟CT扫描由于高的细节分析能力和无损检测能力，在增材制造中的零件整体分析方面具有很大价值。除去上述应用之外，CT扫描在粉末分析、应力分析、断裂性能分析等方面也有重要应用。详细内容可扫描二维码获取论文内容。扫描获取更多内容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长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：X射线显微CT在增材制造技术中的应用

香港城市大学吕坚教授研究组近日首次实现了陶瓷的4D打印。8月17日，相关研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”为题发表在Science Advances上。这种4D打印结合了3D打印，自变形组装和弹性体衍生陶瓷在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度、机械强度、制造成本和适应复杂环境能力上实现了突破，有望广泛应用在太空探索、3C电子产品、航空发动机、防弹军事装备和高温微机电系统等领域中。本篇内容由纳米人整理。论文链接http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641研究亮点4D打印，一般是指在3D打印的基础上增加一个时间维度，使得在一定刺激（如热，水，磁场，电流，紫外线等）下，3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中，包括水凝胶，形状记忆聚合物等。 吕坚团队开发了不同系统的硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体，这些弹性体材料的特性使其可以完成从3D打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，逐步实现打印陶瓷折纸结构和4D打印陶瓷 。成果详解1. 3D打印陶瓷在此次研究中，他们先实现了3D打印陶瓷。他们采用墨水直写打印（Directink writing）这种成本较为低廉的打印方式，用二氧化锆（ZrO2）纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷（poly(dimethylsiloxane) ，PDMS）复合材料作为墨水，构建弹性体3D结构，然后在氩气或真空中进行热处理，得到一级陶瓷，然后在空气中进行热处理，进而得到二级陶瓷。开发这两级陶瓷可以丰富材料的外观，譬如这里一级陶瓷是黑色的，而二级陶瓷是白色的。3D打印出的陶瓷前驱体不仅是软的，而且具有弹性，可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度，这为4D打印提供了自变形组装的可能。 最终打印得到的多级结构陶瓷是非晶-结晶双相SiOC基质纳米复合材料，有的系统还会得到孔径小于10nm的超纳孔。2. 打印陶瓷折纸结构然后他们实现了陶瓷折纸结构。3D打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形，经过热处理弹性体转化为陶瓷，然后金属丝可以被硝酸销蚀掉，最后只剩下陶瓷结构。通过例如弯曲、扭转和拉伸等一些基本负载模式，证明了打印弹性体的柔性和可拉伸性，为复杂折纸变形提供了可能。线状比例尺均为1厘米他们3D打印出有周期性三角形纹路填充的长方体预应变前驱体，构建了复杂陶瓷折纸结构，包括蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、和裙子。3D打印的弹性体经历形状转变, 并且被金属丝约束。弹性体中的周期性三角形纹路增强了整体结构的可折叠性，并且保证了金属丝约束的可编程性。根据高斯绝妙定理，高斯曲率在局部等距变换下不变。弹性体的可拉伸性使得可以改变其表面上点与点之前的距离，也就提供了机会可以构建具有混合的高斯曲率的复杂结构，譬如类似圆柱面和圆锥面的零高斯曲率，类似球面和环面的外表面的正高斯曲率，类似环面的马鞍形内表面的负高斯曲率等不同K值的面可以混合出现在同一个结构中。在打印陶瓷折纸结构的基础上，他们开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。3. 4D打印陶瓷：方法一在方法一中，他们设计制造了可编程自动双轴拉伸装置，将3D打印的基底在两个方向进行预拉伸，拉伸的速度由电机编程控制。在拉伸状态下的基底上打印设计好的连接点，用于连接基底和其上的3D打印得到的主结构。等连接点固化后，在电机控制下释放基底中的预应力，主结构就会发生屈曲变形，与基底一起形成4D打印的弹性体结构，热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。以经典的拓扑结构三浦折叠为例，在可编程自动双轴拉伸装置的辅助下，三浦折叠“生长”了出来，实验结果也与有限元仿真相吻合。基于其周期性和对称性，三浦折叠也可以作为基本结构单元来构建更加复杂的结构。4D打印陶瓷：方法二在方法二中，陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，然后预应力被释放时，就会发生4D变形。他们以几个有代表性的拓扑结构作为例子，其中包括弯曲，螺旋，和马鞍面。陶瓷前驱体上的变形，可以通过在其表面所打印的纹路参数来编程设计，譬如纹路的疏密程度，与拉伸方向的夹角等。4D打印陶瓷优点一：当需要制造一系列相似形状的陶瓷时，这种4D打印的概念就会体现出时间上的高效。因为只需要一个相对简单的图纸设计，就可以衍生出一系列的形状上相似且连续可变的结构，而传统的3D打印只能一个图纸设计对应一个结构。这个优点所带来的在时间成本上的突破，将会在定制设计上体现得尤其明显。4D打印陶瓷优点二：此次研究提出了“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷的概念，并举了两种自变形方法作为例子。这种概念可以有更广泛的变体和应用，譬如引入形状记忆变形等。这种4D打印方法上的多样性，可以为设计制造用其他方法很难实现的复杂陶瓷结构提供巨大的自由度。以电子设备行业为例，因为陶瓷材料在电磁信号传输上的优异性能，5G时代的到来将会对陶瓷产品的发展提出更高的要求。另外，相较于金属，陶瓷材料颜值高，质感佳，密度低，而且还有不易变形，耐磨防刮，耐化学腐蚀等优点。但是，陶瓷材料熔点极高，较难加工成型，所以目前陶瓷产品的应用受到了技术和成本上的极大限制。下图是他们打印的陶瓷手机背板，左边是平面板结构，右边是曲面板结构，小图里是平面板结构的另一个表面。相较于传统的陶瓷成型工艺（譬如注塑成型等），他们的技术较易实现个性化定制，尤其在制造类似曲面板这样的陶瓷结构上，而且可以实现超复杂精细结构，成本低强度高，有望应用在包括陶瓷手机背板和中框，陶瓷手表的表壳表圈表链等3C产业中。4D打印陶瓷优点三：作为陶瓷前驱体的弹性体具有强变形能力，可以提高结构材料适应复杂应用环境的能力，譬如太空探索。3D打印的前驱体可以在地面被折叠以节省空间，然后到太空后展开为需要的结构。前驱体转化为陶瓷后，这些4D打印的陶瓷结构可以被用来做耐热结构。4D打印陶瓷优点四：此方法得到的陶瓷结构具有很高的比强度，并且可以兼具高强度和大尺度。下图显示了抗压强度-密度的Ashby Chart，此次研究中的SiOC基质纳米复合材料的晶格和蜂窝结构（红色星号标记），与其他参考文献中报道的结果和市售的SiC、AlSiO泡沫的性能作了比较。此次研究中的打印陶瓷晶格结构的抗压强度可以达到547 MPa（密度约为1.6 g cm-3），其比强度约为传统SiOC泡沫的19倍。下图显示了他们的结果（红色星号标记）攻克了打印陶瓷结构强度与尺度不可兼得的普遍难题。相较于3D激光光刻得到的纳米结构，此次研究中兼具大尺度和高强度的陶瓷材料将有较大机会应用在实验室之外的机械系统中。这些轻质高强多级尺度的陶瓷结构也有相当潜力用于制造机械超材料中。参考文献：1. Eckel,Z.C. et al. Science 351, 58-62(2016)2. Zanchetta,E. et al. Adv. Mater. 28, 370-376(2015)3. Meza,L.R. et al. Science 345, 1322-1326(2014)4. Bauer,J. et al. PNAS 111, 2453-2458 (2014)5. Bauer,J. et al. Nat. Mater. 15, 438-443(2016)6. Colombo,P. et al. J. Am. Ceram. Soc. 84,2245-2251 (2001)4D打印陶瓷优点五：相较于陶瓷增材制造的其他方法，此次研究中开发的“墨水直写陶瓷前驱体+热处理陶瓷化”工艺成本相对低廉，因为这种方法不需要3D光刻法所要求的相对昂贵的激光或者紫外光能源，也不需要一般陶瓷粉末烧结所要求的超高温度（对于SiC和Si3N4，一般粉末烧结温度要超过1600oC，而此工作中热处理1000 oC即可陶瓷化）。结语在此次研究中提出的“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷概念里，用于陶瓷前驱体的硅胶基质纳米复合材料可以进一步推广到其他两相或多相材料系统中，这种方法开辟了做复杂形状的高温合金和陶瓷等高温难熔材料的一个新工艺，有望用在航空发动机上。3D打印方式也可以根据材料特性推广到墨水直写以外的打印技术中，变形过程可以推广到形状记忆变形，多材料打印的热膨胀变形等方式中，热处理工艺上也有相当的优化和拓展空间。总之，这个工作在研发复杂形状的轻质高强、大尺度的结构陶瓷上取得了一定突破，其在高温材料相关领域的广泛应用值得期待。此项研究获国家自然科学基金委员会重大项目、香港大学教育资助会的协作研究金和主题研究计划、香港创新科技署（通过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心）、广东省科学技术厅、和深圳市科技创新委员会等单位的支持。吕坚教授简介吕坚教授现任香港城市大学（研究及科技）副校长及研究生院院长，机械工程学院讲座教授，先进结构材料研究中心主任，香港工程科学院院士，法国国家技术科学院士。2006年及2017年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”，2018年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟，生物与仿生材料力学，航空航天材料与结构预应力工程，3D打印先进材料与产品集成设计等。本文相关成果：1. Guo LIU, Yan ZHAO, Ge WU,Jian LU, Origami and 4D printing of…

本文偏学术流基于逐层堆积的3D打印技术的出现，充分地释放了设计约束和制造柔性，几乎可以成形任何形状的零件。然而与传统制造技术相比，3D打印零件的表面质量稍差，如此会影响零件的强度、耐磨性和抗蚀性，还会影响其配合性质和工作精度。车、铣、刨、磨等传统机加工的粗糙度Ra<2.5μm, 而SLM成形件的Ra通常超过10μm，制约SLM技术的广泛使用，工程师通常会通过工艺优化提升表面质量，然而，气流方向和零件摆放方位也会影响成型件的表面质量。AM400内部结构本文研究人员采用如图Case1所示的扫描方式进行SLM样块加工，发现所加工的样块的表面质量均存在如下特点：后侧面大于前侧面，左侧面大于右侧面。经过初步的分析，这个可能与扫描方式有关，或许与铺粉方向和气流方向也有关，为了进一步验证，研究人员继续进行了Case 2和Case 3的实验。实验中。。。扫描方向对表面粗糙度的影响结论依然是后面粗糙度大于前面，左面大于右面，当然这个差值有所减少，这是扫描方式的影响，此处不具体展开。气流方向的影响实验采用的设备为雷尼绍AM 400，气流从成形腔的右出口进入左入口，形成气流回路，通过监测SLM成形过程发现，在气流的作用下，大量的飞溅落在样块左侧与粉末接触的区域（落在已凝固的样块表面，飞溅也会被吹到这个位置），这些飞溅的颗粒在下一层加工初始，会被半熔化，粘附在零件的左侧面，大大的提高表面粗糙度。如果飞溅落在零件成形区域，还会影响到零件的性能。气流方向对表面粗糙度的影响零件摆放方向的影响雷尼绍AM 400的铺粉方向是从后向前，在铺粉过程中，粉末会被刮刀压实，零件后方的粉末致密性较高。当激光加工下一层时，熔化该位置时，更多的粉末被吸收进熔池，熔池尺寸较大，变得不稳定，另外熔池会渗进粉末，粉末未及时熔化，而快速冷却后导致表面粗糙度的增加。 AM400打印过程结论: 基于以上两条因素，在进行零件打印时须根据零件的特点选择合适的摆放方位。对于具有复杂表面的零件，这些面的摆放应避免位于左侧和后侧；具有较大平面，便于机械加工的零件，可以作为后侧面或者左侧面。联系作者并获取原文「 更 多 精 彩 点 击 下 方 图 片 即 可 查 看 」长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：从气流和零件摆放角度探讨SLM打印表面质量