4月24日是中国航天日，在本月央视CCTV 9播出的一档记录节目——《下一站，火星》中，节目在人类探索外太空历史的大视野下，以"天问一号”的飞行历程为线索，梳理出中国首次火星探测任务的缘起、研制历程及目标，涉及多个重要器件的研制过程。根据此前中国航天科技集团官方的消息，航天五院开发的3D打印自支撑晶格结构在天问一号探测器及祝融号火星车上成功应用；航天科技集团六院则将3D打印技术用于7500N变推力发动机最终相关零件的制造。除此之外，业内知名的服务商也曾对外公布参与了“天问一号”研制。3D打印技术参考发现，央视纪录片中特别报道了7500N变推力发动机的研制过程，这是我们第一次以记录的形式“窥见”它的神秘色彩。本文介绍的重点也在于此，这也是中国航天日特别报道的第一篇。 火星着陆的七八分钟，要经历高速进入火星、大气高温灼烧、超音速开伞、悬停避障等等一系列复杂动作。为了保证着陆安全，中国各地的航天工程师齐心合力，协同共建。其中西安的团队（航天六院）负责着陆器的刹车装置——变推力发动机。当天问一号下降到距离火星100km的高度，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。 7500N变推力发动机开机，动力减速、悬停避障和缓速下降 这种发动机在探月工程中曾多次使用，嫦娥三号、四号、五号落月的最后阶段，都是靠这种发动机反推实现减速和悬停的。但仅仅几年过去，发动机的样子已经完全不同。探月工程使用的变推力发动机高达1.4米，但火星着陆器布局受限，给变推力发动机留的空间只有半米多，必须缩小身形，但技术指标却不能降低。虽然基本原理一样，但改进工作与研制一台新的发动机几乎没有区别。从总装布局到系统参数都要大幅改变，从理论验证到反复试车，每一个流程都必不可少。探月的发动机研制了八年，而天问一号的这个发动机包括验证到交付使用了仅四年。 探月工程和天问一号7500N变推力发动机对比 探月工程和天问一号7500N变推力发动机对比 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。 天问一号着陆巡视器成功着陆 在3D打印技术参考最新的航空航天案例介绍中，NASA和Aerojet Rocketdyne的研究人员明确表示，与过去制造零件的方式相比，3D打印能够增加可负担性、缩短交货时间并大大提高系统性能。实际上，这项价值几乎被所有的航空航天制造商所认可。《下一站，火星》栏目在对7500N发动机的介绍中上不可能提及一项制造技术，但研制人员却明确标表示，与过去探月工程的发动机相比，研制时间足足缩短了4年，这无不让我们遐想是否有更多器件使用了3D打印，即使并未用来制造最终零件，但是否有可能用来进行原型制造，来加快设计迭代呢？ 天问一号火星探测器标注图（来自微博网友WLR2678） 在3D打印技术参考对中国民营航天的代表——深蓝航天和星河动力的专访中，双方都将3D打印技术应用到了相关产品的研发和制造中。深蓝航天雷霆-5液氧煤油发动机从方案设计到整机试车仅仅用时8个月，3D打印技术的应用加速了设计-制造-设计的迭代；星河动力则在“边界”系列轨姿控动力系统设计之初就将3D打印方案纳入考虑，3D打印使产品实现了轻量化、个性化、一体化、复杂化的总体性能提升。 更短的研制时间，更小的体积和重量，维持不变的性能和推力，天问一号的7500N变推力发动机在研制过程中是否更多的使用过3D打印技术，势必要等待以后解密。目前已公开的相关研究中，其推进剂贮箱采用了7055高强铝合金通过搅拌摩擦焊工艺制造，该工艺近些年来也被发展成了一种增材制造技术。 终归，在天问一号的研制过程中，金属3D打印技术确实发挥过重要作用。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.美军工商将3D打印用于最新高超声速武器和新型太空发动机关键部件制造 3.专访 | 3D打印技术如何助力深蓝航天快速成功实现火箭垂直回收 4.专访 |中国民营航天星河动力将3D打印技术用于火箭发动机制造

现代乘用车的汽油和柴油发动机采用全铝设计，成本和重量优化使用最新的传统生产技术。近年来，这些发动机的重量功率比呈渐进式增长，3缸和4缸发动机的质量功率比约为1.1kg/kw，反映了发动机在给定的生产边界条件下，材料特性、载荷分布和结构使用之间的平衡。这同时意味着，用常规生产技术进一步显著减轻重量是不可能的。 为进一步研究在新技术业态下发动机继续减重的潜力，德国联邦经济事务和能源部发起了一项名为LeiMot(轻型发动机)的研究项目，吸引了多家汽车工业重量级公司的参与，如FEV欧洲有限公司、大众汽车、亚琛工业大学以及弗劳恩霍夫的相关研究机构。项目旨在通过金属3D打印以及新型金属材料为发动机关键零部件减重。2020年8月，该项目现已进入了最终的发动机原型机阶段，通过使用纤维复合材料以及3D打印技术制成的部件替代传统的金属零部件，有望将最新一代内燃机重量减少30%。 采用金属3D打印的LeiMot发动机 采用金属3D打印开发的LeiMot发动机 因较高的机械负载能力，大众公司EA288Evo系列的2.0L涡轮增压直喷柴油发动机被设定为优化对象，并特别选中了汽缸盖和曲轴箱两个部件。这两部分均采用选择性激光熔融工艺制造，而不是像过去那样采用压铸铝。3D打印的高设计自由度不仅被用于减轻重量，还用于改善发动机性能。在LeiMot发动机概念的开发过程中，零部件的设计边界一直遵守3D打印的整个流程，包括支撑结构、打印方向和后处理。 研究人员首先对气缸盖和曲轴箱进行了功能分解。通过该方式，研究人员可以分析每个功能，并可以根据给定的边界条件进行设计优化。此外，研究人员需要确保LeiMot气缸盖能与大众曲轴箱实现相互兼容。同时，研究人员必须保留参考发动机的重要接口和组件，尤其是曲柄连杆机构、配气机构及换气组件。 优化汽缸盖——实现传统工艺无法实现的结构设计研究人员通过专门的设计方法，使厚度不大于２mm的材料实现了冷却、润滑及换气等功能，晶格结构的厚度明显小于２mm。与传统的铸造工艺相比，该方法可以根据负荷的不同而采用多种壁厚参数，且不会存在与传统制造相关的结构弱点。对于汽缸盖而言，工程师们需要对某些受到较高机械应力的区域进行加固，因为燃烧过程主要产生弯曲载荷，而整个发动机则要承受扭转载荷。减重与刚度的最佳比例是工字梁和集成封闭控制台的组合。最终，采用选择性激光熔融3D打印技术制造的结构优化AlSi10Mg汽缸盖重量减轻了2.3公斤，比原来的部件减重22%。 LeiMot气缸盖结构设计方案 带有晶格结构的排气道 3D打印技术的设计自由度有利于研究人员直接将各种结构集成到生产过程中。研究人员有针对性地对具有气隙和较少导热横截面的绝缘晶格元件进行了设计，从而优化了排气道的隔热效果，并可减少进入气缸盖冷却液的排气热量。在额定功率条件下，该隔热系统可使流入气缸盖的热流量减少5％。这可以缩短排气后处理系统的预热时间，并提高涡轮入口温度。 重塑曲轴箱——材料和结构要匹配性能 曲轴箱同样采用AlSi10Mg进行3D打印制造。考虑到曲轴箱的重量和刚度，决定采用铝制底座的短裙设计。通过减小轴承座的主轴承摩擦直径，可以用铝板底座替换钢制轴承盖。经过重新设计的曲轴箱（包括底座），与原始组件相比，重量减轻了5.1公斤。研究人员通过采用拓扑方法，对组件的主要流动路径进行了优化分析，并为隔板外部等低应力区域设计出了空腔和晶格结构。 对于接近极限的轻型设计方案而言，研究人员在设计过程中对材料特性进行了深入了解。由于该款材料有着特殊的微观结构，通过3D打印技术生产的部件的机械性能与通过传统铸造工艺制成的部件的机械性能之间，存在着显著差异。因此，研究人员通过样本研究了3D打印铝合金在不同温度下的多项机械性能，并将结果用于计算。 LeiMot曲轴箱 LeiMot水套 为进一步改善曲轴箱的冷却性能并使气缸温度实现均匀分布，研究人员在缸套间采用了宽2ｍｍ、高3ｍｍ的椭圆形冷却通道，以此对内孔进行冷却。此外，水套内部为经过充分优化的晶格结构。该结构扩大了传热面积，改善了冷却液流动过程，并提高了气缸刚度。改善后的缸套冷却系统可使缸套变形更为均匀，并能相应改善摩擦和漏气现象。 除此之外，通过采用3D打印技术，研究人员设计出了无明显偏转现象的新型油道方案。气缸盖和曲轴箱中的油道（直径范围为3-8mm）可实现直接打印。弯曲的通道和平缓变化的横截面会使气缸盖和曲轴箱内部管道系统的压力损失降低约22％。 END 归功于增材制造方法，该项目开发的概念发动机最终将配备最少数量的组件，通过极少的组件和高功能集成来最小化材料使用，最终基准柴油动力乘用车的主要部件减轻了约21％的重量，同时也提高了动力总成效率、运行性能、热管理能力，并且改善汽车噪声、振动和舒适性。 LeiMot研究项目有力证明了新制造工艺的设计可行性。此外，该项目还有助于研究人员探索用于内燃机开发的新方法。2021年，FEV公司将制造出5个LeiMot产品原型，并通过机械和热力学试验对其进行检验。 在中短期内，大批量通过3D打印技术生产的组件依然很难与大众市场的传统制造工艺进行竞争。在飞机部件制造等小批量生产过程中，3D打印技术已成功应用于小型部件中。未来，研究人员还可以采用混合解决方案，将3D打印技术与传统制造工艺结合在一起，从而进一步提升制造品质。 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Q2群：838951316；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 3.因零件整合，3D打印为一体化制造带来的60余项改变 4.更轻、更坚固、更紧凑，SLM Solutions为保时捷3D打印大尺寸电驱动器外壳

铝合金常被用于航空航天承力部件，其高温力学性能对于飞行器的飞行安全至关重要。基于粉末床的激光增材制造铝合金已经在该领域实现了很多重要应用，因此，亟须建立LPBF成形铝合金组织与高温力学性能之间的映射关系，进一步探索合金组织-高温性能一体化调控机理，对提升其在航空航天等领域的服役安全性和稳定性至关重要。 围绕如何提升激光增材制造AlSi10Mg成形件的室温/高温力学性能，南京航空航天大学顾冬冬教授团队与成都飞机工业（集团）有限责任公司，研究了成形方向对LPBF成形AlSi10Mg合金冶金缺陷、显微组织、室温/高温力学性能、疲劳性能的影响规律，揭示了LPBF成形AlSi10Mg合金疲劳裂纹的扩展机理，为提升LPBF成形AlSi10Mg的综合服役性能提供理论指导。相关研究在《中国激光》学术期刊刊登，并以封面文章发表。 封面解读 封面呈现了激光粉末床熔融一体化成形铝合金复杂构件及铝合金标准疲劳试样的过程。激光粉末床熔融技术为高性能复杂铝合金构件的短周期、净成形制造提供了新的技术途径。 研究团队通过激光粉末床熔融技术制备AlSi10Mg构件，研究了基于成形方向调控的铝合金组织演变对室温/高温静力学性能影响，探究了激光增材制造AlSi10Mg构件的疲劳等动力学性能，实现了铝合金构件的材料—组织—性能一体化激光高性能制造。成形方向采用水平成形方式（拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向）和垂直成形方式（载荷垂直于试样铺粉方向）[图1(b)]。LPBF成形AlSi10Mg疲劳试样如图1(c) 、(d)所示。图1（a）LPBF成形过程；（b）垂直、平行与铺粉方向的成形试样示意图；（c）LPBF成形AlSi10Mg柱状试样；（d）标准疲劳试样图2 不同方向成形试样高温拉伸性能柱状图。（a）100 ℃；（b）125 ℃；（c）150 ℃；（d）175 ℃图3 垂直方式成形试样疲劳性能。（a）光滑试样的疲劳S-N曲线（R = 0.1、Nf = 107）；（b）疲劳裂纹扩展速率da/dN随应力强度因子范围∆K关系曲线  主要结论 1)垂直方式成形试样的截面显示了不同方向的熔池形态，熔池主要呈椭球形和半圆柱形，熔池宽度约为100μm水平方式成形试样截面的显微组织显示，沿成形方向的熔池呈典型的鱼鳞形态，熔池深度为30~80μm。不同方向成形柱状试样截面上的熔池边界较为清晰，但显微组织差异较大:垂直方式成形柱状试样的截面呈半圆柱形熔池形貌，而水平方式成形柱状试样的截面呈层状结构。这归因于LPBF工艺逐层累积、熔池逐层熔凝的特性。 2)垂直方式成形试样的压缩强度低于水平方式成形试样。在压缩过程中，垂直方式成形试样的裂纹扩展路径比较简单，而水平方式成形试样的裂纹扩展路径较为复杂，因而后者具有更高的压缩强度。温度和成形方向均会影响LPBF成形AlSi10Mg合金的拉伸性能:随着温度升高，所有试样的强度都呈现递减的趋势，而延伸率则逐渐升高；水平方式成形试样的强度均高于垂直方式成形试样。由于LPBF铝合金熔池边界的粗晶特征，熔池与层间结合成为影响材料拉伸性能的最主要因素。在拉伸试验过程中，拉伸载荷的方向与垂直试样层间位置垂直，熔池边界粗晶区的裂纹在应力影响下更易形核扩展；而水平方式成形试样的拉伸载荷平行于层间位置，粗晶区对裂纹扩展的影响较小，故水平方式成形试样具有更高的拉伸性能。 3)LPBF垂直方式成形AlSi10Mg合金试样的疲劳强度为151.25MPa；经历107次循环后，合金的疲劳强度有较大损失，强度下降原因是疲劳性能对孔洞等缺陷比较敏感。LPBF成形AlSi10Mg合金的疲劳寿命为2.1×105周次，疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth为0.981MPa·m1/2。 总结 研究采用激光粉末床熔融高精度增材制造技术，探究了不同成形方向对AlSi10Mg合金室温/高温静力学性能的影响，系统探究了激光增材制造AlSi10Mg构件疲劳性能，揭示了基于成形方向调控的铝合金组织演变对力学性能影响机制，优化了激光粉末床熔融成形AlSi10Mg疲劳性能，实现了铝合金材料—组织—性能一体化高性能制造，为激光增材制造铝合金在航空航天等领域的应用提供了科学基础和理论指导。 ✦ 课题组介绍 ✦ 南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室于2017年由江苏省发改委批准成立，由顾冬冬教授担任实验室主任。团队主要从事激光增材制造材料设计制备、装备研发、软件集成、智能工艺、性能调控及应用验证等方面研究。 团队近五年在工程、制造、材料、应用物理等领域国际期刊上发表SCI论文100余篇，JCR一区期刊论文70篇，9篇入选ESI高被引论文。由德国Springer出版英文专著1部，申请/授权国家发明专利40余项、PCT国际专利4项。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、装备预研共用技术重点项目等国家及省部级项目30余项。 ✦ 通讯作者简介 ✦ 顾冬冬，南京航空航天大学教授、博士生导师，基础科研与人文社科处处长，《中国激光》副主编。国家“万人计划”科技创新领军人才，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，国家“万人计划”青年拔尖人才，国家自然科学基金优秀青年科学基金入选者，德国Fraunhofer激光技术研究所洪堡学者。以第一作者/通讯作者在《Science》发表论文：“Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”（Science 2021, 372, eabg1487）。以第一完成人获江苏省科学技术奖一等奖、教育部自然科学奖二等奖、空军“创新杯”科技创新大赛优胜奖、德国Fraunhofer–Bessel研究奖、英国物理学会高被引中国作者奖、爱思唯尔“中国高被引学者”。注：本文内容受《中国激光》授权。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.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 3.最新：体积3D打印再次登上《Science》封面 4.突破：NASA开发出一种新型超高性能3D打印合金，耐温1093℃

近日，3D打印技术参考获悉，知名骨科企业北京科仪邦恩医疗器械科技有限公司研发的国内首个基于激光选区熔融工艺（SLM）的3D打印关节植入物“Apex 3D 髋关节假体”，通过国家药品监督管理局（NMPA）的审批注册，获准上市！标志着激光选区熔融3D打印工艺在国内正式应用到关节置换领域！ “Apex 3D髋关节假体”采用 Ti-FOAM 3D打印骨小梁结构，经过前瞻性、多中心、随机对照临床试验后，结果表明其安全性、有效性表现优异，其对照结果优势显著。“Apex 3D 髋关节假体”在研发和制造过程中，充分将临床应用和其工艺特点相结合，最大程度发挥出激光选区熔融工艺（SLM）的高精度打印优势，其最小丝径可达到 300μm，孔隙率可达 80%，更能呈现类松质骨结构，相比传统工艺制造的微孔涂层假体能提供更好的骨长入效果及固定强度。 “Apex 3D 髋关节假体”在国内的批准上市，可为髋关节假体初次置换、翻修、个性化定制等提供更具优势的临床解决方案，同时其类松质骨的三维结构针对复杂关节置换，例如翻修手术患者以及DDH的病人提供了优异的骨整合效果，保证了最佳的骨长入，降低了手术失败风险，大大提高假体的生存率，给患者带来更多福祉！ 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.3D打印PEEK植入物迎来重要发展：国家药监局发布注册审查指导原则 3.视频：国家增材中心《大讲堂》——生物金属的3D打印及医疗应用 4.迈向关节3D打印的未来：Nature发布戴尅戎院士团队生物3D打印项目专访

目前国内外激光烧结3D打印技术主要用于成形较低熔点的热塑性聚合物材料。PA12及其复合材料(熔点在180℃左右)目前仍是SLS技术用的最多、也是最成功的成形材料，占SLS商品化材料的90％以上。能够进行PEEK激光烧结的3D打印机，在很长一段时间内几乎只有EOS可以做到。 聚醚醚酮（PEEK）作为一种特种工程塑料，具有质轻、力学性能优异、生物相容性和影像学低干扰等众多优点，在航空航天、医疗等领域有重要应用。尤其在医疗领域，相比于钛合金植入物，PEEK的生物力学性能更加接近人体骨骼，可有效缓解应力屏蔽效应，有利于内植入物与骨组织之间的骨整合, 保证了PEEK内植入物的长期稳定性。 3D打印相比传统技术更容易制造形状无规则零件，能够满足个性化的手术需求。华中科技大学史玉升教授团队在国家重点研发项目“面向增材制造的模型处理以及工艺规划软件系统”、“高性能复杂聚合物零部件增材制造技术的研发与应用”以及湖北省技术创新专项重大项目“高性能特种聚合物的增材制造技术与装备研发”支持下，研发出了针对PEEK材料的高温粉末床激光烧结（HT-LPBF）增材制造成套技术；同时还与协和医院杨操教授团队共同承担国家重点研发计划项目“高性能聚合物材料个性化仿生内植入物增材制造技术及临床应用研究”，实现了复杂结构PEEK骨植入物的快速个性化定制及临床应用。 相关研究成果 在装备研发方面：团队于2018年研制成功预热温度达400℃的独立控温第一代HT-LPBF装备，型号为HK PK125，台面125mm×125mm。2021年研制成功第二代HT-LPBF装备HK PK350，台面350mm×350mm。设计了具备独立空间的送粉腔体和成形腔体，实现了送粉和成形两个关键操作的独立预热与温度场均匀性控制，装备最高预热温度可覆盖PEEK等绝大多数高性能特种工程塑料。 （a）第一代HT-LPBF装备HK PK125，（b）第二代HT-LPBF装备HK PK350，（c）PEEK粉末材料，（d）PEEK材料成形过程 在材料制备方面：提出了高温红外辐射制备方法，制备了适用于HT-LPBF工艺的PEEK粉末材料，可同时满足粉末高温流动性、烧结窗口与堆积密度等关键指标的要求。制备的粉末整体形貌均一，堆积密度达0.37±0.01 g/cm3，烧结窗口达27.26℃。此外，揭示了PEEK粉末材料的老化机理。粉末老化使晶体结构更加有序，晶格体积减小，烧结窗口变宽。老化后分子链并未发生断裂，但大分子已交联形成联苯结构，降低了粉末的结晶度。 在成形机理方面：揭示了HT-LPBF周期性过程中涉及的动态非等温和准静态等温动力学结晶过程，及其对PEEK制件力学性能的影响规律。等温结晶较非等温结晶的HT-LPBF制件强度更高。 PEEK在HT-LPBF成形过程的结晶动力学过程与特征晶体结构 在临床应用方面：以华中科技大学附属协和医院杨操教授团队为依托，在国家重点研发计划项目的支持下，开展临床应用研究。将高性能PEEK植入物进行生物安全性检测（体内细胞毒性、致敏性、内植入物局部反应性、急性毒性、亚慢毒性、遗传毒性和致癌性），所有测试项目均已完成并通过生物安全性测试。临床试验严格按照人类伦理道德原则，遵守相关医学研究伦理准则，对拟展开的植入手术进行病人招募，对受试者进行常规的术前检查和综合评估。截止目前，已实现椎间融合器临床应用11例，并在术后定期跟踪随访，功能评估，病人各项指标正常，术后恢复良好。 （a）多孔点阵椎间融合器，（b）螺纹中空椎间融合器，（c）临床植入情况，（d）术后X线结果 成果主要完成人 史玉升，华中科技大学教授，曾获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、中国十大科技进展1项、中国智能制造十大科技进展1项、省部一等奖8项，省部二等奖6项，领导的团队入选湖北省和教育部创新团队。闫春泽，华中科技大学教授，长江学者特聘教授、材料成形与模具技术国家重点实验室副主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任，发表SCI论文130余篇，研究成果获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、中国专利优秀奖、日内瓦专利金奖、湖北省专利金奖各1项。杨操，华中科技大学同济医学院附属协和医院脊柱骨科主任，二级教授，主任医师，国家重点研发计划首席科学家，教育部新世纪优秀人才。现任中国医师协会骨科医师分会委员，中华医学会骨科分会脊柱外科学组委员。长期从事脊柱相关疾病和再生修复的基础研究，发表论文100余篇，授权发明专利30余项。文世峰，华中科技大学副教授，武汉华科三维科技有限公司技术总监。在LPBF装备国产化、大型化等方面做出了开创性研究，成功开发出动态聚焦方式大工作范围激光扫描系统和LPBF装备预热温控系统。发表论文40余篇，研究成果获国家技术发明二等奖、机械工业科学技术一等奖。陈鹏，华中科技大学博士后，主持国家自然科学基金、中国博士后基金等项目，以第一作者发表论文7篇，授权发明专利10余项，主要研究方向为PEEK材料激光粉末床熔融增材制造，及其在生物医疗和航空航天领域的应用。苏瑾，华中科技大学博士，主持华中科技大学研究生创新基金1项，2项国家重点研发计划骨干成员。发表学术论文10篇，授权发明专利5项，主要研究方向为生物增材制造技术与临床应用。注：本文内容由研究团队提供。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：838951316；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.3D打印PEEK植入物迎来重要发展：国家药监局发布注册审查指导原则 3.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 4.视频：国家增材中心《大讲堂》——生物金属的3D打印及医疗应用

4月14日，《Science》以封面文章发表采用轴向光刻3D打印石英玻璃的研究，这是体积3D打印技术至少第二次发表在该期刊，此前还有研究发表于《Nature》。 源于从微光学器件到用于化学合成和生物分析的微流体系统对玻璃的尺寸、几何形状、表面粗糙度和机械强度要求的发展，传统的加工方法受到挑战。来自美国加州大学伯克利分校、劳伦斯利弗莫尔国家实验室以及德国弗莱堡大学的研究人员，研究了石英玻璃的微尺度计算轴向光刻3D打印技术，也即通常被称之为的体积3D打印。 基于全息曝光、正交叠加、层析照相以及后烧结，研究人员制造了内径150μm的三维微流体、表面粗糙度仅6nm的复杂形状微光学元件，以及最小特征尺寸为50μm的复杂高强度桁架和晶格结构。作为一种高速、无层纹数字光制造工艺，轴向光刻3D打印可加工具有高固含量和高几何自由度的纳米复合材料，从而为新的设备制造提供空间。 轴向光刻3D打印石英玻璃的原理 计算轴向光刻的断层摄影技术通过时间复用曝光迭代优化光投影的方位角叠加来聚合3D结构，能够处理玻璃纳米复合材料。在打印过程中，前体材料和制造物体之间不会发生相对运动，因此可以轻松使用高粘度和触变性的纳米复合材料前体。该工艺的无层纹制造特点可实现光滑的表面和复杂的几何形状。因为在打印过程中制造的物体被前体材料包围，不需要牺牲固体支撑结构。这些属性对于3D打印微光学和微流体器件来说是理想的。 采用轴向光刻3D打印技术制造的微型玻璃结构 该研究中，使用的高透明度光固化微立体光刻纳米复合材料由液体单体光固化粘结剂基质和35vol%的固体无定形SiO2纳米颗粒组成。粘结剂通过自由基聚合，并将纳米颗粒支撑固定在打印结构中。对于打印获得的石英玻璃生坯需要进行脱脂和烧结。脱脂处理烧掉了聚合物粘结剂基体，产生了多孔的SiO2。在烧结过程中，纳米颗粒熔合在一起，形成致密的透明玻璃部分，并产生26%的各向同性线性收缩。 END 消费电子和生物医学成像领域对更紧凑、更轻便和高质量相机的需求推动了先进毫米级光学系统的发展。轴向光刻3D打印为特定应用设计的自由形式折射微透镜消除了其他3D打印工艺的层纹影响，而且该研究所制造的熔融石英玻璃具有出色的几何自由度、低表面粗糙度以及高断裂强度和光学透明度，将推动该领域相关器件的发展。 体积3D打印通过多光束在透明树脂液体中快速创建零件。相比传统的DLP和SLA技术，多光束3D打印可以达到更高的吞吐量（>105mm3/h），同时可以打印更加粘稠的材料。区别于传统的Z轴层叠3D打印，体积3D打印基于断层摄影曝光的技术在制造生物器官方面也具有相当大的优势。综合近年来的研究，无一不是前沿、突破性的发展，相信该技术在未来将创造更多的可能。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.今日Nature：体积3D打印再获突破，超高分辨物体仅需几秒 3.亚马逊最受欢迎品牌之一！详解纵维立方两大最新3D打印技术 4.4D生物打印是噱头吗？看4D Biomaterials创新材料4Degra的应用

3月，纵维立方春季新品发布会赚足了全球3D打印用户的目光，其正式发布了搭载新一代的矩阵光源系统“Anycubic LighTurbo”的Anycubic Photon M3系列光固化3D打印机和搭载“Anycubic LeviQ”自动调平技术的Anycubic Kobra系列FDM 3D打印机。这两大最新技术方案都有着哪些技术亮点和优势，又会给3D打印行业带来哪些改变？本期，3D打印技术参考进行详细讲解！ Anycubic LighTurbo矩阵光源系统据了解，如今市面上绝大多数3D打印机采用的都是矩阵光源，相邻的四颗灯珠之间存在着交叉处光强不稳定、光源分散不均等问题，使得打印模型容易出现局部打印精度高的区域误差。为解决这一痛点，纵维立方历经多次实验和研究，最终推出了在技术、光均、垂直度都有着大突破的新一代的Anycubic LighTurbo矩阵光源系统。 发布会介绍，Anycubic LighTurbo光源系统已拥有20多项专利技术，其通过专业的光学结构设计使UV灯和透镜间隔距突破至32-40mm（行业水平为16-28mm），大幅减少透镜支架对辐射光能量的损耗，从而将整体UV光源利用率提升10%以上。 在光源准直度方面，Anycubic LighTurbo整体垂直屏幕平行光，保障了全尺寸高精度打印水准。另外，其配备的纳米级模具的增厚透镜将光源的均匀性提升至90%以上，与高精度滚珠丝杆和Z轴线轨相结合，确保模型拥有极高的锐利度及高度的细节还原程度。 搭载矩阵光源的Photon M3系列3D打印机 突破光源技术瓶颈是实现光固化3D打印机均匀稳定打印效果的重要因素，因此，光源利用率提升10%、光均匀度达到92%、全屏平行光源的Anycubic LighTurbo矩阵光源系统将为Anycubic Photon M3系列注入更高打印精度和更快打印速度的源动力，为全球玩家提供释放想象的光固化3D打印新体验。 Photon M3 Max-市面上打印尺寸最大的桌面级光固化设备，配备业界首块13.6寸7K黑白屏，让你的实力大作看起来更具一体成型的惊艳效果。 Photon M3 Plus-搭载“纵维云”系统，可实现远程打印和实时查看打印画面，随时随地享受智能3D打印体验。另外它拥有9.25寸6K黑白屏，保持一贯大尺寸高精度特性，智能供料系统更是让其免除了频繁加料的操作。 Photon M3-基础款机型，使用7.6寸4K+黑白屏，曝光屏使用寿命达2000+小时，与镭雕工艺打印平台结合能够呈现纤毫毕现的打印效果，是入门级桌面光固化设备最佳选择。 Photon M3系列现已正式在Anycubic各大官方店铺上架，价格方面，该系列新品售价分别为：M3 1999元、M3 Plus 3999元、M3 Max 6999元人民币，感兴趣的用户可选择符合自身需求的设备入手。 Anycubic LeviQ自动调平技术 此前，FDM技术3D打印机调平步骤繁琐，需重复多次手动调整四点螺杆的操作以验证调平准确性，且容易出现因校准的细微偏差导致打印失败，因此“劝退”了不少想要体验3D打印技术的新用户。 针对用户这一痛点，纵维立方研发了Anycubic LeviQ自动调平技术，并将其应用于Anycubic Kobra全系列新品中，让3D打印机变得更加易用。据介绍，Anycubic LeviQ调平系统可通过传感器对平台进行至多25点的探测，将探头与平台之间的距离数值形成一个数字网格，再通过优化的算法对平台进行补偿，保证喷嘴在热床的高度始终相同，从而实现零误差打印。 Anycubic LeviQ自动调平系统的推出，极大简化FDM技术3D打印机前期准备工作的同时进一步保障打印成功率，让用户可以更加专注于打印创意。 搭载自动调平技术的Kobra系列3D打印机 Kobra Max-货真价实的“巨无霸”，打印尺寸达到400*400*450mm，稳定的运动部件给你的超大尺寸打印提供全天候在线的安全感。 Kobra-入门级选择，重量仅为7KG却有不输主流机型的打印尺寸，同时它配备送料舒畅的近程挤出机和耐剐蹭、极易取模的弹簧钢磁吸平台，让你在整个打印过程都能舒心无虞。 Kobra系列现已正式在Anycubic各大官方店铺上架，该系列新品售价分别为：Kobra 1699元、Kobra Max 2999元人民币，价格方面可以说是极具性价比，大概率会是今年FDM领域中的爆款产品。 此次发布会，纵维立方用攻克3D打印设备使用难题的Anycubic LighTurbo矩阵光源系统和Anycubic LeviQ自动调平技术，让消费者和行业看到其在改善使用体验方面的创新实力，这两大技术的推出，也必将赋能更多行业和用户释放想象，享受无限创作自由。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流QQ2群：838951316；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.爆款集结！中国3D打印机大厂纵维立方春季发布多款新品 3.2021年亚马逊最受欢迎的10款3D打印机，9款来自中国 4.推进传统产业数字化改造，细分行业对3D打印技术有深刻见解

陶瓷材料具有优异的热学性能和力学性能，在众多领域显示出重要的应用前景。其固有的高强度、高硬度等性能却给陶瓷零件的成型带来了很多困难。将增材制造技术引入到陶瓷成型中将能有效克服上述困难，并为陶瓷材料复杂成型工艺提供了全新的可能性。 与此同时，3D打印制造的陶瓷制品不仅具有优异的物理性能，如高温抗氧化、耐腐蚀、耐磨，还具有满足使用要求的机械性能，如弯曲强度、断裂韧性、硬度等。 然而，陶瓷3D打印大规模、高精度和稳定制造是一个巨大挑战。基于树脂的混合浆料成型已成为当前主流的陶瓷3D打印技术，陶瓷制备过程中树脂完全热解带来的缺陷不容忽视。换言之，生坯形成过程中的空间固化生长机理和缺陷也会对陶瓷性能产生重要影响。这使得研究紫外光固化机理和缺陷形成与消除的工作更加重要。 中国科学院沈阳自动化研究所制备的多孔且具备复杂和简单结构的氧化铝陶瓷 近日，中国科学院沈阳自动化研究所在陶瓷增材制造技术新领域取得新的研究成果，提出了一种光固化数学模型，用于分析研究立体光刻3D打印陶瓷零件的成型质量，发现前驱体陶瓷浆料在增材制造过程中存在固化缺陷，并提出了改善方法。该研究成果以《Spatial curing growth mechanism and defect control of alumina green bodies manufactured by stereo-lithography》为题，发表于JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY（已传QQ群）。 生坯的空间结构、内部和表面缺陷对其热解产物的力学性能有重要影响。高固含量会增加粘度和吸光性，不利于固化。虽然悬浮液具有良好的流变性和稳定性，但其空间固化生长性能才是决定3D打印质量的真正因素。因此，需要从空间固化生长机理研究生坯的空间结构分布和缺陷形成因素。 了解生坯的空间固化生长机理和缺陷形成对于精密高性能陶瓷产品的制造具有重要意义。中国科学院沈阳自动化研究所的研究团队结合新颖的数学理论和实验，探讨了不同粉末体积分数和平均粒径对立体光刻中氧化铝生坯空间固化生长机理和缺陷调控的影响。在数学模型中发现了生坯的空间固化生长特征和缺陷形状，得到了光束区、散射区、固化不足区和重叠区的分布规律，以及它们与缺陷演化的关系。此外，通过实验验证了生坯的这些特性，发现这些特性可以通过基于数学理论的最佳实验参数来改善。特别是，打印层厚度可以选择性地改变固化形状并改善打印条件。 SLA 3D打印陶瓷原理 在生坯缺陷的形成中，通过建立数学模型和分析实验数据可以看出，固化不充分区域的出现是主要原因。水平和垂直表面缺陷的形成归因于以下几个方面： 1）光斑之间的重叠率导致固化面积不足。 2) 生坯内部和外部都存在固化不足的区域。 3) 粉末体积分数、平均粒径和打印层厚度与激光参数不匹配。 SEM 图像下的垂直固化生长和缺陷特征 在生坯的光固化过程中，研究人员提出了一些控制固化缺陷的方法： 1）调节打印层厚度减少了由固化形状引起的固化不足区域的面积，该参数可以选择性地调整固化形状以减小层间间隙的深度和宽度。 2）适当增加陶瓷悬浮液的散射度，可减少因激光光斑重叠率不足而导致固化不足区域的面积。适当增加平均粒径，散射区面积增大，横向和纵向不充分固化区的面积减少。应适当增加粉末体积分数，降低悬浮液的固化收缩率，以减小不足固化区与充分固化区的密度差，但同时需要降低打印层厚度，因为粉末体积分数的增加使固化深度变小，否则会增加缺陷的大小。 3）根据悬浮液的散射宽度调整光斑之间的重叠率，使线性固化宽度与激光频率和扫描速度匹配良好，最大限度地减少固化面积不足的问题。 4）增加每一层的曝光时间可以使固化更加充分。能量的均匀传输对于大层厚度和具有大量光吸收的浆料很重要。 低重叠率下生坯空间固化生长机理及缺陷形成垂直方向，以及 (e) 粉末体积分数（PVF）、平均粒径（APS）和层厚度上固化不足区域的形状变化 进一步讨论，对于大的重叠率，生坯中仍然存在少量的固化不足区域，这导致三种固化梯度共存，例如不充分固化区域，足够的固化区域和二次固化区域。每个固化梯度具有不同的凝固收缩率，这会导致坯体在烧结过程中存在固化应力，容易产生内外裂纹、开闭孔、密度差异等缺陷。此外，随着固化面积不足增加到一定程度，很容易在表面显露出微坑和层间间隙。生坯中仍存在三种固化梯度，给生坯带来严重的光固化缺陷，影响烧结体的力学性能。这也是该团队未来的工作重点。 总的来说，沈阳自动化所的研究团队提出的光固化数学模型，能够分析在不同点搭接率、线搭接率和面搭接率下，零件整体光固化中不同固化质量布局和缺陷形成的规律；并通过实验验证的方法，进一步提出结合浆料参数与设备参数相匹配的方法，从而改善了陶瓷增材制造过程中的缺陷问题。 目前，沈阳自动化所拥有了国内先进的陶瓷增材制造能力，具备高精度成型的立体光刻工艺、材料热重分析仪器、温控精准的1700度高温电炉和真空脱脂炉等设备，能够形成一条基于数字光固化成型的陶瓷产品制备的工艺链，自主研发和设计不同复杂形状的陶瓷零件。 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QQ2群：838951316；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.一种用短切陶瓷纤维增强的新型3D打印耐高温复合线材 3.国家增材中心《大讲堂》第一讲：陶瓷增材制造控形控性关键技术 4.陶瓷3D打印面临的挑战，一种增韧解决方案与未来市场

Aerojet Rocketdyne（洛克达因）被公认为是美国航空航天和国防领域的领导者，主要服务于导弹、太空探索、国防和军备市场。其知名项目包括为NASA阿尔忒弥斯重返月球计划开发太空发射系统（SLS），以及为美国高超声速武器提供超燃冲压发动机等。 值得注意的是，在其最新的宣传中，洛克达因均将3D打印技术用于以上两个项目的相关研究和制造中。 为最新高超声速武器3D打印超燃冲压发动机，零件数量减少95% 2022年3月中旬，美国成功测试一枚高超声速导弹，但因目下皆知的局势原因未及时公布消息。这枚由洛克希德·马丁公司生产的高超音速巡航导弹从B52轰炸机上发射，以大于5马赫的速度飞行，飞行高度超过19812米，飞行距离超过482.8千米。该超声速导弹由Aerojet Rocketdyne超燃冲压发动机提供动力，而该发动机的制造采用了3D打印技术。 洛克达因表示，通过使用创新的制造技术和材料，他们不仅提高了产品性能，同时大幅降低了成本和开发时间。而在此次测试中所使用的超燃冲压发动机因使用3D打印技术，使零件的数量相比此前X-51A Waverider（美国另一款高超声速武器）的发动机零件减少了95%。 再生冷却薄壁夹层结构 超燃冲压发动机的功能要求其采用再生冷却热防护技术，即燃烧室外层需要覆盖精密流道，以实现燃料对燃烧室的冷却，因此其结构非常复杂。采用传统工艺制备，需要将其分解成数量众多的零部件、加工成型后经由复杂装备得到，由此，复杂的装配尺寸链传递将直接导致相关零部件需要具备非常高的加工精度，而且加工与装配消耗的时间也将导致燃烧室制备周期相对漫长，此外大量的零部件装配势必引入较多的附加质量，这些无效质量将使整台发动机的有效推重比降低。 超燃冲压发动机测试过程 这种特殊的结构特点非常适合采用3D打印进行一体化制造，这也是零件数量大幅减少的原因。同时，也为更好的气动热性能、制造的可负担性、可扩展性和快速制造创造了条件。实际上，不仅洛克达因，其他多个国家都在采用3D打印技术开发适用于高超声速武器的超燃冲压发动机。 为 NASA 3D打印太空发动机关键部件，质量、尺寸、成本均大幅降低 除了武器装备，洛克达因还为太空任务提供服务。本月，该公司透露使用金属3D打印技术制造了更小更轻的飞行器关键部件。最新公布的这个案例是阿尔忒弥斯计划的一部分，所制造的部分被称为“四重”反应控制系统，包括四个单独的推进器，能够控制航天器在飞行过程中的滚动、俯仰和偏航。该部件最初是为阿波罗任务创建，已有60年历史，项目团队希望重新设计并采用增材制造以提高效率。Aerojet Rocketdyne团队希望使推进器更可靠，减少整体零件数量，使它们更易于组装和维修，同时还要减轻重量。 公司航空航天工程师兼任务架构师表示，在整个阿波罗计划期间，美国宇航局生产了650多个这种推进器来支持六次登月，花费了巨额资金，然而对于所有复杂的任务，越是负担的起，确保完成的机会就越大，而金属3D打印在此方面发挥了关键作用。 四推进器模块传统与现代的设计 重量减轻可以降低发射成本，同时还允许在飞行器上放置更多组件，从而可能延长服务期或提高其任务能力。而易于组装则将降低制造成本，特别是可能面临整体项目时间表经常被压缩的情况，同时由于组装工作通常需要在洁净室环境中进行，因此易于组装非常重要。 零件数量的减少使公司更容易迭代新设计，这也意味着需要制作的工具要少得多。这显著减少了工艺开发的时间并降低了成本，更少的零件意味着更少的流程和工艺步骤，以及更少的零件和材料之间的相互依赖性。只要3D打印步骤得到很好的控制，就可能更容易达到目标。这确实意味着将风险更多地集中在作为一项技术的3D打印上，但这可能意味着更少的紧固件、焊缝、胶水和其他材料的相互作用而导致的意外故障。 优化的喷射器模块内部结构 然而，所有因制造产生的成本都是其次，因为太空任务过于昂贵，如若部件发生损坏则需要人员在外太空修理，其中的风险可想而知。3D打印一体化设计和制造将这些可能的风险尽量排除，并能够增加器件的安全性。 Aerojet Rocketdyne在初步优化后采用IN718打印了概念模型，但由于悬垂问题，工程师不得不添加大量支撑来防止热变形，此后还需要去除支撑，这不仅增加了产品成本且对表面质量造成了影响。项目团队认为仍有大量轻量化和拓扑优化的空间，即便在重新设计过程中消除了大块不必要的材料，但仍不完美。最终Aerojet Rocketdyne选择与nTolpology为该项目的推进器进行重新设计，并由Velo3D提供制造服务。 优化的喷射器块的横截面 nTopology的技术人员对“外壳”喷射器主体的块状结构进行了进一步优化，在复杂流体端口和通道周围留下一致的壁厚，同时消除应力集中区域，并采用晶格结构填充由此产生的空隙，增加了它的强度和刚度。 Velo3D在业内以无支撑打印而闻名，且拥有独特的解决方案来减轻打印材料内累积的内应力，是少数能够成功打印大型复杂钛零件而不会开裂的金属增材制造系统供应商之一。最终3D打印的钛合金结构优化推进器在重量、尺寸、制造成本方面均大幅降低：与传统制造版本相比，质量仅有以前的1/5，尺寸减小了一半，制造成本也仅是此前的1/3。而且由于它包含的组件少得多，因此组装起来也更容易，在操作过程中发生故障的机会也更少。   实际打印的喷射器结构 实际打印的喷射器结构 项目团队人员表示，通过利用增材制造和先进的软件技术，与过去制造零件的方式相比，3D打印能够增加可负担性、缩短交货时间并大大提高系统性能。他们的下一步是演示这个概念模型，并将进行实际测试。 END 洛克达因公司在二十多年来一直致力于将3D打印技术整合到其火箭发动机、导弹和战术防御系统的生产过程中。公司的增材制造团队使用GE旗下Concept Laser以及EOS和Velo3D的装备来满足3D打印制造需求。洛克达因高级项目经理在2020年就表示，公司多年来不断加深对3D打印材料、工艺及设计的理解，掌握不同系统组件使用温度范围（-254~3316℃）内的材料特点，彼时已开发了至少11种合金；其他还包括如何依赖设计实现组件整体、一体化制造，从中节省成本、加速设计迭代。 注：视频演示请查看3D打印技术参考视频号。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext + PM South China解锁增材智造新技能！ 3.兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 4.中国日报海外版：3D打印加速中国导弹生产

导读：与以往研究中主要通过陶瓷颗粒强化金属基复合材料不同，本工作研究了SiC增强沉淀硬化钢以引发原位沉淀并促进双相强化，通过SLM技术制备的马氏体金属基复合材料的抗拉强度和屈服强度分别达到1.6Gpa和 1.2Gpa，相比基体材料分别提高了38%和29%，同时保持了10.1%的延伸率。 陶瓷增强金属基复合材料广泛应用于航空、航天、交通等领域，因为它可以提高金属基体的强度、硬度和耐磨性，同时保持良好的韧性、高温蠕变性能和疲劳强度。此类材料主要采用铸造和粉末冶金方法生产，面临着模具成本高、交货时间长、几何约束等问题。3D打印可以灵活地原位合金化多种类型的粉末，这突出了开发具有复杂几何形状高性能复合材料的潜力。 激光粉末床熔融（SLM）增材制造的最新进展为陶瓷增强金属基复合材料的发展开辟了一条新途径。独特的逐层工艺方式简化了复合材料制造的工艺路线和交货时间。采用SLM技术制造陶瓷增强金属基复合材料有以下优势： 1.第二相强化和晶粒细化。陶瓷颗粒具有较低的密度和热膨胀系数，以及较高的硬度、模量和强度。添加陶瓷颗粒可以提高金属基体的强度、硬度和耐磨性。此外，陶瓷（尤其是纳米级陶瓷颗粒）可以作为异质形核位点，从而阻碍晶粒的生长和细化凝固晶粒。除此之外，熔池凝固过程中的高冷却速度有利于形成细晶粒，可以进一步提高强度和硬度。 2.提高激光吸收率。激光吸收率对SLM形成质量有重要影响。在1060nm波长的激光下，陶瓷对激光的吸收率高于金属。因此，这些陶瓷的加入可以提高金属基体的激光吸收率，从而有效提高成形效率及零件性能。 3.提高零件的成型质量。使用陶瓷颗粒可以改善熔池稳定性和液相的粘度，从而提高制件机械性能。同时，激光加工过程中陶瓷和金属之间的原位放热反应可以提高熔池的温度并提高零件的密度。此外，陶瓷颗粒还能阻碍裂纹扩展，这对于提高机械性能至关重要。 目前采用SLM技术加工的陶瓷增强金属基复合材料可分为异位制备和原位制备两种方法。异位制备是将陶瓷颗粒与金属粉末直接混合，然后进行SLM打印。由于增强材料和基体之间的物理不匹配，以及在陶瓷颗粒表面形成氧化膜，通过异位方法形成的复合材料可能会遇到界面结合问题。相比之下，原位方法通过两种或多种原材料之间的化学反应在基体中形成强化相，从而实现稳定的热力学性能和更均匀的强化颗粒分布。此外，原位制备可以避免氧化，从而提高界面结合强度，并且可以获得比非原位制造更好的机械性能。 与现有主要由陶瓷颗粒增强的3D打印陶瓷增强金属基复合材料不同，华南理工大学的团队研究了通过添加陶瓷颗粒的原位触发沉淀，这促进了金属基体的双相强化（陶瓷颗粒+沉淀物）。选择马氏体时效钢作为基体，因为其在热处理后可以通过金属间化合物实现沉淀硬化。研究人员推测，这些沉淀物可以通过添加陶瓷颗粒后在SLM过程中原位异相成核。碳化硅因其高模量和硬度、较低的密度和良好的激光吸收而被选为增强陶瓷。SiC和Fe在1060nm波长激光下的激光吸收率分别为0.78和0.64，这表明根据复合粉末中吸收率的混合规则，添加SiC可以提高马氏体时效钢的激光吸收率。此外，SiC与铁具有良好的润湿性，可以抑制复合过程中棘手的界面键合问题。团队人员对SiC的含量对致密化的影响行为、微观结构演变、沉淀动力学、机械性能和底层强化机制进行了研究。 维氏硬度和相应的压痕图像，以及样件拉伸应力-应变曲线 与通过3D打印加工的各种金属基复合材料相比，SLM加工的 SiC 增强马氏体钢具有显著的机械性能 研究发现 1. 复合材料的激光成形性随着SiC添加量的增加而降低。12% 的SiC添加量时样件的致密度超过99.4%。当添加量为15 vol%或更高时，会观察到明显的缺陷（如大孔和毫米大小的裂纹）。此外，轻质SiC 的添加降低了复合材料的密度，从而提高了比强度。 2. SiC的添加对显微组织有显著影响。添加SiC后，微观结构形态从胞状结构变为树枝状结构。在没有后热处理的情况下观察到大量纳米沉淀物，由于SiC颗粒和位错可以作为优先成核位点，因此可以通过异相成核原位形成。沉淀动力学分析表明，添加SiC提高了成核速率。SiC颗粒可能与基质和原位形成的化合物颗粒发生部分反应。残余应力随碳化硅含量的增加而增加，碳化硅促进了奥氏体相的形成。 3. 新制备的复合材料的硬度和强度随着SiC添加量的增加而增加。12% 的SiC添加量时样件的硬度达到438 HV0.1，同时达到了约1.2 GPa的最大屈服强度，相比基体马氏体钢相比增加了约29%。此外，3%SiC添加量时样件实现了最高的抗拉强度1.6GPa，增加了约38%。 总体来说，华南理工大学的团队所采用的与现有主要由陶瓷颗粒增强3D打印陶瓷增强金属基复合材料不同的制备方法，使材料的最高屈服强度和抗拉强度分别大幅度提高。潜在的强化机制包括析出物和SiC颗粒双相第二相强化以及位错强化。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.性能媲美锻造，西工大黄卫东教授团队开发3D打印高强、高韧铝合金 3.预热至400℃，H13工具钢打印态的强度达到2GPa 4.3D打印研究成果下载：花费5年、1720万欧元，提交5500个样本，专注于缺陷和工艺分析