10月19日，英国航空发动机制造商罗罗公司宣布，其正在通过3D打印技术设计和制造新型UltraFan发动机演示样机的关键结构，该发动机是罗罗未来民用航空发动机的标志性技术，将有助于重新定义未来数十年的可持续航空出行。 此次3D打印制造的结构为尾部轴承座 (TBH)，它是发动机内的关键结构部件，也是将发动机连接到飞机并承载所有相关载荷的两个部件之一。 3D打印制造的尾部轴承座 (TBH) UltraFan发动机演示样机是未来发动机系列的基础，具有增强的核心能力和新的齿轮结构，其效率将比第一代遄达发动机高25%。罗罗子公司ITP Aero使用增材技术为第一台UltraFan演示发动机设计并制造了尾部轴承座，采用自己的设计和制造标准使其能够更好地利用能源和原材料，与当前一代的生产流程相比，其制造成本节省了 25%。 TBH是一种关键结构部件，旨在承受所有操作条件下的负载。它包含支撑风扇轴的部分轴承，而风扇是发动机的主要推进元件。UltraFan TBH的可拆卸消音板也通过3D打印制造，可将涡轮机的声噪降低50%，降噪将成为未来技术的关键驱动力，罗罗计划在2050年实现约65%的降噪目标。 除了尾部轴承座采用3D打印技术之外，UltraFan发动机的中间压缩机壳也采用3D打印制造而成，GKN旗下航空航天公司负责设计和制造了该结构。 3D打印的UltraFan发动机中间压缩机壳 然而，罗罗并未公布3D打印零件的具体尺寸、材料以及打印机信息，但从结构上看，无论是尾部周承座还是中间压缩机壳，都属于多部件集成而来的一体化、大尺寸零件。3D打印在该领域能够发挥重大作用，能够将几十上百个零件合而为一。以GE Catalyst发动机为例，它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，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％，显示出3D打印集成制造优势。 GE 3D打印的中框结构 传统上，此类部件过去多由多个零件通过焊接、螺栓连接等方式组装而成。如今，工程师通过结构优化，能够将该原来的零件集成在一起，形成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，只有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。 一体化结构实现带来的制造效率和供应链结构优化效应同样非常明显。以GE Catalyst中框组件为例，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，对于正在研发过程的罗罗UltraFan发动机尤其如此，3D打印将加快其研发速度。关于3D打印的使用以及在UltraFan计划中的作用，ITP Aero技术与工程执行总监表示，“通过对增材制造技术使用完善了我们专注于数字化制造的进程，并使ITP Aero成为更灵活、更有弹性和可持续发展的领导者，我们很自豪能够将这项技术应用于UltraFan等项目。” 铂力特大尺寸演示样件（820×820×400mm） 大尺寸零件的高精度3D打印不仅需要集成化的设计，同样离不开如今新一代的大型3D打印机。目前国际范围内可知的商用机型包括： GE：Concept Laser X Line 2000R，打印尺寸为800 x 400 x 500mm；SLM Solutions：NXG XII 600，打印尺寸为600 x 600 x 600mm；易加三维：EP-M650，打印尺寸为655 x 655 x 800mm；铂力特：BLT-S800，打印尺寸为800 x 800 x 600mm；华曙高科：FS721M，打印尺寸为720 x 420 x 420mm。融合增材制造高柔性设计优势与增材工艺适应性原则，通过整体化设计，集成典型轻量化特征、空间多尺度结构、异性曲面及流道等复杂特征，3D打印能够实现大尺寸部件与局部灵活可动性特征的整体制备。未来，将在航空航天和汽车制造领域发挥重要作用。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.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 2.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 3.视频回放：如何使用nTopology智能平台助力增材设计 4.增材制造用铜及铜合金材料发展现状概述

奥地利工程公司和OEM初创公司Incus已与欧洲航天局（ESA）建立合作伙伴关系，探索如何处理月球表面可用的废金属用于制造月球站3D打印备件。 陶瓷3D打印专家Lithoz和德国航天技术集团（OHB）也将参与这个为期18个月的项目。在此期间，合作伙伴将在微重力环境中共同开发和测试Incus基于光刻的金属制造(LMM)3D打印技术，并评估处理月球表面可用废金属以生产高质量零件的可行性。 自给自足的备件供应能力促使欧空局调查从生产废料和报废部件中提取的现有月球表面材料的使用和再利用可能性。能够使用这些资源为月球航天器等制造备件，可以显著降低来自地球的货运任务的成本和数量，同时最大限度地减少生产浪费。 基于LMM工艺的3D打印材料 Incus基于光刻的LMM金属3D打印工艺，根据光聚合原理生产高精度零件生坯，其原料为金属粉末和光敏聚合物的混合体。通过掩模曝光，可以精确快速地成型整个层面，聚合物粘结剂选择性的在局部交联，将金属粉末粘结在一起；打印完的生坯经历脱脂和烧结后可以形成致密化的零件。Incus的技术能够处理“不可焊接”金属，粉末颗粒的尺寸可小至20µm。 该工艺所生产的零件具有与金属注射成型制造的零件相似的材料特性和“出色”的表面质量。现在，通过与ESA、Lithoz和OHB的最新合作，将在微重力环境中探索该工艺生产空间站或月球站备件的使用潜力。 通过LMM工艺生产的3D打印部件 Incus的LMM技术被选择用于该项目，因为它能够从回收的金属废料中生产备件。合作伙伴希望这种能力可以潜在地利用月球上可用的废金属回收粉末，该项目将测试LMM技术在太空中的使用能力。 除此之外，LMM工艺使用糊状物或悬浮液作为原料，不依赖于使用高度球形的气体雾化粉末或支撑结构，与此同时，打印的组件不需要复杂的后处理过程，增加了工艺的易用性。 Lithoz材料开发主管表示，Incus和Lithoz开发的光刻技术允许将高精度3D打印与高性能金属和陶瓷相结合，同时仍然保持极高的资源效率。虽然这些技术在地球上能够成功应用，但该项目对于填补技术空白和在太空环境中实施增材制造至关重要。 通过LMM工艺生产的3D打印部件 该项目的最终目标是评估如何通过LMM技术处理月球表面可用的废金属，以在零废物过程中生产高质量零件。在18个月的时间里，合作伙伴将探索太空环境的限制（例如金属粉末可能被月球尘埃污染）如何影响打印过程。 该项目还将评估杂质对烧结和打印部件最终微观结构的影响，以确定微重力下LMM工艺的最佳粘结剂含量和类型。通过这种方式，合作伙伴将寻求在空间中为备件生产开发可持续的制造链。 OHB系统载人航天系统的相关人员表示，“通过利用现有的月球表面材料和回收月球基础废金属来减少我们对地球的依赖是保证可持续定居的唯一解决方案。该项目和LMM工艺便是为此进行的探索，并有机会获得成功。” END 近年来，多个国家航天机构在寻求在月球上建立永久存在时，增加了对增材制造的兴趣。因此，关于如何利用风化层等现场材料制造相关结构的研究工作已经升级。 来自布伦瑞克技术大学的科学家探索了在零重力下使用月球风化层进行3D打印的可能性；而美国建筑公司ICON近期获得了NASA的合同，以开发太空结构3D打印机；俄罗斯航天局已经试验了由月球材料制成的3D打印结构；美国宇航局正在进行采用月球风化层3D打印建筑结构的可行性。 未来，中国也将建立月球永久基地，而此前由嫦娥五号带回的月壤将成为我国开展相关3D打印研究的重要基础。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.基于立体光刻的超精密金属3D打印技术 2.迄今最高：立体光刻3D打印强度超1GPa的氧化铝陶瓷 3.专访中科院太空制造技术团队：介绍太空立体光刻3D打印的意义 4.金属3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP

尽管基于激光的3D打印技术通过极大地扩展设计复杂性彻底改变了金属零件的生产方式，但不可否认传统上用于金属打印的激光束尚不完美，可能导致缺陷和较差的机械性能。劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员正在探索高功率激光打印（如粉末床激光熔融L-PBF）中常用的高斯光束的替代形状，以解决此问题。他们的最新研究被发表在《Science Advances》上。 传统高斯光束的缺点与贝塞尔光束 据LLNL研究人员称，在L-PBF 3D打印过程中使用高斯光束会导致激光与金属粉末相遇处产生较大的温度梯度和复杂的熔池不稳定性。传统激光光束会产生强烈的蒸气，并在构建过程中在金属基底中形成一个深腔，即形成钥匙孔。匙孔会在熔池中产生气泡，形成气孔，导致成品零件的机械性能下降。 近年来，该领域进行了大量研究以减少金属激光粉末床熔融过程中产生的缺陷，如使用LED光源代替激光器来熔化粉末、开发“智能”基板以及更好地平衡构建室内的热量以减少组件的残余应力和变形。 而LLNL 的团队在正在研究相对低成本的激光束整形方法来增强L-PBF打印工艺并减少打印金属部件的孔隙率。 高斯和贝塞尔光束形状的强度分布 LLNL研究科学家Tumkur Umanath表示，使用高斯光束特别像用喷火器来烹饪食物——难以很好地控制热量在目标材料周围沉积。而使用贝塞尔光束，则可以显著扩展激光扫描参数，避免传统光束带来的诸多问题。通过将一部分能量从中心重新分散出去，从而可以设计热剖面、降低热梯度，以助力微观结构晶粒细化，最终形成更光滑的表面、获得更致密的元件。 传统光束的另一个缺点是它们在传播时易衍射，而贝塞尔光束因其非衍射特性提供了更大的焦深。研究人员使用贝塞尔光束时观察到工件相对于激光焦点的贴装公差增加。对于工业系统来说，贴装是一项挑战，因为工业系统通常依赖昂贵且敏感的技术，在每层金属粉末沉积时，将其定位在聚焦光束的焦深内。 光束整形对熔池尺寸的影响（A - 高斯光束，B - 贝塞尔光束） Tumkur解释道，贝塞尔光束因其无衍射和自修复特性，已被广泛应用于成像、显微镜和其他光学应用中，但光束整形在激光制造应用中还未普及。这项研究解决了金属增材制造领域中光学物理和材料工程之间脱节的问题，通过整合、设计光束形状来实现对熔池动力学的控制。 3D打印表面更光滑、孔隙率更低的超高密度部件 为了获得贝塞尔光束形状，LLML研究人员将激光穿过两个锥形透镜进行整形，然后让它穿过其他光学器件和扫描器，在中心光束周围形成环状。研究人员使用实验室的商用3D打印机，用该实验装置从不锈钢粉末中打印出了立方体和其他形状。 轴棱锥对安装在聚焦光学元件之前，以在焦点（打印）平面上生成零阶贝塞尔光束分布 为了研究激光束整形实验的效果，研究人员使用了高速成像。对熔池动力学的观察表明熔池湍流显著减少，而飞溅（在构建过程中从激光路径飞出的熔融金属颗粒）也显著减少。飞溅往往会导致金属3D打印部件中的孔隙形成，因此减少这种影响的事实可能是改进L-PBF工艺的积极因素。 当使用贝塞尔光束进行打印时，熔池纵横比更大，并且在广泛的扫描参数空间中出现锁孔的倾向显著降低 单道扫描过程中，飞溅物的喷射速度 该研究的首席研究员 Ibo Matthews 表示，长期以来，业界一直在寻求提高对L-PBF 过程控制的能力，以最大限度减少缺陷。在激光传播路径中中引入复杂的结构增加了灵活性，可以精确控制激光与材料的相互作用、热沉积以及最终的打印质量。 该团队还进行了各种机械研究和模拟，发现使用贝塞尔光束比传统高斯光束制造的零件更致密、更坚固，并且具有更强大的拉伸性能。 研究人员模拟了高斯和贝塞尔光束与金属粉末单道扫描过程中的相互作用，其中贝塞尔光束表现出比高斯光束更好的热梯度。因此，据估计这会促进更好的微观结构形成，同时避免产生“热点”——它是形成深熔池并形成孔隙的重要因素。 光束整形对机械性能的影响：用 ( A ) 高斯和 ( B ) 贝塞尔光束打印的立方体的平均表面粗糙度值 ( S a )，作为各自相对密度的函数。数据点颜色映射到入射能量密度 (Δ H / h s ) 值。BD 表示原理图中的构建方向。使用 ( C ) 高斯和 ( D ) 贝塞尔光束打印试样的屈服应力 (YS)（黑色标记）和均匀伸长率（UE） 通过结合简单的光学元件进行光束整形来提高L-PBF 3D 打印金属部件的质量，具有更高的成本效益。同时无需使用高斯光束构建的部件所需的昂贵且耗时的后处理技术。 “光束整形只是LLNL正在研究的提高3D打印金属零件质量的诸多途径其中的一个，该方法通过整合简单的光学元件，可以减少高斯光束制造零件通常需要的后处理技术所涉及的费用、缩短时间，比交替扫描成本更具明显优势。坚固且无缺陷的零件生产以及以经济高效的方式印刷大型结构是大势所趋。为了使3D打印真正与工业标准兼容、超越传统的制造方法、避免交替扫描技术带来的集成性挑战，需要不断探索光束整形，使其广泛应用于各种金属的印刷，并将其纳入商业3D打印系统。” END 该项工作表明，贝塞尔光束等替代形状可以缓解LBPF技术中的主要问题——激光与金属粉末相遇时会出现较大的热梯度和不稳定的复杂熔池。 作为与通用电气全球研发中心持续合作的一部分，LLNL的研究人员目前正在试验其他光束整形策略，并计划研究复杂的激光束和偏振整形方法，以更好地控制零件的质量。 文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358#F6欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.GE增材：具有增强后处理和质量控制的金属3D打印 2.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 3.多位知名学者联合综述：金属增材制造过程中的微观结构演变和多阶段控制 4.高强铝合金在增材制造应用过程中的主要局限性和缺陷类型

随着人类探索深空的脚步不断延伸，航空航天等高性能构件需要在更极端的条件下服役。为了获得更优更强的整体性能、更优更好的行业解决方案，航空航天构件发展向大型化、一体化、复杂化迈进。 金属3D打印实现了相关材料制件的高性能、高精度、复杂结构等成形要求，成形产品在表面特性、几何特性、机械特性等关键指标均处于行业先进水平，具有“大（成形尺寸大）”、“优（优化设计）”、“特（新材料和特殊结构）”、“精（高精度）”的特点。而这些特点在本次航展期间表现的淋漓尽致。本期，3D打印技术参考揭秘展会期间，铂力特所展出的大尺寸3D打印航空航天金属零部件背后的制造密码。 1.支架缩比件 材料：铝合金 尺寸：φ940mm×60mm 重量：36kg 机时：36h 设备：W2520A 技术说明：针对支架尺寸大、轻量化、减振等需求，采用电弧增材制造技术一体打印支架优化结构，并结合减材加工保证产品精度。该支架缩比件直径940mm，在实际生产中，铂力特可打印出直径数米的支架。 该结构具有大幅面的薄壁筋结构，打印时易产生变形，导致尺寸加工余量不足；而且工艺上，成形路径复杂，易产生未熔合，弧坑、裂纹等缺陷，导致性能降低或不达标。针对这些问题，工艺人员提出了具体的解决措施：1.利用基材的尺寸对零件进行刚性约束；2.对零件基材进行适当预热，减少温度梯度；3.对零件结构进行分区，合理规划打印方式减少应力叠加产生的变形；4.打印策略优化，通过分块，分区扫描策略优化。通过以上措施，有效控制了整体变形情况。 2. 发动机集成件 材料：高温合金 尺寸：820mm×820mm×400mm 重量：567kg（零件+基材），27kg（零件） 设备：BLT-S800 机时：175h 技术说明：该产品以航空发动机为基本构型载体，融合增材制造高柔性设计优势与增材工艺适应性原则，通过整体化设计，集成了典型轻量化特征、空间多尺度结构、异性曲面及流道等复杂特征，并实现了大尺寸部件与局部灵活可动性特征的整体制备。 该产品充分体现了增材制造产品的创新性设计理念及BLT大尺寸复杂多特征部件的加工工艺能力，展现了金属3D打印在航空航天领域的集成化、轻量化创新性设计及工程应用方面的突出优势。 3.长征五号缩比模型 材料：钛合金 尺寸：400mm×400mm×1400mm 重量：55Kg（零件+基材）12Kg（零件） 设备：BLT-S500 机时：150h 为庆祝长征五号顺利升空，铂力特以长征五号为灵感，对其外形做相关优化设计，利用BLT-S500一次性打印成功。 技术说明：该模型是在长征五号外轮廓基础上重新设计的优化结构零件，将典型的优化设计结构集合在同一个零件上，具有大尺寸、薄壁等特征。零件总高度1400mm，表面由格栅框架和连续曲面构成，内部附有异形管路，外部带有不同特征舵翼结构。 该零件一体化打印成形，整个零件高1400mm，重量仅有12kg，充分体现了铂力特拥有大尺寸高精度结构突出的实现能力。 4. 动舵面（局部） 材料：高温合金 尺寸：690mm×110mm×48mm 重量：12.5kg 设备：BLT-S600 技术说明：采用SLM工艺整体制造，内部采用点阵结构填充，零件减重的同时满足强度的要求。 5.石油钻探岩密探头 材料：不锈钢 尺寸：Φ90mm×812mm 重量：20.534kg 机时：327h 设备：BLT-S511 技术说明：岩性密度探头尺寸较长且结构不规则，采用增材制造SLM工艺可将探头一次成形，大幅降低后续加工量和加工难度。加工方式的升级，至少可节约60%以上的加工周期以及20%的加工成本。仪器产能可提高60%-70%，探头表面硬度可提高5%-6%，显著提高产品功能和经济效益。 6. 钛合金框 材料：钛合金 尺寸：1200mm×800mm×150mm 重量：45kg 机时：120h 设备：LSF-XA-BLT-VI-003 技术说明：零件为复杂框板结构，基于激光送粉成形技术成形。相比于传统制造工艺，激光送粉打印技术可实现零件生产周期短、生产成本低、材料利用率高等优点。且各项力学性能均符合锻件指标，可达到使用标准，对提升我国高端装备制造技术水平和国际竞争力具有重要战略意义和社会经济效益。 然而，激光同轴送粉打印柜板类大尺寸钛合金并非容易，其存在两个主要难点：其一，打印过程中产生的内应力大，导致零件变形，甚至开裂。其二，打印过程中，非平衡凝固组织的控制及内部冶金缺陷的控制。 针对以上情况，铂力特通过优化激光的扫描策略进行一级打印模型的处理，可实现降低打印过程产生的内应力，降低变形开裂的风险；然后通过优化打印的工艺参数，可控制凝固组织的晶粒形态一级内部的冶金缺陷，结合特定的热处理制度，最终可获得综合力学性能与锻件相当的钛合金零件。 7. 创新设计树 材料：钛合金 尺寸：400mm×400mm×1100mm 重量：2kg 机时：192h 设备：BLT-S500 技术说明：该产品基于功能优先的3D打印优化设计，充分展示了3D打印在集成设计方面的优势：功能优先、集成设计、仿生设计、减重能力、极限结构成形能力等，在航空、航天、汽车等领域的应用有广泛的应用前景。 END 在往期文章中，我们已经证明3D打印技术在我国运载火箭、航天器产品的制造过程中发挥的重要作用，以及航天科技集团旗下多个单位为实践该技术所付出的努力与取得的成果。作为国内仅有的科创板增材制造企业，铂力特是我国航空航天领域强有力的金属3D打印机制造商与服务提供商。 在探索3D打印应用范围广度的同时，铂力特也在探索零件成形尺寸的极限，力求为大尺寸零件提供金属增材制造解决方案。所生产的BLT-S500、BLT-S600等大型SLM设备解决了我国大型航空航天精密复杂构件的生产制造瓶颈问题；BLT-S310型号设备也通过了空中客车公司认证，成为空客A330机型增材制造项目主要设备；2021年，铂力特更是推出了十激光器大幅面金属3D打印机BLT-S800，为支持航天制造提供了更多的可能性。 未来，3D打印技术将更快的推动航空航天产业的发展与进步。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读： 1.突出3D打印对航天制造的重要性：卢秉恒院士出席中国航天先进制造技术与装备发展论坛 2.“铂”之重器——铂力特推出十激光器BLT-S800 金属3D打印机 3.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 4.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择

粘结剂喷射技术诞生于上世纪90年代，其在制造速度和制造成本上都具有显著优势。该技术领域的独角兽企业Desktop Metal，自2015年成立以来不断凭借独特的技术特点和宣传能力成功造势。尤其是一段Production System™的运行视频，让整个3D打印制造领域印象深刻。 Production System™ 通过一种称之为anti ballistics的技术、打印条冗余和实时光学监测，实现零件质量的均一性和可重复性。结合视频内容及DM管网，3D打印技术参考对这些技术进行简要介绍。 1. 质量一致的粉末 无论粉末床熔融技术还是粘结剂喷射技术，都讲究粉末质量的一致性，它对于铺粉的均匀性以及零件的打印质量都会造成影响。 2. 振动式铺粉 粉末从料斗中洒落在粉床表面，然后由滚轴铺设并对粉床压实。官方指出，获得专利的anti ballistics技术旨在减少粉末床的干扰，大大减少3D打印过程中的可变性，同时增加了打印杆的使用寿命。这种专有的铺送粉过程保证了打印过程中粉末床的一致性并提高了整个粉末床的密度均匀性，从而保障了在单次和多次打印中零件质量的一致性。 恒定的铺粉过程保证打印床的一致性 获得专利的anti ballistics技术 - 旨在减少粉末床干扰 减少3D打印过程中层移和拖尾的方法 3. 打印条冗余 使用反捆扎机制（anti-banding）实现完全打印条冗余，打印条在各打印层之间重新对齐，确保可靠的粘结剂沉积避免打印过程中出现缺陷。这种机制消除了对基于喷嘴的硬冗余的需求，同时提高了可维护性。 打印条在层之间重新对齐 4. 实时打印床检查 顶置摄像头使用多角度成像监控每一层打印过程，包括打印缺陷和喷嘴性能，以此判断何时需要自动清洁打印头，最大限度地减少和防止每个构建过程中的零件缺陷。也有资料指出，这是喷头堵塞实时监测，喷头堵塞会造成产品中的缺陷，而实时的检测可以有效的避免这一缺陷的增加。 实时监控喷头状态避免缺陷产生 END 由于金属粉末并不会像在激光成型中那样容易粘附在零件表面，所以粘结剂喷射成型的金属零件无论上表面还是下表面均具有相同的表面质量，这对于零件的设计约束得到了进一步释放。可以说，粘结剂喷射技术所能成型的零件在复杂程度方面比粉末床熔融工艺可以更具灵活性。 然而，金属粘结剂喷射技术对材料、粘结剂以及打印工艺（包括粘结剂的喷射量、粉末中的压力分布、沉积时间等）、烧结制度、零件设计等等都有着重要的依赖关系。更多内容可参考《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》一文。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.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 2.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 3.基于粘结剂喷射和SLM的金属3D打印性能对比分析 4.ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印

导读：3D打印技术作为现代工业4.0发展的代表之一，让传统制造业的“智能化”又上了一个新的高度。在齿科细分领域，3D打印智能制造满足了齿科产品高度定制化的属性，一种高效、灵活的数字化生产服务模式油然而生。 随着口腔产业数字化深入，处于信息加工环节的齿科技工厂往往最先面临转型挑战。但目前来看，业界对数字化的理解和实践进程仍然参差不齐。 当前，美国整体口腔市场规模约占全球口腔市场规模的55%，义齿行业的数字化进程走在最前沿，已从对齿科3D打印应用的摸索，逐步进入到了快速规模化的阶段。 ▲2015-2030（估计）年美国及国内齿科护理服务市场规模（十亿美元） 美国技工厂经历了硬件的可行性筛选阶段，对于3D打印已有深度理解，选择变得更为理性，以诊所需求、高还原、多应用、可靠性、高效率等多维度导向，开始从单一应用向数字化流程变革转变。 据2021年上半年口腔医疗企业财报，义齿加工龙头企业“现代牙科”表现十分亮眼，上半年公司全球总收入约14.5亿-14.9亿港元，同比增长约61.7-66.1%，净利实现了500%的涨幅，数字化浪潮下的黄金发展机遇可见一斑。 Microdental laboratory，就是现代牙科在北美市场的技工厂之一，经过多年的摸索，产品不断开发与迭代，从曾经的3D打印“小白”，逐渐成为了如今精通齿科数字化的专家。 2020年，新冠疫情危机与数字化机遇共存。追寻Microdental laboratory在这之中的发展轨迹，解码其与中国3D打印行业独角兽企业黑格科技的“化学反应”，探究数字化转型道道难关如何突破。 1. 角色转换，找准定位 Microdental laboratory目前拥有夜磨牙垫、数字矫治器、颌垫、数字化全口义齿、种植模型等成熟的数字化业务，经过一步步的摸索和验证，摸清了3D打印各项技术工艺，对市面上的设备、材料厂商做了深入的研究。 如今，Microdental laboratory已与刚接触3D打印时不同，只关注打印精度、效率、材料、便捷性等产品属性，而是从业务需求出发，逐渐明白什么才是最适合自己的，找准“增长密码”。 • 高精度、高细节还原度，齿科未来升级风向 一直以来，齿科行业的质检难关就在于原始数据的精确度。最大化还原患者口腔环境和设计结果，才是提高货品质量的根本。尤其是今天，临床患者的个性化需求更加多元，对Microdental laboratory的柔性制造能力、出品还原度提出了更高要求。 •更大比重转数字化量产，已成全局规划考验 随着业务的扩张，Microdental laboratory不仅需要提升现有应用的生产效率，还期望实现拓展其他多应用线的批量生产。如今，“批量化”已经不是增加几十台、几百台打印设备，投资更多的人员和物理空间就能实现，而需要解决材料、后处理、市场需求协同性成长问题。关键难题在于：从生产平台、生产管理系统、到整个工作流的运作，是否能够支撑更多细分应用的量产需求？ •精度、效率双向均衡，技术升级成必然 Microdental laboratory曾使用美国本土市占率较高的3D打印机，以透氧膜来改善反复剥离的效率低问题。 然而，打印速度只是生产过程中的一个环节，酷炫的技术并没有带来整体效率的提升，货件的精度、细节度也无法达到满意的效果。 2020年，黑格科技推出大幅面、高精度DLP打印机——A2D 4K，正迎合了Microdental laboratory兼备精细化质量与高产能的需求。 A2D 4K打印机具有±26.8um极致精度，像素点逾800w，细节还原度达到微米级，打印成品表面细腻，这使All-on-6导板等多种复杂应用的落地成为可能。 ▲1k打印机与4k打印机的细节度对比 同时，206 X 116MM的超大幅面，满版打印数量更多，实现了高精度和高吞吐量之间的平衡。Microdental laboratory认为：“在材料及系统稳定性方面，黑格科技的解决方案更有优势，成品质量可靠，缩短了制作周期，确保客户的整体交付时效性，帮助我们率先实现了数字化小批量到大规模的量产转型。” ▲A2D 4K打印牙模矩阵 2. 危中“求变”，强势破局 2020年正值美国新冠疫情肆虐，口腔医疗行业受创严重，行业遭遇系统性洗牌，人力、技术、资本通通遭遇瓶颈，齿科技工厂面临市场利润萎缩的生存难题。 此时，Microdental laboratory也遭遇了前所未有的危机，短短几个月内陆续有员工感染、隔离，反复的停工停产，生产节奏被迫打乱；同时，在美国政府派发疫情失业补贴的背景下，新员工的招聘变得尤为艰难。 随着在岗的生产人员越来越少，货件出品的压力越发增大，加剧了业务运作的不稳定性，但存量的市场竞争并没有因为疫情而停下。 对Microdental laboratory而言：明天和意外，不知道哪个会先来。 此时，Microdental laboratory选择使用A2D 4K搭配自动化生产HiVE模组，成为了危机中的突破口。 ▲Microdental laboratory的A2D 4K+HiVE生产系统 A2D 4K+HiVE自动化生产系统，具有夜间无人化生产功能，可实现7*24小时不间断生产，1台A2D 4K能达3台A2D 4K的工作量，确保工作流高效稳定。 以往，Microdental laboratory员工需要在凌晨4-5点上班，生产牙模以推进下一步工序，加急件的情况下，甚至需要在前一天夜晚安排人员值守打印。利用HiVE模组夜间无人化生产，可将更多工作前置，员工下班前，根据业务量调整夜晚自动打印时间段，无需人工值守，第二天即可轻松验收。 Microdental laboratory倚靠确定性强的自动化系统，让数据流程取代人工的重复、低效性工作，不仅实现对医疗品质的精益求精，更是一种行之有效的系统管理方式。 在增强生产抗风险能力的同时，危机也能转化为转机。当市场大范围生产节奏停滞的情况下，Microdental laboratory的自动化系统依旧能够稳定量产输出，实现逆向超越竞品。 3. 洞察未来，乘势而赢 齿科数字化的赛道，拼到最后大程度拼的是系统组织能力。 对于Microdental laboratory来说，积极求变，不断满足医生端的日新月异的诊疗需求，才能保持领先，不仅限于业务层面，更是对赛道趋势变化的思考。 如今，黑格A2D4K+HiVE自动化系统已帮助Microdental laboratory实现3D打印的量产过渡，未来还能够平滑进行升级，承接更多应用，确保业务的可拓展性。 此外，黑格科技强大的生态系统，从材料、生产、技术到运维服务全链条的闭环解决方案能力，也是取得Microdental laboratory信任的重要原因。Microdental laboratory可依据黑格产品链条生态迭代升级，实现业务扩张转型，无需耗费重新试错的精力和成本，确保自己始终处于齿科技术的前沿。 ▲黑格科技数字化齿科全链条生态 齿科数字化浪潮已至，转型升级路上，道道难关道道过，齿科企业若不能及时跟上步伐，将意味着被超越，被边缘化，甚至被淘汰。 目前在北美市场，现代牙科旗下两家义齿技工厂已配备了6台A2D…

据新华社官微报道：近期，中国科学院上海微系统所陶虎团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚合作，成功用基因重组的蜘蛛丝蛋白3D打印出纳米机器人。相关研究成果被发表于《Nature Communications》。 据介绍，该技术加工精度可达14nm，接近天然丝蛋白单分子尺寸（~10nm），较之前技术提升了1个数量级。 蜘蛛丝蛋白是具有极好的弹性和强度的蜘蛛丝的主要构成成分，包含甘氨酸、丙氨酸以及少量的丝氨酸，加上其它氨基酸单体蛋白质分子链构成。 蜘蛛丝中的不规则的蛋白质分子链（非晶区），使蜘蛛丝具有弹性；蜘蛛丝中规则的蛋白质分子链（结晶区），又使蜘蛛丝具有强度。 实验表明，一束由蜘蛛丝组成的绳子比同样粗细的钢丝绳还要坚韧，它能够承受比钢丝绳还多5倍的重量而不会断裂。 蜘蛛丝蛋白优异的机械强度为复杂三维纳米结构提供了关键支持，良好的生物相容性允许进一步通过功能化，实现可载药、可驱动、可降解的4D纳米功能器件（时空可变形），在智能仿生感知、药物递送纳米机器人、类器官芯片等研究领域具有明确的应用前景。 由于在自然界中获取大量蜘蛛丝非常困难，该团队创新开发基因重组蜘蛛丝蛋白光刻胶，通过优化重组蜘蛛丝基因片段和分子量，结合基于百万级数量电子的大规模仿真模拟，实时控制加速电压调控电子在丝蛋白光刻胶里的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，实现了分子级别精度的真三维纳米功能器件直写。   据悉，该技术成果加工精度达到14纳米，这一技术有望用于智能仿生感知、药物递送纳米机器人等领域。 注：本文内容来自镁客网。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.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 2.史玉升教授团队顶刊综述：超材料的增材制造技术与发展趋势 3.美大学借助3D打印开发出新型轻便、可防止变形失效的超材料 4.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备

近日，深圳大学刘志远、陈张伟教授联合南方科技大学严明教授、香港城市大学吕坚院士、北京科技大学吕昭平教授以及深圳技术大学杨灿副教授，共同发表了关于金属增材制造过程中微观结构演变和多阶段控制的综述文章。3D打印技术参考注意到，相关作者均是本领域内的知名学者，联合发文的情况非常少见。 增材制造为生产具有特定部位微观结构的先进金属材料提供了极大的自由，该文章探讨了金属3D打印的基本过程，即熔池的形成和结合，提出了综合加工图，将熔池能量和相关的工艺参数整合在一起。基于凝固和位错理论，深入分析了多阶段组织的形成机制，提出了多阶段控制方法。此外，还简要讨论了潜在的原子尺度结构特征。通过调整工艺参数和合金成分来进行增材制造的微观结构设计，以实现该技术的巨大潜力。该文有助于对增材制造过程中微观结构演变进行全面了解，不仅建立了一个坚实的微观结构框架，更为采用金属3D打印在需要的位置得到特定的微观结构、调整材料的机械性能提供了有前景的指导方针。 加工参数和合金成分是决定增材制造微观结构的基本元素 增材制造过程形成分级显微组织 基于熔池形成和结合过程的综合加工图，增材制造的分级显微组织可分为凝固组织和后凝固组织。 （1）基于增材制造的基本过程，通过整合能量和工艺因素构建了熔池行为的新加工图，并划分为四个区域：I. 缺乏结合，II. 未熔合，III. 过程窗口，IV. 锁孔形成。稳定的熔化和熔池的充分重叠是生产优质金属部件的必要条件。 （2）凝固组织包括从先前沉积的衬底外延生长的初生柱状晶粒和沿晶界析出的第二相。初生晶粒的大小由温度梯度和凝固速度的乘积决定。当等轴晶粒在液相中形核的速度超过柱状固液前锋推进的速度时，发生柱状晶向等轴晶的转变。 （a）增材制造过程中熔池的形成和结合示意图。(b) 集成了能量和工艺参数的增材制造加工图。E*m和E*b 分别对应于将金属粉末加热到熔化和沸腾所需的能量 （3）凝固后的微观结构包括亚微米级位错单元和纳米级沉淀物。位错胞的物理起源是热应力刺激下的位错积累和聚集，这是由增材制造过程中不同层重复加热过程中的循环膨胀和收缩形成的。此外，通过人为增加层间时间，可以加强本征热处理，在已成型部分引发沉淀反应。 （4） 由于增材制造过程中的快速冷却，在原子尺度上获得了过饱和固溶体，从而使金属材料被额外强化。此外，当固液界面从前向流动逆转时，会在熔池后部留下额外的溶质，形成一种独特的偏析结构。 (a)增材制造和铸造过程形成的过饱和固溶体示意图；(b) 熔池边界处的成分波动 增材制造带来了前所未有的微观结构设计自由 根据位置调整材料特性，可以产生更有效的工程结构。因此，结构功能集成的智能组件可以通过增材制造来实现。对于单一金属，通过增材制造过程中的热历史控制，已成功调整了局部结晶晶粒取向、晶粒尺寸和晶粒形态，分别如下图(a-c)。 对于增材制造中的多材料位点特定微观结构，现阶段的一些可能组合如（d-h）所示，其中单一颜色代表单一合金，混合颜色代表从一种合金到另一种合金的冶金转变。最简单的结构包括两种不同成分的合金，通过离散的过渡步骤结合在一起（d）。例如，具有离散界面的马氏体时效钢-铜和马氏体时效钢-低合金钢双金属已经使用 SLM 成功制造。（e）显示了从一种合金到另一种合金的逐渐过多（具有不同的微观结构）；或者，材料组合物可以在不同位置的两种成分之间切换，如(f) 所示。在其他应用中，可能需要或甚至必须具有三种或更多种组合物 (g)。此外，可以将额外的颗粒添加到基体合金中以形成复合结构（h）。可以观察到，增材制造带来了前所未有的微观结构设计自由。 通过增材制造获得的 (ac) 单一和 (dh) 多材料的特定位置微观结构 从更广泛的意义上讲，工艺参数和合金成分是增材制造显微组织的两个决定性基本要素。在增材制造过程中，输入能量对金属粉末的熔化有直接影响，并通过熔池中的晶粒成核和生长来决定最终的凝固微观结构。熔池的重叠引起循环热处理，最终导致凝固后微观结构的构建，包括位错单元和纳米级沉淀物。此外，由于增材制造过程的间歇沉积方式，存在隐含的时间和残余应力因素，它们对微观结构演化过程也有显著影响，因此需要更多关注。 从合金成分的角度来看，底层合金成分通过溶质分布发挥内在影响，导致冷却过程中的成分过冷。具体而言，合金的溶剂原子在凝固过程中构成基本的周期性晶格。溶质原子是构成过冷的起源，对晶粒形貌有重要影响。可以添加其他微量元素以进一步调整3D打印金属材料的微观结构和机械性能。此外，可以在增材制造过程中通过成分修改来应用相位控制。这些基本的加工和成分因素通过增材制造过程中的热量和溶质重新分布相互作用，共同控制增材制造的微观结构。因此，在未来的研究中需要采用综合方法来发挥增材制造的巨大潜力。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.高强铝合金在增材制造应用过程中的主要局限性和缺陷类型 2.华中科大：开发用于增材制造的新型抗裂纹、高性能铝合金 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.通过相场模拟，获得金属3D打印过程中的晶粒演化特点，实现微观结构精准控制

近日，HP证实通过其核心的MJF多射流熔融3D打印技术累计生产的零件数量超过1亿件。该技术自推出以来，一直保持强劲的需求。惠普公司个性化和3D打印业务总裁 Didier Deltort表示，“过去 18 个月的经济、政治和医疗现状是该行业的分水岭。世界各地的公司希望更快地将新产品推向市场、提高供应链弹性并采用新的商业模式，3D打印技术的优势正在逐渐显现。” 汽车3D打印推动行业向前发展 汽车制造是众多正在经历数字化转型的领域之一，该行业正快速转向电气化、连通性、供应链本地化和供应商整合化。惠普正与全球数十家汽车制造商、供应商和生产合作伙伴，一同致力于采用MJF技术进行原型设计和最终零部件生产。 惠普MJF技术业务全球负责人表示，“汽车制造商在扩大3D打印技术的使用范围，该技术在制造传统工具、快速迭代功能原型、设计全新的个性化组件以及扩大全功能最终零件的短期生产方面不断发挥重要作用。客户正在利用MJF技术所提供的工业级能力——效率、可重复性、零件质量、成本效益等——来抓住这些不断增长的机会。” HP MJF技术生产的大型汽车零件 惠普与领先汽车制造商合作的亮点包括： 福特汽车：高度个性化的消费者体验市场正在增长，惠普将为2022款福特Maveric卡车和新的福特FITS开放式配件平台展示各种概念验证3D打印配件。惠普和福特还开创了可持续性合作伙伴关系，促进材料重复使用并生产汽车零件。 通用汽车：生产了多种MJF最终零件，包括凯迪拉克V系列的HVAC管道、Corvette C8的冷却管道，以及用于设计迭代、原型设计和服务的其他零件。 日产：制造商SOLIZE和HP以及日产合作，为日产的传统零部件计划按需生产已停产的替换零部件。 Nissan：制造商SOLIZE和HP以及Nissan合作，按需生产Nissan已停产零件。 大众汽车：第一家使用HP Metal Jet金属粘结剂喷射技术生产全功能最终用途结构部件的汽车制造商。采用该技术为 T-Roc Cabriolet 生产的A柱结构件已通过碰撞测试认证，重量比传统部件轻近50%。 大众汽车的 HP Metal Jet 应用路线图 惠普金属3D打印业务全球负责人Ramon Pastor表示，“大众等领先汽车制造商正在利用惠普的3D打印解决方案，将传统制造和规模生产转变为大规模生产，HP Metal Jet技术可以帮助客户解锁创新设计，最终更高效地生产性能更好的零件。” MJF解决方案的最新里程碑和突破性应用 生产合作伙伴：领先的服务机构继续投资HP MJF设备以扩大其生产能力。服务商Forecast 3D利用34台HP MJF打印机，为Syng 的三声道扬声器制造关键组件；Custom Color计划购置30多台HP MJF打印机。Avid、JawsTec和 Weerg也在不断扩展以满足客户需求，数十台HP Jet Fusion 5200 3D打印机将用于生产新产品。 惠普3DaaS服务：该服务能够为客户自动补给惠普3D耗材，简化费用查询和使用情况时的步骤，并提供可靠的远程和现场支持服务。自2019年推出后，通过释放资本灵活性和提高业务敏捷性，帮助客户扩展到大规模生产。该服务在疫情流行期间被证明非常有益，并且越来越多地被客户采用。 MJF技术3D打印工厂 Cobra 高尔夫：Cobra Golf使用HP MJF和Metal Jet技术，是第一家将高性能3D打印高尔夫球杆商业化的运动器材制造商。 现代汽车集团：支持韩国射箭协会，使用HP MJF技术生产了高度个性化的3D打印握把，帮助韩国男子、女子和混合队在7月23日举行的2020年东京奥运会上夺得金牌。 以面成型的3D打印工艺为批量化生产提供了可能 惠普MJF和Metal Jet金属3D打印工艺，归根结底属于以面成型的3D打印技术。从目前来看，此类工艺打印速度快、设备成本低、无需额外支撑，同时允许允许大尺寸、多材料打印，这些因素适应于批量生产的特点。这契合惠普意图借助3D打印技术3D打印颠覆全球价值12万亿美元制造业市场的目标。 据惠普与市场调查机构3dbpmResearch于今年6月发布的报告，自多射流熔融技术（MJF）推出以来，已交付的零件数量超过了6000万个。而短短三个多月过去，这一数量已经突破了1亿。 对于金属3D打印技术，3D打印技术参考认为激光粉末床熔融工艺当前尚无法与粘结剂喷射技术相比，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。今年6月，惠普宣布其Metal Jet数字制造方案已面向全球部分地区客户交付，预计于2022年初进入中国市场；全新的Metal Jet技术能够以高于其他3D打印技术数十倍的工作效率及明显低于其他粘结剂喷射成型系统的成本，生产功能性终端机械零件。 基于以上因素，粘结剂喷射3D打印技术成为投资者在3D打印领域投资的热门技术。IDTechEx预测到2025年将会有37000台粘结剂喷射设备。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.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 2.惠普Metal Jet金属粘结剂喷射3D打印机计划明年进入中国市场 3.ExOne服务中心已交付超200万件粘结剂喷射金属3D打印零件 4.基于粘结剂喷射和SLM的金属3D打印性能对比分析

金属3D打印特有的快速冷却过程可以产生细小的晶粒，具有传统制造工艺无法比拟的优点，能够建立材料-工艺-微观结构-性能一体化增材制造的跨尺度调控机制。同时，增材制造工艺固有的缺陷、残余应力及微观结构性能属性，对广泛采用金属增材制造的结构部件影响重大，尤其是对断裂、疲劳性能极度敏感的应用，需要明确金属3D打印部件的疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性和疲劳强度等性能特点，及其提高合金损伤容限的工艺手段。 疲劳断裂是承重部件失效的最突出原因。导致传统工艺制造的金属合金疲劳失效的裂纹萌生、扩展和快速断裂机制已被掌握，而3D打印金属材料独特的微观结构（如细亚稳相、介观结构和孔隙率等）如何影响疲劳和断裂的机制尚未确定。这不仅对于3D打印组件的可靠性评估至关重要，而且还有助于完善处理步骤，以生产更加可靠的结构完整性组件。3D打印与大量工艺参数相关，可以制造极其复杂的零件，允许定制零件，这使得充分掌握材料、工艺和性能之间的关系变得特别困难。 金属3D打印的一个关键挑战在于热源和原料之间的相互作用 当前，最普遍应用的金属3D打印工艺包括基于激光和电子束的粉末床熔融工艺(PBF)、能量沉积工艺（DED）以及粘结剂喷射工艺（BJ）。基于高能热源的直接3D打印工艺是传统制造工艺最接近的自然替代品，也是与疲劳和断裂关系最为密切、讨论最多的工艺。粘结剂喷射工艺通过间接手段分别制造生坯，再通过几个关键的后处理操作来提高零件的机械性能，环节虽多，但其成本更低，制造速度更快，进一步解放了零件的设计自由。 最普遍应用的金属3D打印工艺 使用3D打印加工金属的一个关键挑战在于热源和原料之间相互作用的性质。例如，Al对3D打印常用的光纤激光具有高反射率，导致其吸热性较差。此外，蒸汽压差别很大的合金元素，例如铝合金中含有Mg和Li元素时，在真空条件下首先汽化。绝大多数合金在主流的L-PBF、E-PBF和DED金属3D打印工艺中普遍存在的快速凝固条件下容易开裂。通常，易于焊接的合金也适合用于3D打印。除此之外，合金的同素异形体，如钛基和铁基合金，因为要经理打印过程的大温度梯度和复杂热循环，使得增材制造工艺、微观结构和性能之间的关系变得独特。这反过来又使制造的合金及其机械性能对所使用的工艺高度敏感。因此，在零件制造过程中需要仔细选择工艺参数组合并进行精确控制，以提高可靠性。 粉末原料的质量在决定部件的整体质量方面起着至关重要的作用，尤其是它的相对密度。在粉末床工艺中，粉末颗粒粒度分布、球形度等将影响其流动性，进而影响3D打印过程中的铺粉效果。研究发现，在电子束粉末床技术中，更宽的Ti6Al4V粒度分布可使零件的孔隙率水平更低；相反，较大的颗粒尺寸会导致较高的孔隙率水平。粉末在重复使用过程中存在吸氧的现象，进而导致脆化和密度下降；且多次使用后粉末颗粒的球形度会下降，可观察到明显的变形，粒度分布变窄，进而影响缺陷的形成。 增材制造金属粉末性能间的关系 与粉末床工艺不同，能量沉积工艺对原材料不太敏感。然而，粉末颗粒表面的裂纹或划痕会导致最终的3D打印部件出现孔隙。有研究报道，粉末尺寸分布和合金化学成分直接影响粘结剂喷射工艺成型零件的烧结动力学，进而影响零件的收缩和致密化，并发现采用 10:1 比例的双峰尺寸分布粉末，可以实现高密度的生坯部件和烧结部件。 3D打印金属材料的微观结构 在任何给定的3D打印工艺条件下，熔体的快速凝固使材料具有类似使用快速淬火技术获得的微观结构：精细、亚稳态和具有增强固溶度的组成相。已打印层的重复加热和冷却使凝固的合金经历了复杂的热循环历史，使材料微观结构多显示为柱状晶粒并富含残余应力。所有这些微观结构特征的结合，跨越几个长度尺度——从纳米到毫米甚至更多——使3D打印金属材料的机械性能独一无二，并且与传统制造的同类产品截然不同。 采用直接3D打印工艺制造的许多合金的一个显著特征是具有凝固胞状结构，其长度范围为采用激光为热源时的~ 0.1 到 1 µm（SLM和DED），而在使用电子束为热源时，该结构通常大于5 µm 。下图显示了采用SLM技术打印的316L胞状显微结构，这些结构的形成是凝固过程中成分过冷的结果。当固液界面前的液体温度由于溶质浓度高而低于液体的凝固温度时，界面变得不稳定，从而有利于枝晶生长。枝晶形态受温度梯度和凝固速度的比值控制。在SLM工艺中，冷却速率极高（>106 K/s），凝固时间不足以形成二次枝晶，从而形成胞状形态。在激光能量沉积过程中，冷却速度相对较慢，可观察到二次枝晶。总之，胞状结构的大小取决于温度梯度和凝固速度，也取决于所用的工艺参数。 SLM制造的316L胞状结构 SLM制造的代表性微观结构 ：(a) 单道扫描的 AlSi12 (b) SEM 图像显示具有 Si 偏析的熔池边界区域。(c)(d)旋转策略分别选择90°和67° 扫描方式的不同对3D打印合金的组织结构具有明显影响，具体表现在所形成的织构、晶界和缺陷上面。采用SLM工艺制备的AlSi12，沿X-Y平面可观察到固化的激光轨迹，而在侧面在显示出重叠的熔池横截面。熔池边界对应激光束高斯分布，最高深度位于光束的中心。在SLM制备的Ti6Al4V中，若连续层之间选择90°旋转，在X-Y平面可观察到原始β晶粒结构，；而如果扫描策略选择67°旋转，则会观察到球状或等轴结构。 END 本文主要叙述了当前主流的金属3D打印工艺及在相应工艺条件下材料共有的显微结构特征。热源和原料之间的相互作用是导致材料具有不同结构特征的关键原因，具体到每种材料也会特有的相组成。在很多情况下，微观结构可能会使拉伸、断裂和疲劳行为具有各向异性，因此需要进行后处理，这也是下期文章叙述的关键。 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.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.西南交大采用X射线三维成像揭示3D打印铝合金疲劳行为的各向异性 3.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 4.高强铝合金在增材制造应用过程中的主要局限性和缺陷类型