通过重新熔化粉末或丝材，使每台3D打印机基本上都成为了自己的铸造厂。然而，打印部件确定且且可重复的机械特性仍然是应用端面临的主要障碍。 此外，3D打印零件件的真空热处理也在发展。由于与传统生产的零件相比，增材制造的零件显示出截然不同的机械行为，因此与此过程相关的热处理也有所不同。由于大多数金属3D打印工艺都涉及高温熔化和快速冷却，因此零件通常具有极高的内应力。 为研究机械性能而打印的不同取向的拉伸试样 这些固有应力对零件来说可能是优点，也可能是缺点。当内部应力对最终产品有害时，真空应力消除似乎是对3D打印部件执行的最普遍和最重要的热处理工艺。普及度略低一些的其他真空热处理工艺包括真空退火和真空烧结。 随着增材制造技术的应用越来越广泛，制造商通常会与商业热处理商签订合同，为其执行关键的热处理，当然大型服务商也会采购专业的热处理设备进行内部处理。当前业内普遍应用的热处理炉包括真空炉和气氛炉。前者必须配备扩散泵以达到深真空水平，并且必须具有极其严格的温度均匀性；而后者不必配备扩散泵，真空度水平较低，通常需要氮气或氩气保护，但热处理过后的零件通常表面被氧化。 增材制造需要的关键热处理设备——真空炉 粉末床熔融和粘结剂喷射金属3D打印零件热处理面临的风险 3D打印的组件的通常是“近净形”的零件，真空炉的气氛条件必须满足要求。热处理完成的钛或镍基合金零件表面如果出现污染可能导致零件报废。因此，制造商通常会坚持只使用昂贵的全金属高温区真空炉来进行热处理。真空热处理企业必须重视这一要求，一定要明确这种要求所关联的风险。 粉末床熔融工艺仍然是当前应用范围最广的金属3D打印技术，这种基于粉末的层层制造工艺极易附着甚至将粉末沉积在内腔、盲孔和冷却通道中而难以去除。 如果不能采取完善的预防措施，无法使用的可能不仅仅是零件，更有可能会对昂贵的真空热处理炉造成损坏。由于打印零件中仍有松散粉末，在热处理过程中，从部件内腔掉出来的粉末使钼制高温区被严重损坏。补救措施只能是将加热片翻面使用，用氮气彻底吹扫整个部件，以及只在全金属高温区内处理没有空腔的实心SLM打印的部件。 掉出的钛粉粘结到钼制发热元件上 对于处理粘结剂喷射技术成型的零件，通常首先需要将零件在常压炉中进行脱脂，在该过程中大部分的粘结剂会被去除。但在随后的高温真空烧结过程中，剩余的粘结剂会释放和挥发出来，这些有害的粘结剂会附着在真空炉的低温区域，如水冷机或真空泵。因此，如果对粘结剂喷射技术3D打印的零件进行烧结，需要配备专门设计的真空炉，并且该炉型需要具有粘结剂回收装置。 真空泵被污染后的对比 热处理过程中的其他关键要素 3D打印工程师需要明白，只有当构建基板与成型材料的成分相匹配时，才能得到最好的结果。此外，打印部件的最大厚度也应与构建基板的厚度非常接近。匹配的构建基板成分和尺寸有助于在热处理过程中获得更稳定、无裂纹的3D打印部件。 由于打印断面和构建板厚度匹配不当在热处理过程中产生裂纹 此外，在热处理过程中，构建基板本身通常与打印部件的温度曲线难以相匹配，直接将热电偶放置在打印部件内部便非常重要。3D打印允许较高的设计自由度，因此热处理商往往要求在打印部件的最厚横截面内设置一个打印孔以便放置热电偶。如果不允许这么做，则应当在构建板上放一个与最大厚度相匹配的模拟块并预先钻好孔。 构建板本身通常不能反映出所打印部件的温度分布，因此绝不要在构建板上钻孔和接线 3D打印的复杂零件又是可能包含盲孔、空腔、暗槽或密封的冷却通道，在真空热处理过程中，任何压差都可能导致打印部件产生裂纹甚至爆裂。因此，所有3D打印出来的内部几何形状都必须有一个通畅的排气路径。 在对3D打印的零部件进行真空热处理前，都应当至少在1300℃左右进行适当的烘炉， 真空漏率应当小于每小时5微米汞柱。许多打印部件都有很大的应力，一定要在多个预设温度下保温，并且缓慢地加热和冷却。 除进行规定的热处理之外，构建基板还需要进行蠕变校平处理，校平时需要压上重物，蠕变压平可以使基板重复使用。 在关键位置压上重物对构建板进行蠕变校平 END 金属3D打印如今正在航空航天、医疗、汽车等行业发挥重要价值，对热处理的需求也在稳步增长，国内外目前相关的服务数量增长明显。 可重复性是金属3D打印技术追求的重要目标，不仅仅是能够降低生产成本，更能够提高技术的可靠性。事实证明，真空热处理对整个增材制造工艺的成功应用起着非常重要的作用，这个链条上所有参与者都必须接受。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.全面回顾金属增材制造零件的断裂与疲劳特性（二）——缺陷与后处理手段 2.Science重磅：一种非常规的3D打印策略，创建超级钛合金结构 3.罗罗通过3D打印设计和制造有史以来最大航空发动机的关键结构 4.美奥本大学与EOS深入研究3D打印铝合金部件的结构完整性

制造企业是否采用3D打印技术，需要综合考虑产品在整个生命周期的价值传递作用，这种作用在航天航空工业中体现的尤其明显。同时，航空航天领域也在国内外的增材制造技术的发展中起着引领性的作用。作为国内该技术领域知名的制造商，铂力特获得了业内广泛认可，通过多年深耕航空航天领域，该公司积累了大量案例。本期，3D打印技术参考对其中四个案例进行介绍，突出3D打印技术在复杂产品制造和快速响应方面给产品和企业带来的改变。 1. 千乘一号01星：整星超100万个点阵结构，最小特征0.5mm 北京时间2019年8月17日12时11分，千乘一号01星作为主星搭载中国航天科技集团有限公司捷龙一号遥一火箭在酒泉卫星发射中心发射升空，火箭经主动段飞行，将卫星送入预定轨道，卫星发射入轨取得圆满成功。千乘一号卫星主结构是目前国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构，千乘一号卫星入轨运行稳定，标志着用于航天器主承力结构的3D打印三维点阵结构技术成熟度达到九级，即实际系统成功完成使用任务。 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，整星结构通过铝合金增材制造技术一体化制备。传统微小卫星结构重量占比为20%左右，千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内，整星结构零部件数量缩减为5件，设计及制备周期缩短至1个月，整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸。 该卫星部分轻量化零件由铂力特品牌设备BLT-S600打印制造，零件内部点阵轻量化结构最小特征仅为0.5mm。零件整体轮廓尺寸大，内部轻量化点阵胞元结构尺寸小，整星超过100万个点阵结构特征；蒙皮结构尺寸小，增材成形工艺难度大。整个制造过程充分展示了铂力特在大尺寸、精细化、特殊结构成形上的技术优势。 2. 3D打印火箭发动机燃气发生器和燃烧室部件 2020年3月，国内领先的民营液体火箭研制企业蓝箭航天自主研发的“朱雀二号”液体运载火箭系统中的“天鹊”10吨级液氧甲烷发动机（TQ-11）再次进行长程试车。“天鹊”发动机项目组在一周内，用一套TQ-11发动机分别进行了10秒、100秒、750秒、1500秒四次全系统热试车，均取得圆满成功。 TQ-11为国内现有唯一多喷管液氧甲烷火箭发动机，是“朱雀二号”液体运载火箭的二级游动发动机。2018年，蓝箭航天公布了“朱雀二号”液体运载火箭“80+10”的火箭动力系统技术路线，两型发动机并联组合可覆盖从小型、中型到大型的“朱雀”全系列火箭家族。目前，两型发动机均已顺利试车，铂力特承担了“天鹊”发动机燃气发生器身部和燃烧室的金属3D打印服务。 燃气发生器身部和燃烧室均为蓝箭航天“天鹊”发动机中的关键零部件，零件内部结构复杂且对外形、流道精度要求严格。燃烧室零件周身均布百余条细长流道，燃气发生器身部零件内有数十个冷却通道，零件最小特征尺寸精度为±0.05mm，使用传统锻造、焊接等工艺加工无法达到技术要求。而金属3D打印技术可实现复杂结构一体成形，大大缩短发动机装配周期，集成化设计还可有效减少零组件数量，提高发动机使用维护性，也更容易进行零部件批量化生产。 铂力特前期对零件关键特征进行充分的工艺验证，并快速进行工艺迭代优化，从力学性能、特征尺寸等方面保证成形零件满足技术要求。 根据零件尺寸及结构特点，铂力特使用BLT-S310及BLT-S400分别成形燃气发生器身部及燃烧室。双激光金属3D打印设备BLT-S400可一次成形2个燃烧室，兼顾产品品质与效率，大大缩短交付周期、减少综合成本；此外，铂力特检测中心具备Nadcap认证资质、获CNAS实验室认可，可提供专业的原材料化学检测、无损检测、热处理、流量标定等相关检测服务，为零件提供全工序质量保障。 3. 3D打印立方星部署器为空间站在轨释放微纳卫星储备技术 2020年5月8日，新一代载人飞船试验船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆，试验船飞行试验任务取得圆满成功。新一代载人飞船试验船不仅完成了首次3D打印太空实验，还搭载了世界首个基于金属3D打印技术的立方星部署器。该部署器由中国商业航天公司星众空间（北京）科技有限公司研制，由铂力特金属3D打印技术制造。 铂力特制造的金属3D打印部署器，重量仅为传统机械加工产品的一半，加工周期从过去的几个月缩短为一周，大幅度降低了设计重量，提高了结构强度。本次飞行充分验证了立方星3D打印新型部署器的结构强度、材料性能和空间环境适应性，为“3D打印+航天”的大规模应用和未来空间站在轨释放、机动部署微纳卫星提供了数据，储备了技术。 这枚名为COSPOD-3D的立方星部署器，既可满足国际标准3U立方星的发射与部署，也可满足部分增大版3U立方星的需求，容纳其多层展开帆板、大型表贴天线、相机等外部凸出载荷的应用。更重要的是，这一系列产品配有新型多星分配控制器，能够通过火箭提供的一路分离信号驱动多路部署器释放，实现一箭百星的部署能力。同样由星众空间设计研制、铂力特制造的多星分配控制器，计划在未来几个月内开展在轨试验。 采用3D打印技术加工微纳卫星部组件，在批产化方面的优势也非常显著。以此次打印的立方星部署器为例，铂力特自主研发的常规尺寸设备BLT-S310，成形尺寸为250×250×400mm，可一次成形2件部署器。铂力特其余多型号更大尺寸设备，可实现一次打印3~10件部署器的批量加工，为卫星产业“百颗”、“千颗”等大批量发射计划提供强大支持及品质保障。 4. 金属3D打印的“灵巧号”卫星，凸显速度制造优势 2021年12月，由铂力特打印、星众空间出品的“灵巧号”太空实验卫星搭载由陕西第一家商业火箭公司陕西华羿鸿达科技发射的“华羿一号”亚轨道火箭在西北某试验场成功实施首次飞行。 金属3D打印的“灵巧号”卫星（Agile Testbed），是星众空间专为生物、医药、材料、能源等太空实验设计的卫星平台。通过改造卫星结构、增强传感技术，“灵巧号”为实验载荷打造了一个有效减振、精准温控的实验环境，能够满足该类实验在轨触发和数据精准测量、记录、存储、下传等共性需求，适用于亚轨道和轨道飞行各类短期、长期任务。 铂力特本次负责“灵巧号”卫星主框架结构的打印，“灵巧号”卫星主框架结构由4件面板和4件横梁组成。为了满足主框架结构轻质、高刚度的技术要求和项目紧急的节点要求，铂力特采用AlMgSc高强度铝合金作为原材料，采用BLT-S400三激光设备实现快速研制。 铂力特接到生产任务后快速响应，使用BLT-S400系列三激光设备一炉完成成形，总机时35h。由于项目紧急，零件在内部做24小时流转，经后处理、机加工、阳极化等处理，在截止日当天晚上10点完成交付，项目总周期8天。 END 航空航天是当今世界科技强国竞相发展的重点方向之一，其发展离不开兼具轻量化、难加工、高性能等特征的金属构件。增材制造技术为高性能金属构件的设计与制造开辟了新的工艺途径，可解决航空航天等领域发展过程中对材料、结构、工艺、性能及应用等提出的新挑战。 铂力特深耕金属增材制造技术，不断形成新的研发成果保持核心技术的先进性，为航空航天领域带来了全新的设计和制造思路，获得了系列航空航天制造商的认可。 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QQ群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.珠海航展上的大尺寸金属3D打印零部件背后的制造故事 2.年度总结：2021年中国航空航天领域3D打印技术10大应用 3.2025年服务于中国航空航天等领域的金属3D打印装备将超六百台 4.波音的采购合同——成为大尺寸金属3D打印制造商迈入航空航天领域的第一步

JPB système是一家专为航空航天和其他行业提供提高效率技术解决方案的领先制造商。该公司通过其基于工业4.0的流程为一些业内最大的制造商提供服务，包括赛峰集团、普惠公司、通用电气、劳斯莱斯和ITP Aero。近日，该公司通过一个项目的实施，证明了3D打印技术所能够带来的制造优势，其通过首轮实验即成功大幅降低了航空零件的重量和交货时间。 这些实验旨在评估粘结剂喷射金属3D打印技术在制造可飞行航空部件中的潜在应用，且已经取得了“非常积极的结果”。事实上该公司表示，在某些用例中，改用粘结剂喷射技术使其零件比以前轻了30%，同时将整体生产时间缩短了80%。JPB système公司工程与创新总监JocelynVecchio表示：“正如我们预期的那样，我们对粘结剂喷射金属3D打印技术的试验强调了它的多功能性以及减少时间和成本的能力，它将为我们公司和我们的客户带来巨大的利益。到目前为止，我们对该技术应用可能性的探索已经证明非常成功，并为我们寻求创新提供了巨大潜力。” JPB système的3D打印试验使其能够将航空零件的交货时间缩短多达80%（图片来自JPB système） JPB système的配件业务 JPB système总部位于法国巴黎，但在波兰和美国设有生产设施，专门设计和制造“无线锁定防旋转装置”。这些紧固件和配件最初是为航空和航天用途而设计的，主要设计用于在极其恶劣的环境中固定部件，同时，这些产品也广泛用于汽车、铁路、海洋和核工业领域。 该公司的产品包括自锁配件、自锁插头及推锁紧固件等，可用于生产各种无需安全线的飞机配件。2012年，JPB système与劳斯莱斯签署了一份为期30年的合同，为TRENT发动机系列提供装备，并为能够承受极端条件的新型自锁管道镜塞申请了专利。2014年，该公司与赛峰签订发动机终身合同，并获得了增长最快的航空公司奖。 JPB Système 的 LULYOK 紧固件之一 该公司表示，由于它们的产品能够承受强烈的振动、温度波动或化学污染，还可以用来代替锁线、标签垫圈、开口销或任何其他紧固配件或管道镜插头，从而有效地提高飞机发动机的安全性、有效性和使用寿命。 JPB système粘结剂喷射试验生产计划 JPB système表示，通过粘结剂喷射试验生产的零件通常是使用机加工或铸造工艺制造的，在“可实现的几何形状”方面存在“限制”。该公司还表示，以传统方式制造组件需要使用昂贵的工具和模具，且需要长达六个月的生产时间，这延长了他们的交货时间。 为了解决这些问题，JPB système已经开始评估3D打印作为替代生产工艺的潜力，初步结果证明是非常有希望的。关于交货时间，据称测试部件“达到了预期”，3D打印能够比以前“更快、更容易、更经济地提供强大的轻量级替代品”。 JPB système计划于2023年开设一家配备3D打印设备的新工厂 JPB système采用粘结剂喷射技术生产零件（左右滑动查看更多） JPB système还表示，在其粘结剂喷射试验期间，它能够在短短四个星期内制造出具有更复杂、集成几何形状的产品，在该案例中，将几个部件整合到一个“多组件功能系统”中，不仅简化了组装过程，而且消除了任何异物进入的风险。除此之外，该公司还采用其他3D打印技术制造了具有网格点阵结构的零件，零件的重量减轻了30%，在减少材料使用的同时仍旧能够满足耐用性要求。 JPB système采用粘结剂喷射技术生产零件 JPB système研究工程师BenjaminSangouard补充道：“对于OEM客户和供应链上游不断寻求减轻飞机整体重量的客户来说，这是一个重要选择。更轻的飞机意味着更少的燃料，同时意味着更低的成本和更少的排放，从可持续发展的角度来看，这很重要。” 未来，JPB système计划于2023年开设一家新的初创工厂，其中3D打印机将作为“自动化生产线”的一部分部署。鉴于该公司的客户目前包括赛峰集团、普惠公司、通用电气和劳斯莱斯等公司，该工厂的开业意味着3D打印技术将进一步深入航空航天零配件制造业务。 GE也通过具体项目，证明3D打印相比传统工艺更具优势 通过具体的项目来验证3D打印是否比传统工艺更具优势的还有通用电气。 2021年，GE Aviation展示了金属3D打印如何低成本代替铸造工艺、生产传统无创新设计部件的案例。即便已为铸模付出了巨大成本，但选择金属3D打印依旧经济可行。GE Aviation的增材制造部门负责人表示，这是他们第一次发现金属3D打印比铸造还要便宜，即便在有外部供应商报价的情况下，金属3D打印仍然具有成本优势。工程师从识别目标零件到3D打印最终原型，总用时仅10个月，而使用铸造工艺生产这些零件则需要12到18个月甚至更长时间。与以往利用零件合并来减少组装从而降低大量成本不同，此次3D打印的零件完全基于铸造模型，没有任何的设计更改。这一发现让GE Aviation着手寻找其他发动机上更多的零件，并采用金属3D打印来降低成本。 GE Aviation与GE Additive合作开展的论证项目 GE Additive粘结剂喷射金属3D打印（左右滑动查看更多） 除此之外，对于另一项金属3D打印技术——粘结剂喷射，GE各业务部门则通力合作，共同支持该技术的研究与开发。目前，GE Additive已经可以打印航空、能源、汽车和其他工业领域使用的多种合金，不断开发的新材料和形状解决方案，能够满足客户的各种应用需求。该公司指出，与其他3D打印工艺相比，粘结剂喷射技术具有许多优势：可以成型超级合金和其他难以焊接的材料，并能制造结构更为复杂的零件；金属粘结剂喷射的速度和无支撑特性还可以节省时间和成本，其打印速度至少比基于激光的技术快 6 倍，并可以在适当的热处理后制造更大的零件。GE Additive开发的粘结剂喷射金属3D打印机成型尺寸达到390*390*267mm，证明该技术的开发从一开始就面向工业部件制造。 END 对于金属3D打印技术，粘结剂喷射工艺从更加经济、可批量化和更高的制造效率方面满足了制造业终端对量产的生产需求。3D打印技术参考认为当前主流的激光粉末床熔融工艺在未来金属3D打印普及应用的情况下将无法与粘结剂喷射技术竞争，即便前者工艺所配备的激光数量在增多、尺寸也在增大，但工艺本身的限制因素导致了其在成本和速度方面仍然不敌后者。 粘结剂喷射金属3D打印技术一直都是国外3D打印领域投资的热门技术，但在国内却长时间发展缓慢。该技术已经经过了国外公司的5年积累，在未来5年，将会比基于激光的金属3D打印更深入的影响制造业。 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QQ群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.喷墨技术专家——理光，推出粘结剂喷射金属3D打印机 2.Magics为粘结剂喷射金属3D打印零件创建烧结防变形支撑 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.GE增材：四年来，通用旗下多部门支持转向粘结剂喷射金属3D打印技术

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，即便当前可成型材料种类繁多，却依然难以通过很多领域的使用要求。材料的成熟度和扩展方向一直以来是3D打印的最大问题，然而，近两年的材料发展超越了之前5-10年的跨越。本期，3D打印技术参考总结2021年值得关注的10款新材料及成型工艺突破，它们覆盖了当前主流的3D打印工艺以及航空航天、汽车、医疗等多个应用领域。 1. 铝合金粘结剂喷射3D打印工艺获突破2021年3月，ExOne和Desktop Metal同时宣布实现了6061铝合金粘结剂喷射3D打印。Desktop Metal与Uniformity Labs合作开发的一种低成本原料，可生产出完全致密的可烧结6061铝，伸长率超过10％，并具有相比锻造6061铝更高的屈服强度和极限抗拉强度。ExOne则是通过与福特汽车公司合作实现的铝合金粘结剂喷射3D打印技术的突破，双方共同开发了这种用于铝材的快速可靠粘结剂喷射3D打印和烧结的工艺，该工艺可提供与压铸可比的性能，烧结件的密度可达到99％。 十多年来，研究人员一直回避铝合金烧结成型的商业可行性，其原因在于脱脂烧结过程极易导致铝合金燃烧，这是该技术进行铝合金加工的一大挑战。而将轻质金属添加到粘结剂喷射3D打印的材料体系中，为跨行业的各种热应用和结构应用打开了大门。 2. 适用于3D打印的耐热铝合金获突破 当前，市场对具有特殊性能的铝合金需求越来越旺盛，如耐高温、高强度、高韧性铝合金，在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业中具有广泛的需求。但传统的铝合金材料难以满足这些领域内耐高温、高比强等苛刻要求，开发符合高温服役条件的耐高温铝合金具有良好的发展前景。 11月，EOS推出了一种新型铝合金材料Al 2139AM，该合金专为增材制造而设计，可在高达200ºC的高温下提供卓越性能，是EOS推出的强度最高的3D打印铝合金，超过了目前市场上的许多类似材料。改进的强度特性为客户带来了新机遇，可以在不影响强度的情况下显著减轻零件重量。12月，3D打印技术参考获悉陕西兴华业开发出一款拥有自主知识产权的耐高温、高强、高韧3D打印铝合金AK09系列，该材料在350℃条件下具有显著的高温性能，抗拉强度达到200MPa，屈服强度200MPa，延伸率11%。通过前期研发试制，该材料性能稳定，目前已开始小批量生产交付。 3. 赢创推出适用于激光烧结工艺的新型耐高温3D打印粉末 INFINAM ® PA 6005 P（PA613）是赢创系列的高性能PA6尼龙粉末，该材料具有高机械强度、高耐化学性和耐高温性，吸水率小于3%，后者对3D打印工艺的可制造性和打印部件的尺寸稳定性具有积极影响。即使在薄壁结构中，使用该材料打印的物体也因其高刚性和机械稳定性而令人印象深刻。 新型赢创PA6粉末具有近乎圆形的颗粒形状及出色的流动性，熔点高达215°C。据3D打印技术参考了解，该公司通过与华曙的合作使其成功匹配激光烧结工艺。PA613专为更高温度范围的应用而开发，其热变形温度约为195°C，其优异的刚性与最佳断裂伸长率相结合，所打印的产品强度高而不脆，是车辆交通工具的理想材料，完全满足轻量而精确、高度耐用的选要求。 4. 两种高性能丝材：Kimya ABS Kevlar与耐高温支撑材料 纤维增强热塑性塑料是一种新兴的工业材料，它通常是通过在热塑性塑料中添加碳纤维、玻璃纤维或杜邦Kevlar®等短切强化纤维制作而成。被嵌入的强化纤维为材料带来了新的优异特性，如高强、轻质、导电、耐腐蚀、高吸波性。这些特性帮助原有的塑料产品能更进一步，满足国防、航空航天等高端装备制造业的多种需求。ABS Kevlar是一种非常坚硬且轻量、耐用的材料，主要用于制造防弹背心和赛车轮胎。有了含芳纶纤维的加持，这种丝状的复合材料给予3D打印成品更高的强度和尺寸稳定性。同时，芳纶纤维的加入还能防止收缩，精度高、更耐磨，因此是治具、夹具、终端部件，如机械末端执行器和保护装置的理想材料。目前，采用MakerBot和Raise3D的设备均可以打印该材料。 当前，高性能塑料如ULTEM™ 9085和ULTEM™1010的 FDM/FFF 3D打印均需要在高温环境下成型，而支撑在该技术领域是无法回避的问题，想要打印这些高性能材料还需要能够耐受高温的支撑材料。此前市面上可供客户选择的支撑材料在高温下的耐受能力有限，为了保证足够的支撑强度，因此在打印过程中通常采用三角形支撑的方式，所以在打印后处理的环节，剥离支撑的难度就会比较高。经过长期研究和验证，INTAMSYS于2021年推出了适用于以上两种材料的支撑材料SP5040和SP5080，这两款支撑材料具有良好的耐热性，不仅确保了3D打印PEI有足够的支撑强度，手动拆卸方便，并且可用于打印结构复杂的零件，为工程师的设计提供极大的灵活性。 5. 纯铜3D打印突破所有主流技术 纯铜3D打印已经不仅仅是采用激光或者电子束可以实现，2021年，该材料的成型工艺获得极大突破，涉及粘结剂喷射、立体光刻及熔丝挤出技术，3D打印技术参考对这些工艺进行过详细解析。 欧空局孵化企业TSI注重材料的热和机械性能，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。 2021年2月，Digital Metal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% 美国Holo公司于2021年推出了基于DLP的纯铜3D打印工艺，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。根据该工艺，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，它还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。 6. 增材制造用铜及铜合金材料应用快速发展 在增材制造中，铜材料应用较晚，但近年来呈现快速发展趋势，尤其国防军工领域铜合金增材制造应用不断取得重要进展，更促进了铜材料增材制造的发展。国内开展铜合金打印大概开始于2018年，前期以研究和工艺摸索为主，但自2021年以来以航空航天为代表的国内应用单位开始就铜合金增材制造提出明确产品需求，各打印服务和制粉厂家也较多地接收到铜合金产品和材料的具体要求，标志着国内铜合金增材制造应用的实质性进步。 有研科技集团旗下有研增材技术有限公司是国内较早开展增材制造用铜及铜合金粉末研究与应用的单位，目前已形成较全系列的增材制造专用铜及铜合金粉末产品，包括纯Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等。该公司于2021年推出适用于选区激光熔化的高导电率纯Cu粉，在电气等领域取得重要应用。 7. 两种钛合金材料——Ti6242与Ti2AlNb 钛合金粉末以生产具有优异机械性能的零件而闻名，是当前价值最高、应用最广泛的3D打印金属材料之一，尤以Ti6Al4V最为知名，但在特定情况下最好能够有更多的选择。GE Additive于2021年推出了一款满足高温和抗蠕变应用的3D打印钛合金Ti-6242，与其他钛合金的主要区别在于该材料的机械性能能够满足高温和抗蠕变应用。它具有高机械强度、可焊性、高温稳定性和高达500-550°C的抗蠕变性。其他常见的钛合金，尤其是Ti6Al4V，工作温度通常为350°C，因此Ti-6242能够在更高温度下工作。 此外，铂力特推出了一种具有高比强度、抗氧化性、无磁性以及优异高温力学性能的Ti2AlNb材料。它是最具潜力的航空航天发动机用材料之一，适合用于制造热端部件的新型轻质高温结构。该材料虽强度高，但延伸率较低，室温下其脆性很大，无法加工成具有精细结构的复杂零件，极大的限制了其广泛应用。SLM成形的Ti2AlNb材料与航空航天常用的SLM成形GH3536高温合金材料相比，在900℃下二者强度相当，但Ti2AlNb材料的密度仅为其64.5%。铂力特开发的该款粉末产品可以实现耐高温特性，同时面向增材制造的设计可以实现复杂精细和优化设计结构。 8.一款“高刚耐温、超精细、低蠕变”的功能性3D打印树脂 在工业生产中，很多原型样件或是终端部件对材料的性能都有着较高的要求，例如需要拥有足够的硬度去满足静力负荷，此外，在制作需要抗弯曲的坚固和坚硬零件原型时，需要兼具一定的耐热性和耐化学性，并且在负载下尺寸稳定，而这些，一般的标准树脂无法满足需求。 2021年，国内DLP光固化3D打印黑马企业Rayshape创新性的推出了一款高刚性树脂Rigid 20，弯曲强度140 MPa，缺口冲击19J/m，热变形温度可达110℃，同时兼有变形率极低、尺寸精度高、细节表现力好的特点。化工巨头赢创在2021 TCT展上推出一款高刚性能光敏树脂，其物理性能据称接近尼龙玻纤，Rayshape的Rigid 20材料与之定位相同，具有相似的力学性能，该材料的推出将Rayshape的3D打印机也推向了更高阶的应用，使得办公室内就能快速加工终端部件。 9.基于桌面金属3D打印的Ti64钛合金材料和工艺被突破 基于挤出的桌面金属3D打印工艺处理钛合金一直存在挑战，这种材料的粉末形式具有极强的反应性且难以烧结，此外，该材料本身对氧含量很敏感，即使采用间接烧结工艺，如果过程控制不好，也难以实现零件致密化以及好的延伸率；设备稳定性、温度均匀性都是考量指标。 Desktop Metal于2021年宣布Ti64合金已适用于其桌面金属3D打印系统，可为客户提供最简单的方法来打印小批量高性能金属零件以进行预生产和最终用途应用。生产的Ti64具有卓越的机械性能，拉伸强度、屈服强度以及断后伸长率分别达到730Mpa、845MPa和17%。这些数据超过了ASTM F2885-17为金属注射成型外科植入物应用设定的标准。该公司也成为第一家将钛合金商业化用于挤出式金属3D打印的公司。 10. 3D打印技术与血管支架的结合达到世界领先水平 北京阿迈特医疗器械有限公司专注并专业利用3D打印技术进行全降解血管支架研发。2021年，经国家药监局（NMPA）医疗器械技术审评中心审批，阿迈特自主研发的全降解外周血管药物洗脱支架获准开展注册临床试验研究。 目前大多血管支架均采用激光切割技术制备。采用该技术需要制备薄壁的管子，然后再用激光切割出具有特定结构的支架。阿迈特采用独特的三维快速精确成形技术来制备可吸收聚合物血管支架，节约材料，可一步制备出结构和形状复杂的产品，特别是能够制备出传统技术制备不出的结构。跟据3D打印技术参考得到的消息，国外某公司推出的一款生物可吸收医疗植入物PDO丝材一卷的价格高达几十万，阿迈特3D打印技术制备可吸收血管支架的工艺在一定程度上突破了国外专利封锁，是我国在增材制造领域的一大创新技术。 END 增材制造目前还处于行业发展周期的成长期，产业链的关键环节，如设备、材料、软件、设计和工艺等亟待协同优化，并且需要以实际应用为导向来深度整合各个要素，2021年获得突破的铝合金粘结剂喷射成型以及Ti64挤出成型等均遵循了这一规律。 材料作为3D打印技术的物质基础，决定了该技术在各领域应用的深度和广度。近几年，3D打印技术得到快速发展，应用领域也更为广泛，新的材料供给也在不断涌现。2020年全球3D打印材料市场约21.05亿美元，增长幅度为9.9%，高于总体市场增长。 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： 1.2021年亚马逊最受欢迎的10款3D打印机，9款来自中国 2.年度总结：2021年中国航空航天领域3D打印技术10大应用 3.行业报告：分析30000个传统零件，洞悉3D打印如何影响制造业 4.案例｜订单增加无忧，上海数造基于云平台实现3D打印高效自动化运营

桌面级金属沉积技术、单头实现粉末和丝材打印、焊接切割功能的增减材一体化、多种金属材料的复合制造，当我们提及金属直接制造的创新技术时，这四种技术无论哪一项我们都可以将其称为创新级的增材制造技术。而新金属机设备厂商Meltio则实现了三合一颠覆性的创新。 Meltio采用了独创的3E金属沉积技术，这是一种LMD金属沉积技术的升级版本，能够自动同时使用金属丝、金属粉末或同时使用这两种金属而无需更换喷嘴，该技术可成型常用的材料，如钛、钢、铜、铝、铬镍铁合金等。用金属丝、粉末或通过将两种材料组合在同一零件中而无需更换喷嘴来制造零件，硬件的购置成本比当前市场价格低约50％至75％，并可以使用市场上任何可购买到的金属丝和粉末材料，成本降低多达10倍。从实验室研究到零件更换，Meltio可以打印从小零件到几米的大型零件，这使得该技术适应于军工、航空航天，汽车和大规模制造等各个行业。该公司已经在全球安装了约110台机器，为其客户提供价格合理且易于使用的混合制造能力，并实现了工业原型和模具制作，小批量、大规模制造以及维护和维修等应用。 以下为Meltio 3D打印机实现的应用案例： SS316L – 叶盘：• 尺寸：500 x 500 x 60 毫米•重量：9.15 公斤•打印时间：26 小时 25 分钟•打印成本：114.07 欧元 SS316L – 旋转螺杆压缩机： • 尺寸：75 x 75 x 230 毫米•重量：2.55 公斤•打印时间：7 小时 23 分钟•打印成本：31.81 欧元 SS316L – 海军螺旋桨： • 尺寸：φ600毫米•重量：12.1 公斤•打印时间：43 小时 40 分钟•打印成本：189.71 欧元 SS316L – 发动机歧管： • 尺寸：205 x 360 x 473 毫米•重量：5.22 公斤 •打印时间：19 小时 23 分钟•打印成本：95.86 欧元 Ti64 – 表盘： • 尺寸：53.37 x 44.59 x 10.85 mm•重量：29.22 kg•打印时间：5 小时 40分钟•打印成本：31.09 欧元 Ti64 – 飞机发动机支架：…

一种被称为快速液体印刷（Rapid Liquid Print)的凝胶/弹性体3D打印技术由麻省理工学院开发，可以使用行业标准材料（如软橡胶、硅胶和泡沫）生产柔性产品，无需重新加工或后处理。宝马使用该技术证明了该技术在汽车领域快速弹性体应用方面的巨大前景。近日，宝马公司风投机构BMW i Ventures牵头投资了该技术种子轮融资。 快速液体印刷是一种新的3D打印工艺，最初由麻省理工学院的自组装实验室开发，在凝胶悬浮液中以三维形式“绘制”液体物体。RLP团队获得了麻省理工学院的独家许可，其消除了设计限制，可以一次打印大尺寸的多个零件，并且比目前市场上的其他解决方案效率都高。。 △左右滑动查看更多 RLP可在几分钟内用橡胶、泡沫和塑料等高级材料生产大型物体，材料在打印时固化，然后只需最少的后期处理即可使用。传统的3D打印受到速度慢、构建量有限和材料质量差的限制，使其作为主流制造工艺变得不可靠。RLP技术可在几分钟内创建大型、弹性、密封和高质量的产品，从而改变了游戏规则。该团队目前在与世界各地的研究人员和行业领先公司合作，研究包括医疗设备、鞋类、家居用品、航空和汽车部件在内的应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.面向未来的战略技术：大型复合材料增减材一体制造及其关键要素 2.中科院化学所采用3D打印制备出极高性能的隐形眼镜结构 3.好打印机+好材料=好模型，最合适的3D打印材料应该如何挑选？ 4.从SpaceX到NASA，从赛峰到特斯拉，中国3D打印企业为何能走向世界？

飞机和航天器火箭发动机中的静态和旋转部件都受到极端性能要求和恶劣环境的影响，如高温、高压、腐蚀等条件。这些性能往往要求零件具备高度复杂的形状并由特殊材料制造，如压缩机叶片、涡轮叶片、导流器和叶轮等部件使用增材制造技术可以显著提高其性能。随着复杂性的增加，传统工艺的制造能力受到约束。而增材制造技术使设计师能够从使用传统制造技术常见的几何约束中获得更多的自由，从而允许设计更复杂的最终组件。 通用电气波音新型777X客机设计的下一代GE9X发动机，是有史以来最强大的商用喷气发动机。GE9X包含大量直接集成到发动机核心结构中的增材制造部件，其中228个低压涡轮叶片采用EBM工艺和TiAl合金制造，其重量是航空用传统镍基合金涡轮叶片的一半。对于GE9X发动机，这意味着与它的前身GE90相比，油耗降低了10%。 3D打印的GE9X TiAl合金叶片 西门子的一个案例研究强调了通过增材制造实现涡轮机械零件的可制造性。其在2009年对该技术进行了初始投资，2013年在燃气轮机中安装了第一个3D打印组件，2017年成功打印并安装了包含内部流道的燃机透平叶片。之后，他们继续评估使用3D打印技术（如L-PBF和EB-PBF）制造涡轮压缩机闭式径向叶轮实现商业应用的可行性。依靠成功的测试和监管部门的批准，径向叶轮在提高涡轮机械效率方面显示出了重要效果。虽然这些不是直接的航空航天示例，但它们很好地说明了高性能组件的制造潜力。 将近3000零件优化为68个3D打印的西门子燃气轮机演示器 发动机制造商Pratt&Whitney在过去25年中使用3D打印技术生产了超过10万个原型部件，目前为PW1500G发动机生产压气机定子叶片和环形同步支架，前者用于引导气流通过压气机。这些零件将用于庞巴迪C系列飞机发动机的制造。 晶格结构属于典型的轻量化设计手段，因此也引起了涡轮机械领域的兴趣。最近的一项研究表明，在压缩机叶轮上应用内部晶格结构可以减少质量和转动惯量。使用3D打印和Ti-6Al-4V制造的内部包含晶格结构的叶轮，可以通过减少打印过程中积累的残余应力来提高叶轮的性能。 包含晶格结构的3D打印叶轮 大型现代飞机发动机通常由数以万计的部件组成，虽然并非所有部件都可以通过3D打印技术制造，但除了核心涡轮和压气机叶片之外的许多部件都可以合理地使用该技术。霍尼韦尔航空航天公司完成了对其HTF7000系列飞机发动机应用的各种涡轮机械部件的研究。该研究不仅详细介绍了3D打印的高压涡轮应用，还详细介绍了机载喷射器、第二级高压涡轮喷嘴、雾化器护罩、进气增压耙和发动机支架的设计。这表明大量飞机发动机部件有可能使用3D打印制造。 航空航天领域最著名的3D打印应用仍然是通用电气LEAP发动机燃料喷嘴。截至目前，该喷嘴已经生产超过了10万个。由钴铬合金3D打印的燃料喷嘴已被安装于GE多种发动机上面。该应用取得成功后，GE在新的GE9X发动机上使用了数量更多的3D打印组件。GE9X发动机在七个多部件组件中拥有304个3D打印零件，因此，GE9X系列发动机上超过三分之一的部件是使用增材制造技术生产的。该发动机配备了28个LEAP发动机燃料喷嘴、228个低压涡轮（LPT）叶片、一个T25传感器外壳、一个燃烧混合器、8个气旋诱导器和一个热交换器，所有这些都使用3D打印技术制造。除LPT叶片和热交换器外，所有这些部件均采用L-PBF工艺由钴铬(Co-Cr)合金制成。 GE LEAP燃油喷嘴 能量沉积技术多被被用于制造大型金属结构。NASA使用该技术制造了重达2吨、高约2.8米、直径达2.43米的庞大火箭喷管，与传统的制造技术相比，3D打印使加工时间减少了50%以上。Relativity space则更加狂热，其开发了一种高度约9米的“Stargate”3D打印机，能够打印火箭燃料箱和发动机，借助一体化制造技术，它们所开发的火箭零件数量仅是同类火箭零件数量的1/100。 3D打印技术还被广泛用于修复损坏的组件，这可以显著节省航空航天应用中常见的昂贵组件的维护和制造成本，还可以减少对备件库存的要求以及对新零件制造前期的投资。进一步的研究表明，与传统方法相比，通过3D打印进行零件修复对环境造成的影响也显著降低。恢复整体叶片转子（也称为整体叶盘）的结构完整性可提供成本效益，这些部件的制造成本可能高达数万甚至数十万美元。借助3D打印技术修复的叶盘，通过旋转和低周疲劳测试，显示出良好的冶金、拉伸和侵蚀质量，使其能够获得认证。 使用LENS修复过程，（A）LENS系统修复过程（B）前缘修复后的T700叶盘（C）完成后修复的叶盘 NASA已经在多种应用中证明了3D打印复杂涡轮机械零件的可用性。集成有3D打印叶轮、泵蜗壳、叶盘、涡轮定子、出口导向叶片和喷嘴的火箭发动机涡轮泵已经成功进行了验证。该部件的零件数量相比传统制造方法减少了45%，并完成了转速超过 90000 转/分钟的旋转和发动机测试。值得注意的是，这些3D打印组件需要改进工艺，包括表面处理、材料特性、构建过程中支撑结构的应用以及尺寸公差等。 NASA使用3D打印技术制造的涡轮泵 END 航空航天是当今世界科技强国竞相发展的重点方向之一，其发展离不开兼具轻量化、难加工、高性能等特征的金属构件。激光增材制造技术为高性能金属构件的设计与制造开辟了新的工艺途径，可解决航空航天等领域发展过程中对材料、结构、工艺、性能及应用等提出的新挑战。 增材制造技术在航空航天动静态组件上的成功应用，已经改变了该领域零部件传统的设计思路，它所带来的效益提升是空前的，已发展成为提升航空航天设计与制造能力的一项关键核心技术。 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.航空航天领域增材制造四类典型结构及发展趋势 2.系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 3.几种主流陶瓷3D打印工艺的关键特点及航空航天应用面临的挑战 4.比钢强10倍，比铝高8倍|可用于航空航天结构件的3D打印连续纤维复合材料

在今年9月美国3D打印制造展览会（Rapid and TCT）和10月复合材料及先进材料展览会（CAMX）上，Thermwood公司展示了其大型增减材制造设备LSAM，并在现场成功打印出可用于航空航天复合材料成型的工装模具，向公众展示了其低成本快速响应复材制造的能力。 作为大型零件増材制造商，Thermwood开发了一种近净成形制造零件的方法，首先采用高速3D打印出尺寸比所需零件稍大的尺寸，然后裁剪到最终尺寸和形状。2017年，该公司与海军空中系统司令部的东部舰队备战中心签署了正式合作研究和开发协议，以合作开发大尺寸増材制造技术。2019年，Thermwood与美国空军研究实验室(AFRL)和波音公司合作开展研究项目——利用增材制造技术生产低成本快速响应模具，波音公司奥本工厂还拥有一台Thermwood大型聚合物增材制造系统，其具有6m的打印床，可以打印宽3m、长6m、高5 1.5m的零件。2021年，普渡大学建立了用于大规模3D打印的Thermwood LSAM研究实验室。 LSAM复合材料增减材设备及关键技术 LSAM是大型热塑性复合材料增减材制造设备，其标准型号配有固定的工作台以及可移动龙门架，在龙门架上安装有挤出式3D打印头和传统铣削头，使零件在同一设备上即可完成增减材制造，避免重新固定零件造成的误差。 LSAM 1540设备具有双龙门结构（工作台尺寸15英尺×40英尺，4.5m×12m） LSAM使用两步法的“近净成形”生产工艺。首先高速打印出比所需尺寸稍大的零件，然后通过精加工修整到最终尺寸和形状。这是3D 打印大型结构最快、最有效的方法。使用LSAM设备，可以在同一台机器上完成打印和精加工。若采用双龙门结构，可以在工作台的两端同时进行一个零件3D打印和另一个零件的铣削加工，从而进一步提高效率。 LSAM设备几乎可以加工任何热塑性复合材料零件，包括高温材料，如包括需在高温条件下成型的PSU、PESU 和 PEI等，这些材料非常适合必须在高温下条件下的模具和工具。系统集成了用于干燥和输送聚合物材料的液体冷却系统，以保持对重要系统的温度控制，这对加工高温材料尤为重要，因此能够生产高质量、完全融合的产品。这些材料也主要用于生产模具和工具，大部分用于航空航天和工业生产应用。 LSAM对两个零件分别进行3D打印和铣削加工 LSAM的关键技术包括以下几方面： 一是先进的打印系统设计。其打印头挤出机的大部分热量来自加热的机筒而不是螺杆旋转与打印材料产生的摩擦，与传统设计相比加热更为均匀且不需要更换螺杆来加工不同的复合材料；打印头使用特殊合金可支持高达450°C的加工温度；聚合物熔体泵由伺服驱动控制流量，形成均匀输出；其独特设计的压轮可实现打印层间无空隙，零件底部打印到特制粘板上，可消除冷却应力和零件翘曲。 螺杆挤出机 二是强大的控制系统。LSAM集成了一个控制系统，能够监控和调整实时温度，自动处理挤出和打印速度。当加载材料配置文件时，该聚合物的所有参数，如区域温度和压力限制都会自动设置；控制系统还能自动将熔体泵的输出与机器运动速度同步，确保尺寸绝对精确，无论机器加速还是减速运行； 温控压轮图 三是适用于大型零件增材制造的工艺软件。具有拐角回拉补偿等功能，可实现复杂零件编程并根据LSAM设备的打印特性进行自动调整。 特制粘板 LSAM独特的打印系统可生产高强度、完全融合、真空密封且几乎无空隙的零件。它不是实验室或演示机器，而是一个成熟的工业增材制造系统，完全能够用于生产大型组件。 波音验证LSAM可行性 近日，波音研究与技术实验室与Thermwood公司合作完成了一项由美国海军资助的项目，内容为应用大幅面增材制造工艺试制可适用于热压罐工艺的复合材料工装，验证其作为低成本、快速制造方式替代传统工装制造方法的可行性。所制造的热压罐需要足够耐用，能够承受180℃和586Kpa的多次固化循环。热压罐的尺寸约为1m x1m x 0.4m，波音公司采用LSAM1020设备和由碳纤维增强的PESU材料来进行零件打印，最红使用277kg的材料，用时7小时26分钟完成打印，并更换铣削头在53小时内完成最终加工，工装尺寸和表面质量达到了设计要求。经过多次热压罐工艺循环试验，工装的真空保持性、尺寸稳定性以及高温耐久性均可满足要求。该项目证明了LSAM设备在单一平台上进行增减材制造用于复合材料工装的能力，与传统制造方法相比，可节省约50%的成本，并将制造周期缩短65%。 LSAM设备打印可适用于热压罐工艺的复合材料工装 此外，Thermwood还层利用垂直层打印（VLP）专利技术成功打印出一个3.6米长的波音777x的修整工装，增减材制造总耗时约43小时，验证了LSAM设备的大尺寸低成本快速制造能力。在波音公司奥本工厂，还安装了一台具有6m的打印床的Thermwood大型聚合物增材制造系统。 波音777x的修整工装 END 复合材料制造是未来平台的一项战略技术，开发更具成本效益的工具解决方案将大大有利于生产制造。Thermwood凭借其3D打印的专利技术以及增减材一体的设计思路，提供了在一台设备上完成零件3D打印与精铣的能力，具有低成本和短周期的制造优势。凭借与此，该公司开发了当今行业中最大的复合热塑性增材制造系统，在航空航天、军事和国防、海洋与造船等行业获得应用。 注：本文内容来自航空制造网《前沿 | 新技术助力大型复合材料增减材制造》，作者：泊森。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.连续纤维+热塑性塑料，空客正在开发代替钛合金的3D打印高强复合材料支架 2.一种纤维铺放3D打印系统在速度、可靠性和性能方面处于行业领先 3.比钢强10倍，比铝高8倍|可用于航空航天结构件的3D打印连续纤维复合材料 4.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

核工业与航空航天工业都需要高质量、高强度的零部件。在航空航天业，3D打印技术已经被证明从防燃的塑料件打印，到飞机隔离舱的金属结构件打印，再到喷油嘴这样的功能部件的打印是可靠、而且可行的。同样，3D打印技术在核工业领域具有不容忽视的潜力。 国外橡树岭实验室、西屋电气公司、法马通公司等核电巨头都在积极研发3D打印技术，中国中核北方核燃料元件有限公司、中国核动力研究设计院等也在致力于该技术的核工业应用。本期，3D打印技术参考介绍增材制造技术在核工业领域的研究与应用情况。 1. 美国橡树岭国家实验室 美国橡树岭国家实验室(ORNL)正在牵头实施“转型挑战反应堆”(TCR)建设计划。TCR计划于2019年启动，目标是集成3D打印等先进制造技术、新材料、计算科学等领域的最新研发成果，将于2023年建成一座微型反应堆。该计划将充分利用橡树岭在设备制造、材料、核科学、核工程、数据分析及相关领域的创新能力。 TCR的3D打印 橡树岭表示，TCR将使用新型先进材料，并采用一体化的传感器和控制部件，建设一座先进反应堆，目标是依靠科技进步降低反应堆造价，并为反应堆的设计、制造、取证和运行开辟一条新的道路。TCR计划完成多项基础实验，包括堆芯设计的选择以及为期三个月的“冲刺”。后者的主要目的是证明将3D打印技术用于快速制造原型堆芯的敏捷性。研究人员未来将进一步优化已选定的设计和流程。 TCR打印的模型 TCR堆芯位于使用传统技术制造的不锈钢压力容器中。堆芯由氮化铀三元结构各向同性燃料和堆芯结构件组成，堆芯结构件使用3D打印技术制造，材料为碳化硅。燃料块布置在不锈钢结构中，并与氢化钇慢化剂混合在一起。氢化钇慢化剂能够最大限度地减少实现临界所需的高丰度低浓铀数量。TCR将成为橡树岭建设的第14座核反应堆。 TCR团队对堆芯进行神经网络分析  2020年5月，橡树岭国家实验室宣布：核电反应堆核心3D打印技术取得了阶段性突破，后期，实验室的研究人员不断改进设计，优化工艺，并论证打印部件的一致性和可靠性。ORNL实验室主任表示：挑战3D打印反应堆组件是以前从未有过的方式，是制造学、材料学、核科学、核工程、高性能计算、数据分析与其他相关领域共同合作的成果。 这张照片显示了具有双壁包层和冷却通道的燃料元件，其中包含高表面积和螺旋形导向装置 TCR技术总监表示：目前的核形势非常严峻，此类3D打印技术可以为核领域的快速创新提供帮助。3D打印核反应堆作为TCR部署计划的一部分，将为先进核能系统的加速部署提供一个新的模式。除此之外我们还将创建一个数字平台，帮助将技术移交给其他工业，方便用此类技术快速制造零件。BWXT核运营集团有限公司已获得美国能源部橡树岭国家实验室的合同，生产TRISO核燃料，以支持“转化挑战反应堆”(TCR)的持续开发。 用于法马通沸水反应堆燃料组件的3D打印通道紧固件由ORNL制造 2020年12月，TCR项目制造的3D打印槽形通道紧固件首次装入位于华盛顿州Richland的法马通核燃料制造工厂的Atrium 10XM沸水反应堆上，用于将燃料通道固定到组件格栅。除此之外，美国阿拉巴马州田纳西河谷管理局 (TVA) 布朗斯费里核电站 2 号机组也已经安装了四个3D 打印燃料组件通道紧固件。这些组件都是在橡树岭国家实验室的制造示范设施中生产的。2. 西屋电气公司除了橡树岭国家实验室外，美国西屋电气公司(Westing house)2020年5月4日宣布，在2020年春季停堆换料期间，拜伦1号机组已成功安装使用3D打印技术制造的顶针堵漏装置。这是全球首次在反应堆堆芯安装3D打印构件。 拜伦1号机组中的顶针堵漏装置  SiC燃料棒通常具有非常粗糙的表面，对于水平凹坑设计，尤其是在大多数压水反应堆网格中通常使用的水平凹坑设计，存在潜在的损坏隐患。西屋电气设计了一种新的燃料组件隔离栅设计，并通过3D打印一次性将结构作为一体化组件制造出来。西屋电气设计的间格栅具有沿着细长燃料组件的竖直轴线的轴向尺寸，核燃料组件格栅包括多个管状燃料棒支撑单元，具有四个横截面通常为正方形的壁。在相邻的燃料棒支撑室或控制棒支撑室中，每个壁有内部支撑垂直弹簧。西屋电气还考虑了一种混合叶片，该混合叶片在燃料杆支撑单元之间的区域中，连接至燃料杆支撑单元的外部。 西屋公司3D打印制造的燃料格栅  通过引入3D打印技术，可以在不进行进一步组装或焊接过程的情况下打印西屋电气开发的格栅。与现有的格栅设计相比，新的设计允许SiC型燃料棒的平滑插入，同时还带来低压降。增材制造技术使得格栅设计允许：1)实施高度精细但完全集成的混合功能，从而增强热和水力性能;2)最小化总压降;3)提高整体网格强度以应对震动。 3. 中国核动力研究设计院 中国核动力研究设计院是国家战略高科技研究设计院，被喻为中国核动力的工程摇篮。该院于2015年已经对ACP 100反应堆压力容器实现了3D打印制造，然而中国核动力研究院的何戈宁主任指出，到目前为止，核级的3D打印部件在中国国内鲜有应用。经过多年实践，该院总结出3D打印技术应用的三个痛点：1)DFAM缺乏：基于3D打印设计的缺乏。之前的尝试是快速原型，有什么打什么。2)系统性规划的缺失：对于整个3D打印应用的价值规划产业规划都是缺失的，做了一些零敲碎打的工作，很难实现批量化的应用。 3)标准规划的缺位：核能领域是个特殊的领域，核安全和传统的工业安全相比，对于国家、国民经济的重要性是不一样的。怎样能够建立一套标准规范体系，在这个标准规范体系下来推进3D打印的应用，是需要重点关注的内容。 3D打印的工艺样件试验件 在以往工作的基础上，核动力研究设计院选择了换热设备作为代表，系统性的开展了DFAM的设计，并希望能够以这个点来个撬动整个3D打印在核能领域的应用。该项目拿到了工信部一条龙的应用示范。基于3D打印思维完成了模块化、高效换热设备的设计，与传统的换热设备相比，重量、体积、零部件数量、制造周期均减小90%，制造成本降低了50%。根据核动力研究设计院的梳理，3D打印在核能领域的应用前景非常的广阔，包括用3D打印来做减隔振、高效泵阀部件。对于一些结构件的一体化设计、减重设计，燃料组件等一些关键功能部件也可以用3D打印来实现性能提升。未来，核动力研究设计院希望能够与增材制造产业链上的各个优秀企业深入合作，推进3D打印在核能领域的应用。 除核动力院之外，2020年上海航天设备制造总厂激光增材制造团队完成了核电站堆内关键构件增材制造。据悉，此为世界上最大尺寸的增材制造核电站堆内关键构件，突破了大尺寸构件增材制造应力变形控制核心技术，形成了一套成熟的工艺规范，实现高效率高质量成形，展现了增材制造技术的应用潜力和团队技术实力。4. 法国法马通公司2015年，法马通公司(Framatome)在德国埃尔兰根实验室启动增材制造项目，项目重点在于使用3D打印技术制造不锈钢和镍基合金燃料组件。来自法国、德国和美国的燃料专家参与了该项目，欧盟及美国能源部也对该项目予以支持。法马通计划使用增材制造技术为压水堆、沸水堆和VVER机组生产燃料组件。法马通强调，该技术还可用于其他核燃料方面的应用，包括快速成型、试验组件和燃料生产线工具制造、堆内燃料检查和服务工具修复等。 瑞士戈斯根(Gösgen)核电厂 2020年11月，法马通突破性的3D打印核燃料元件完成了反应堆的首个辐照检测周期。这些实验性不锈钢和镍基合金部件于2019年载入瑞士的戈斯根核电站，这些部件一共需要通过五个辐射检测周期，从而确认这些组件在实际操作条件下的性能表现。后续将对辐照后的燃料组件实施进一步检查，从而确认其在实际运行工况下的性能。5. 俄罗斯原子能公司俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)计划将先进3D打印技术作为其非核心业务战略的一部分，根据该公司的计划，其最新的3D打印业务将首先用于其核电领域，然后再延伸到其它业务部门，而且这一3D打印业务将使用由其自行开发的创新金属粉末材料和工业级3D打印机，该公司的很多部门都提出了在本部门中可以使用3D打印技术制造的零部件种类。截至2020年，3D打印已经成为了Rosatom非核业务的领先技术之一。Rosatom拥有提供增材制造服务的所需要的大部分专门知识技能，制订了关于设备、材料和技术的计划，来帮助将任何设计思想变成最终的产品。公司还专注于测试3D打印部件以确保其可靠性和安全性，这样它们才能够抵御很高中子通量的辐射。6. 其它机构2016年6月份，通用电气和日立核能(GEH)联合启动了用3D打印来制造核电厂所需零部件的项目。这些零部件诞生后会被送到美国爱达荷国家实验室(IDL)接受核辐射测试，然后与未受辐射的材料进行比照。由于极具前景，这个项目已经获得了美国能源部200万美元的资金支持。 西屋公司3D打印制造的核电零件 GEH发言人表示，在这个项目中，3D打印技术带来的好处显而易见，比如能大大简化零部件制造流程从而将制造时间缩短十倍左右。虽然受限于3D打印机的尺寸，GEH目前能实现的最大构建体积只有400立方毫米左右，但对于一些小尺寸部件，比如碎片过滤器、沸水反应器，以及抗震动喷射泵来说，这已经足够了。另外，对于新建的核电厂来说，3D打印技术还可用于制造精细运动控制棒驱动器。通用电气利用3D打印技术进行原型设计，设计了GNF2核燃料组件，如下图所示，该组件改进了杂物滤网，显著降低碎片接触燃料棒的概率，提高了可靠性，并降低运营成本。 GNF2 燃料组件 GNF2核燃料组件及其杂物过滤网 德国西门子公司(Siemens)2017年将3D打印消防泵叶轮安装在斯洛文尼亚克尔什科核电厂，至今一直持续安全运行，实现3D打印设备在商业核电厂的首次应用。3D打印核电站消防水泵用叶轮2019年早些时候，瑞典两家3D打印企业Additive Composite公司和Add North 3D公司联合发布了适于核工业辐射屏蔽应用的新型碳化硼复合丝，可以用来作为核电站的屏蔽材料。结语3D打印是近几年兴起的一种新型制造技术，在核能领域有着广阔的发展前景。国外核电巨头都开始积极布局，并生产了部分3D打印部件用于核反应堆。未来，海陆空天都可能对先进核能有应用需求，对于装备的高效、紧凑、小型提出了前所未有的挑战，这些特点却是3D打印技术的优势。注：本文主要内容来自高端装备产业研究中心，3D打印技术参考补充，转载已获授权。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.深圳大学&核工业西南物理研究院 | 采用3D打印制造核聚变陶瓷部件 2.3D打印在航空领域的最新应用案例 3.考虑工艺约束的3D打印自支撑晶格用于中国新型超轻航天器结构 4.美空军和GE公司的金属3D打印探路者计划达成下一个里程碑

在粘结剂喷射金属3D打印过程中使用超细粉末是获得高质量最终零件的重要保障。因为粉末越细，越有助于有助于颗粒之间充分烧结，形成致密、均匀的微观结构，从而获得可靠的形状和性能。 然而，处理超细粉末存在很大挑战。首先，很难将它们均匀地铺展在粉床上，这些细小的颗粒很容易堆积结块；其次，当粘结剂沉积在粉床上时，还会出现波纹或者移位；此外，要覆盖的表面积越大，创建统一的打印环境就越困难。ExOne指出，在使用粘合剂喷射技术进行金属零件3D打印时，必须严格控制铺粉过程。3D打印机的稳定性将会在烧结后的零件中充分显现出来，同时会暴露粉末熔融过程中的所有缺陷。 ExOne指出，使用粘结剂喷射金属3D打印技术必须保证以下几点： • 打印机必须保障能够铺设薄而致密且均匀的粉末层； •打印头必须将粘结剂精确地沉积在需要发生颗粒结合的粉末床上； •在开始下一层之前，已打印层必须足够干燥，以便所需的颗粒部分粘合在一起，并且打印区域不能太湿。 本期，3D打印技术参考主要介绍ExOne如何控制超细金属粉末良好分配、均匀摊铺和压实粉末床，这些因素是ExOne实现高质量零件和可重复性制造的重要因素。ExOne获得专利的三重压实系统解决了三个最重要的问题：对粉末进行分配、摊铺和压实，以创建薄而均匀的粉末层。这是一个三重解决方案，其每个功能在设计上都是独特的。 1. 粉末沉积—独特的超声波料斗 为解决粉末结块和粉末扬尘问题，多年来ExOne使用了几种不同的沉积方法。最初，机器使用并排的盒子系统，垂直分配粉末，然后将粉末散布在打印区域。 为了取得最佳效果，ExOne工程团队研究了其他细粉加工行业使用的粉末处理技术。他们发现使用震动和脉冲系统，以特定的节奏来管理和移动细粉。但这种方法也有局限性：大多数粉末沉积系统用于将粉末放置在一个狭窄的位置，而不是整个打印区域，因此ExOne发明了一种独特的解决方案。 超声波料斗的运行过程 ExOne开发并改进了Triple ACT系统的第一部分：料斗设计。当粉末快速穿过打印床的跨度时，超声波振动释放高度受控的粉末量，该步骤旨在大的构建区域范围内释放出足够的粉末颗粒。之后，会进入到系统的第二部分功能，均匀铺展粉末。 2. 粉末铺展—具有滚花设计的新型辊筒 ExOne过去在小尺寸设备上一直采用传统的铺粉滚将粉末摊铺并压实，这种结构取得了有限的效果。但随着成型尺寸扩大，该装置确实仍在一定程度上有助于粉末的均匀分布，但它实际上对将粉末压实更有效。因此，传统的铺粉机构在大尺寸打印范围内无法实现均匀一致的粉末铺展效果。 带有滚花设计的新型辊筒 滚花设计有助于粉末传动 因此，ExOne的团队决定将粉末摊铺和压实功能分开，为每个步骤使用两种新的辊筒设计。新的铺粉辊具有特殊的滚花设计，能够增加与粉末表面的摩擦和接触。这种特殊的表面有助于在一定的高度设置下以一致的方式均匀地拾取和摊铺粉末，确保粉末以一致、均匀的方式铺展。 3. 零件致密化的最后一步—粉末压实 三重压实系统的最后一步就是压实上一步均匀铺设的粉末。目标是将颗粒紧密地压在一起，这样当喷头将粘结剂喷射进入颗粒之间时，它可以形成最致密的粘合。 但是，压实的压力也不能太大，否则可能会损坏上一层刚刚打印完、尚未完全固化的图层。虽然每层都会在喷射粘结剂后进行加热，但在铺设新的粉末层之前，该层并未完全固化或干燥。 粉末压实辊 三重压实系统的整个铺粉过程 打印、烘烤与铺粉 就比如，在海滩上的潮湿沙堡中添加一层新沙子，然后用辊子将其压平，必须使用刚好足够的力来压实，否则下层就会被压碎。在粘结剂喷射中，这些已经打印的层对X、Y和Z方向的破坏非常敏感，压实力以及在压实作用下Z轴的精度必须严格控制。 此外，ExOne的三重压实系统还有助于获得更好的表面质量，避免了粉末分散和移位。 ExOne采用粘结剂喷射技术完成烧结的金属零件 关于铺粉过程对零件质量的影响，滑铁卢大学进行了相关研究，并发表在杂志《Additive Manufacturing》上，证实了铺粉辊系统对粘结剂喷射流金属3D打印部件增加生坯密度及提高质量是至关重要的。同时，粉末层的压实也有助于最大限度地减少液体粘结剂在零件区域外的渗出，这种渗出效应可能是有害的，因为它可能会导致层移。 END 综上所述，ExOne的精细粉末分配、摊铺和压实系统提供了业界领先的零件密度和生产3D打印所需的可重复性，尤其适用于在更大的构建区域内进行生产。 ExOne的三效系统可实现97%或更高的密度，并且在整个制造区域的零件密度变化仅为0.3%——相比ExOne带有传统的铺粉机构的系统提高了90%。 参考文献：https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.10.015欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.Desktop Metal如何保障粘结剂喷射金属3D打印质量的均一性和可重复性 2.GE增材：四年来，通用旗下多部门支持转向粘结剂喷射金属3D打印技术 3.粘结剂喷射3D打印：高DPI并不意味高精度，五个因素是关键 4.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