2021年6月18日大众官方消息，大众汽车正在汽车生产中推进创新3D打印机的使用。大众致力于在未来几年内使3D打印更加高效，适合生产线使用。利用这项技术，大众汽车将能够更快、更灵活地开发和生产零部件，并使用更少的资源。 大众汽车员工在Wolfsburg高科技3D打印中心检查使用粘合剂生产结构件的质量 大众德国沃尔夫斯堡（Wolfsburg）工厂正在第一次用最新工艺——粘结剂喷射（binder jetting process）——制造部件。传统的3D打印使用激光熔融金属粉末逐层构建一个组件，而粘结剂喷射过程使用粘结剂，然后加热并成形所需的金属部件。使用粘结剂喷射成型组件可以降低成本并提高生产率——例如这些部件的重量仅为钢板的一半。目前大众是唯一在生产过程中使用这种3D打印技术的汽车制造商。 为了实现这一创新性的进步，大众汽车在过去五年中投资了几千万欧元。此外，公司还与西门子建立了软件合作关系，并扩大了与打印机制造商惠普（HP）公司的现有合作。随着第一次全面使用粘结剂喷射金属3D打印，大众计划积累关键经验，例如未来哪些部件可以经济快速生产，或者3D打印制造如何支持大众汽车生产的数字化转型。 惠普提供所需的高科技3D打印机，西门子公司提供增材制造专用软件。西门子和大众共同努力的一个关键过程步骤是优化组件在成型室内的定位，这种技术被称为嵌套（nesting），可使每个打印任务生产两倍的零件。 从夏季开始，以上三家公司计划在沃尔夫斯堡高科技3D打印中心成立联合专家组，并利用3D打印实现复杂汽车零部件制造。 目标是到2025年每年在沃尔夫斯堡通过3D打印生产最多10万个组件。使用粘结剂喷射工艺制造的第一批组件已应用于大众T-Roc敞篷车A柱部件。这些部件的重量比传统的钢板组件轻了近50%，仅此效果就充分体现出改善汽车生产的潜力。大众汽车已经成功地对3D打印金属汽车部件进行了碰撞试验。 截止目前，大批量生产还不够经济有效，然而新技术和合作将使生产线应用在经济上可行。 大众汽车采用3D打印已有25年，沃尔夫斯堡工厂现在有13个单位使用各种打印工艺制造塑料和金属部件。典型的例子是塑料组件的原型，例如中央控制台、车门覆层、仪表板和保险杠。金属打印部件包括进气歧管、散热器、支架和支撑元件。在过去25年中，大众已经打印生产了100多万个部件。 大众与西门子的合作是数字生产平台领域全面战略伙伴关系的一部分。3D打印的例子表明，这种转型蕴藏着许多创新的机会。”

据惠普与市场调查机构3dbpmResearch进行的最新研究发现，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，在过去15个月里，用户对这项技术的需求呈指数级增长。制造业的数字化转型成为加速这一现象的重要因素，随着3D打印对制造数字化和行业颠覆产生的影响，100%的被调查对象认识到能够进行按需生产的能力成为数字化制造的最大驱动力；而96%的受访者认为，增材制造有助于他们更快的将产品推向市场。 参与调查的欧洲零部件制造商中有63%将在未来12个月内投资10-100万欧元用于数字化生产。惠普3D打印业务全球负责人表示，在制造业数字化转型的过程中，未来的领先公司将是那些利用软件、数据、人工智能和数字制造来重塑产品的公司，3D打印正在为跨行业创造全新的机会，其固有的优势有助于循环经济的实现，这是当今制造企业的重要推动力。 增材制造是工业制造过程数字化的一项关键技术，大多数受访者(96%)认为数字化是几乎整个制造过程的必要条件。据报道，在工业零件制造过程中使用增材制造能够使生产的组件更具成本效益且能够以更快的速度制造更好的产品。接受采访的英国和德国工业零部件制造商正在计划对数字化和增材制造进行最重大的投资，50%的英国和40%的德国受访者表示他们打算在未来五年内投资超过100万欧元。 3D打印不再仅限于生产工具和小批量零件，实际上，随着当今3D打印技术的发展，以惠普为代表的粉末床粘结/熔融技术正在使3D打印生产的级别由小批量过渡到中型量产，在某些情况下，甚至可以达到20万个最终零件的大批量生产。 研究报告以以2020年10月发布的惠普数字制造趋势报告的调查结果为基础，对欧洲的关键驱动因素、投资策略和国家特定趋势进行了更广泛的分析。 欧洲工业零部件制造商一致认为迫切需要加强数字化生产• 100%的受访者认识到数字化生产的重要性。• 70%的受访者表示，数字化制造工作流程的主要驱动力是按需生产零件的能力。• 63%的受访者预计在未来12个月内将花费超过10万欧元用于制造流程的数字化。• 61%的受访者表示，可持续性与其制造工作流程数字化相关或非常相关。增材制造正在颠覆工具的制造方式•超过95%的受访者表示，增材制造是他们当前制造工作流程中数字化的相关技术。• 91%的受访者表示他们使用增材制造来制造工业工具（包括夹具、固定装置和模具）。这些工具用于通过非增材工艺生产更多零件，其他相关类型的零件包括机械臂末端工具和自动化系统组件。•52%的受访者使用增材制造来制造完整的成品增材制造增强了零件功能和生产灵活性• 96%的受访者表示，增材制造帮助他们更快地将产品推向市场。• 91%的受访者表示，按需生产零件的能力是3D打印的主要优势。• 79%的受访者表示，增材制造帮助他们应对因疫情造成的生产挑战。欧洲工业零部件制造商对增材制造未来的增长充满信心•超过95%的受访者预计增材制造的使用将继续增长。• 83%的受访者可能会在未来12个月内投资扩大其数字制造能力。其中65%的投资将包括增材制造。• 92%的受访者可能会在未来五年内投资扩大其数字化制造的能力。其中77%的投资将包括增材制造。 近年来，中国制造业数字化转型趋势也已逐渐形成，潜力广阔。据惠普《数字制造趋势白皮书》，94%的中国受访者视3D打印为传统制造业的可行替代方案，89%的中国受访者认为3D打印可以对传统制造业起到支持和补充作用。创新能力的提高是受访者常提到的3D打印使用优势，值得一提的是，6%的受访者都想了解批量定制带来的新局面，并认为如果3D打印/增材制造能定制零部件，他们的业务就可以进行批量定制。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.ExOne服务中心已交付超200万件粘结剂喷射金属3D打印零件 2.金属和塑料废料皆可回收再利用！3D打印循环制造链条更加完善 3.提前布局MES，迎接增材制造批量化生产的时代 4.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

根据公开信息，我国采用3D打印技术制备的星敏支架、斜撑支架、主承力大底结构等产品，已通过地面测试和各项环境考核，逐步应用于空间站、深空探测航天器、运载火箭等。晶格桁架结构，因其超轻和多功能特性在航空航天领域备受青睐。 然而，通过3D打印技术制造的晶格单元在机械设计过程中很少考虑增材制造技术本身的约束，导致晶格结构的实际机械性能与设计性能之间存在显著差异。中国空间技术研究院、南京航空航天大学以及北京理工大学方岱宁院士团队合作开展了考虑增材制造几何约束的自支撑晶格单元创新设计策略研究，相关成果成功用于我国多个新型超轻航天器结构设计与制造。 受固体物理学中晶体学的多重旋转对称性的启发，研究人员设计了三类用于3D打印的自支撑晶格，分别具有三、四和六重旋转对称性。每类晶格都可以分为四个层次级别，使结构从以弯曲为主逐步变为以拉伸为主。使用节点位移法推导出自支撑晶格的弹性本构关系，并通过与有限元计算和力学实验的对比，验证了本构关系。这项工作提供了由自支撑晶格组成的复杂结构设计中刚度特性的等效关系，该结构已用于新型超轻型航天器结构的设计，包括： • 2019年发射的千乘一号01星中的格构夹芯板组成的卫星结构； • 2019年发射的中巴地球资源卫星04A星中的拓扑优化薄壁结构和晶格填充动量轮支架； • 月球及火星深空探测器的相变热控制器以及集热器框架由薄壁和晶格填充结构组成。 基于本文提出的自支撑晶格和铝合金打印的航天器结构应用：(a) 由格构夹芯板组成的卫星主体结构 (b) 由拓扑优化的薄壁和晶格填充组成的动量轮支架(c) 由薄壁和晶格填充组成的相变热控制器结构(d) 由薄壁和晶格填充组成的集热器框架结构自支撑晶格结构的制造约束与设计本文所述的晶格结构的3D打印均是采用激光粉末床熔融（SLM），该工艺的几何约束主要表现为封闭空腔、间隙、薄壁、悬垂以及最小/最大尺寸等，其中只有悬垂角影响晶格结构的参数。根据研究，结构的尺寸误差和表面粗糙度随着结构与水平方向之间的角度减小而增大。对于小于35 ◦结构，需要添加支撑防止坍塌或严重变形。如果支撑结构在零件外部，则容易去除；如果在零件内部，则难以去除。为了实现高精度设计并避免在制造过程添加支撑，自支撑杆外伸角度需要大于35◦。为此，研究人员在自支撑格架的设计中考虑了悬臂角约束。与传统的任意角度支杆构成的格架不同，自支撑晶格除了水平支杆外，还包括倾斜支杆和垂直支杆。 晶格晶胞被定义为具有晶体结构完全对称性的最小重复单元。研究人员采用三重、四重和六重旋转对称操作来设计用于3D打印的自支撑晶格单元。第一层级单元仅由倾斜方向的支柱组成，然后通过相对于水平面镜像结构来获得具有旋转对称性和镜像对称性的第一层级晶格单元；最后，通过在空间中重复可以获得三种晶格结构。 具有三重、四重和六重旋转对称性的第一层级晶格单元设计 通过在第一层级晶胞边缘添加垂直支柱形成第二层级设计，每个晶格单元形成了三个、四个或六个三角形，三角形充当第二层级的稳定子结构，这种设计可以提高晶格的结构属性，降低机械属性。 在第二层级点阵的侧面增加一个方向的斜杆就形成了第三层级的点阵，每个斜支柱构成一个新的三角形，其中有两个斜支柱连接晶格单元的中心。三级晶格的变形是拉伸主导变形，第三层级格子的承载效率可以超过第二和第一层级。 具有三、四和六重旋转对称性的第二、第三和第四层级晶格单元的设计 在第三层级基础上再增加一个方向的斜杆形成第四层级格子结构，第四级晶格表现出更好的抵抗晶格缺陷的能力。 基于以上设计，共形成了12种自支撑晶格材料结构设计，通过复制填充到空间中。这些设计对于专业外的读者稍显晦涩，需要将3D打印技术参考的表述和原文对比，仔细甄别。 具有三重、四重和六重旋转对称晶格的12种设计 数值分析与试验验证研究人员使用ABAQUS 2017软件进行了有限元分析以验证弹性变形-本构关系，计算了十二种类型的晶格，并与SLM制造的实际结构的机械性能进行了对比。 3D打印的自支撑格层结构为5层，晶格支柱的直径与板层厚度均为0.6mm，倾斜支柱与水平方向之间的角度为45°，材料选择AlSi10Mg粉末，打印完成之后在280°C 下进行2 小时的热处理，以减少结构内部的残余应力。 由 SLM 制造的自支撑格层试样 建立与晶格夹层试样相同尺寸的等效有限元模型，将实验结果与弹性变形-本构关系进行比较。每个模型由三层组成，即上层、下层和等效连续体层，刚度由本构关系得到。下层被夹紧，同时限制上层旋转，并在压缩方向上施加单位位移。 研究发现，理论和实验结果之间的误差在-7.2% 和 8% 之间，这可能与制造尺寸误差以及面板引起的边界效应有关。在亚毫米尺度上，格子撑杆直径的变化可以达到±10%，即格子撑杆的实际直径为设计值的90%～110%。那么，格子撑杆的实际截面积为设计值的81%~121%。根据弹性模量、力和支柱截面积的尺寸关系，3D打印晶格的实际弹性模量在设计值的82%~123%之间，即误差在-18%~23%之间。本作品中显示的误差在范围内，因此是合理的。 通过实验和等效计算得到压缩模量 END 研究人员基于固体物理学中晶体学的多重旋转对称性，提出了一种考虑增材制造几何约束的自支撑晶格的创新设计策略，并成功在航天器结构中获得应用。 另据媒体报道，超轻型金属晶格结构解决了深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现了极其复杂结构的功能集成。而当前我国的深空探测器，无疑是指“嫦娥”系列和火星探测器。这种外部蒙皮+内部三维点阵、变密度、内部含有流道等特殊复杂的构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生了较大的综合效益。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.天问一号变推力发动机等采用3D打印零件，减重、减体积是关键 2.“天问”携“祝融”成功落火，航天五院529厂积极开展3D打印技术的研究与应用 3.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号今日成功着陆火星 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

6月16日，以透明牙套为主要产品的隐形矫治解决方案提供商——时代天使在港交所挂牌上市，开盘股价大涨超131%，盘中涨幅扩大至162%，市值超750亿港元。通过基于3D打印及自动化生产线等顶尖智能制造技术的「规模定制」模式，制造所有隐形矫治器应用于特定矫治方案，时代天使成为中国“隐形正畸第一股”。 口腔隐形矫治（无托槽隐形矫治）20年的发展史完全建立在3D技术基础之上。3D打印技术的成熟为隐形牙套提供了精密牙模原型，让隐形牙套有了可靠的技术保障。时代天使也因3D打印技术发展壮大，每年帮助医生设计十几万个患者的治疗方案、形成最大的亚洲人种口腔医学数据库之一、每年生产超过1600万个个性化医疗器械，并准备在未来达到每年1亿个的产能。 • 2003年，时代天使开发了中国首例隐形矫治器治疗解决方案。•2006年，时代天使标准版获国家食品药品监督管理局批准，成为于中国获得专利的首项隐形矫治器治疗技术，并开始推出隐形矫治器产品。•2007年，时代天使在北京建立3D打印生产线，此为中国隐形矫治器的首条3D打印生产线。•2010年，时代天使将制造中心搬至无锡市，并于2011年建立了中国首个及最大的口腔矫治器3D打印基地。•2017年，时代天使建立了第一条自动化生产线，这使其能够快速实现规模定制并扩大经营规模。批量3D打印牙模的生产优势 3D打印是一项精密生产技术，能够生产匹配每位患者牙齿的复杂及独特移动的牙模。作为一个计算机控制的生产过程，3D打印根据模型通过连续打印约200层材料形成牙模。根据招股书，时代天使已在无锡生产基地里建成中国最大的牙科3D打印基地并部署第四代3D打印机，此类打印机是牙科应用中最先进的设备。3D打印机带有自定义内置参数，可以满足大规模生产需求，生产速度约比行业平均水平快25%至50%。 对获取的原始数据进行矫治过程设计（与品牌无关，仅作解释） 通常，一个患者需要更换30-40副左右的隐形牙套，通过对牙齿持续形成的轻力，达到矫正的效果。30-40副隐形牙套意味着需要打印30-40个矫正牙齿模型，每个模型之间只有非常细小的差别。如果采用传统加工方式，根本无法在短时间内为患者量身定做和批量化生产矫正模型。3D打印作为一种数字化成型技术，能将任何数字化的设计转化为实物，而在牙科矫治行业，3D打印技术恰恰可以满足个性化和批量生产这两种条件。可以说，隐形牙套是一个因3D打印而生的行业。 3D打印技术参考查阅了同类企业采用3D打印技术制造牙模的优势介绍。批量打印单一患者20 个牙模的大约需要4小时40分钟，而如果采用外包则需要7天，这相当于每个模型的生产时间不到30分钟；与此同时，3D打印批量生产牙模可以在没有人工参与的情况下进行，24小时不间断作业，只需要接入设计文件并保证树脂充足。凭借批量打印的能力，3D打印成为替代注塑成型的可行解决方案，并改变了其他制造牙科模型的传统方法。 批量3D打印牙模（与品牌无关，仅作解释） 时代天使制定的各种矫治方案首先交由牙科医生批准，随后在无锡生产基地制造。一方面，各矫治器均须以定制方式进行精确校准与制造，以符合患者牙齿在相应矫治方案各阶段的位置。另一方面，时代天使须实现量产，以降低成本并扩大经营规模。借助于3D打印及自动化生产线等技术，时代天使已实施「批量定制」模式，可批量生产定制化隐形矫治器。其「批量定制」流程通常分为四个主要步骤，包括： (1)基于已批矫治方案，对牙模进行3D打印，描绘患者牙齿的未来位置 。(2)每个牙模通过热压成型用以生产矫治器。(3)隐形矫治器的修整、抛光与质检。(4)在自动分拣系统中按指定识别码分拣并包装所有成品矫治器。随后，每位患者的所有矫治器将被打包发给该患者的牙科医生。 3D打印的牙模（与品牌无关，仅作解释） 1万块的牙套赚7000，暴利令人瞩目 时代天使使用3D打印技术生产一系列模仿每位患者牙齿未来位置的牙模，对隐形矫治器的生产非常重要。由于产品制造过程需要大量且多样的专业技术，时代天使认为制造能力是其成功的关键。为了生产具有高精度及一流质量的定制产品，该公司已开发若干专利制造过程及技术，尤其是采用3D打印及生产自动化技术来提高制造过程效率及稳定性。为提高牙模及隐形矫治器的精度，时代天使设计了牙模3D打印精度评估方法，并开发基于六轴机器人的隐形矫治器高精度切割技术。 基于先进的制造技术，时代天使的高毛利令人瞩目。2018-2020年，该公司的毛利率分别达63.8%、64.6%及70.4%。这意味着，一套一万元的矫治器，出厂即可赚7000元。根据公开资料显示，时代天使标准版、冠军版、儿童版以及COMFOS四种产品的建议零售价分别为3.2万元、4万元、2.6万元和2.4万元。北京商报指出，由于牙齿矫正行业尚属于成长期，市场需求大，行业供给不足，供不应求，竞争不激烈。市场处于卖方市场，拥有定价权，行业毛利较高。 时代天使产品价格（亿欧网整理） 未来，时代天使计划利用先进智能制造技术，全面采用智能隐形矫治器制造工艺，以扩大产能，提高生产效率。尤其是正在无锡市建设创美基地，包括新型生产设施及研发中心，建筑面积约为126,000平方米。时代天使计划为创美基地及现有生产设施配备最先进的智能制造技术，包括最先进的3D打印机以及生产自动化技术（如机器人技术）。时代天使认为这些技术将降低成本、更好地控制隐形矫治器的质量、更及时地满足客户的要求和订单，以及实现规模经济。时代天使预计在2021年年底之前将创美基地最初数个已设立的自动化生产线投入生产。经过全面投入生产后，创美基地的新型生产设施预计将年产约1亿个隐形矫治器。 注：本文内容来自3D打印技术参考，转载请注明来源。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.隐形牙套的真正3D打印流程及工艺种类 2.牙科 | 3D打印纯钛、TC4、钴铬合金的性能对比 3.3D打印将彻底颠覆口腔正畸治疗方式 4.年盈利13亿美元的隐形牙套制造商——隐适美的商业模式

ExOne是粘结剂喷射3D打印技术的领导者，据外媒最新消息，ExOne服务中心所交付的零件数量已经超过200万件。该机构的使命是让客户在决定购买本公司设备之前，先为他们的设计尝试金属粘结剂喷射3D打印。 ExOne服务中心成立于2005年，目前拥有28台金属3D打印机，可以7*24小时不间断运行，包括两台最新的X125Pro系统，专用于316L和17-4PH的不锈钢零件。 已交付的零件涉及多种类型的材料 基于在粘结剂喷射领域的多年经验，ExOne推出了 Triple ACT粉末高级压实技术，旨在保证金属粉末在铺送粉过程中均一稳定，为获得高密度、精度和可重复性的零件提供保障。ExOne X125Pro专为大批量生产而设计，成型尺寸为400 x 250 x 250mm，目前专门用来打印17-4PH 和 316L。该中心还配备十几台脱脂烧结炉，全新的Elnik MIM3045 脱脂烧结炉的炉膛尺寸为420 x 460 x 610mm，可提供适用于各种材料的氢气、氩气、氮气和真空处理气氛。该设备使ExOne能够为希望采用粘结剂喷射进行大批量生产的客户展示生产操作过程。 ExOne Triple ACT粉末高级压实技术 ExOne目前可打印的金属材料还包括304L、M2工具钢、Inconel718、6061铝、铜等。该公司最受欢迎的材料是一种金属基复合材料420i，由60%的420不锈钢渗入40%的青铜制成。该材料非常耐用，多被用于工业和模具应用，例如塑料注射成型和吹塑成型。此外，它是消费品（例如珠宝）中最受欢迎且成本较低的材料选择。另一种金属基复合材料316i，由60%的316不锈钢和40%的青铜渗透而成，该材料易于加工，具有增强的耐腐蚀性能。 ExOne X125Pro 3D打印机 Elnik MIM3045 脱脂烧结炉 ExOne 的粘结剂喷射工艺已对20多种金属、陶瓷和复合材料进行了认证。这些材料中有一半以上是单合金金属，例如17-4PH、316L、304L、M2工具钢、Inconel 718等。最近，ExOne宣布已成功实现6061铝合金成型，同时正在与一家全球医疗器械公司合作，可快速获得钛的合格资质。除此之外，ExOne还能够根据应用定制孔隙率水平，以满足不同行业的需求。 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.具备粘结剂喷射技术成型潜力的金属和非金属材料超过40种 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.最新：ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印

与所有制造过程一样，最终产品的质量在很大程度上取决于基材的特性和加工技术的精度。对于金属3D打印，尤其是粉末床熔融工艺，即便有很多厂商已经意识到在粉末生产、处理以及打印再到后处理的过程中应当进行气体保护，但对于此方面的研究几乎未受到充分关注。一个关键的问题是，对于采用不同的气体保护，是否会取得不同的结果。 全球最大的工业气体生产商林德集团和医疗领域增材制造的领导者法国3D Medlab公司合作，展开了在特殊气体氛围下，对3D打印钛合金点阵结构生产质量的影响，双方希望以此提高由Ti64制造的医疗产品的质量和生产效率。因为像晶格这样的结构必须稳定、具备所需的所有机械性能，最重要的是能够维持细胞的生长。然而3D打印过程中的烟尘和杂质会导致零件中产生缺陷，即使氧气含量的微小差异也会影响元素的稳定性，从而破坏材料的结构和化学特性。 3D Medlab晶格结构植入物 该研究于2020年1月至2021年3月完成，双方研究了新工艺气体对Ti64晶格结构在激光粉末床熔融(L-PBF)过程中的飞溅形成、工艺稳定性及3D打印零件性能产生的影响。使用光学断层扫描进行的过程监控表明，与单独使用氩气相比，使用氩气-氦气混合气体保护，显著减少了激光熔融过程中的飞溅。研究结果证实，这种氩氦混合气体可将飞溅物的排放量降低35%，显著降低了缺陷的产生风险并提高了零件的整体表面质量。 氩/氦混合气体显著提高了零件的整体表面质量 林德增材制造粉末冶金专家表示：“可靠、可重复的3D打印能力是提高产品质量的关键，这对医疗行业至关重要。此外，从商业角度来看，打印时间是增材制造中重要的单一成本要素，但通过使用恰当的保护气体可以提高薄壁零件的打印速度。林德的新型氩氦混合气体正是为此而开发，是钛合金医疗器械制造领域向前迈出的重要一步。” 3D Medlab增材制造主管表示，孔隙率水平和表面质量是高复杂零件机械性能质量的基本要素，通过确保产品尽可能接近原始设计规格，同时减少可能带入人体的金属粉末，该指标因此成为业内定义增材制造医疗器械质量的首要标准。通过与林德公司的联合研究发现，氦气与氩气的合理平衡，可以对打印质量和生产效率产生重大影响。 有资料指出，打印室内的惰性气体是影响零件质量和整体生产速度的关键因素，该研究的主要目的也是评估理想的气体混合物来优化这两种结果。单独使用氩气时，打印过程会观察到大量飞溅物（或由激光引起的熔融金属颗粒）落至相邻打印部件上。在高度复杂的零件上产生飞溅会影响打印质量，并导致零件螺纹的质量下降。此外，使用纯氩气会产生一定程度的孔隙率。 延伸阅读：「氮/氩」混合气体显著提升工业纯钛3D打印零件的性能 更高的生产效率并不以牺牲质量为代价，根据断层扫描的结果，林德和3D Medlab的研究将孔隙率降低了70%，而点阵结构的压缩性能仍与仅用氩气时相当。除了这两家公司在混合气体方面的研究之外，国内南方科技大学严明教授课题组在多年前研究了氮气与氩气混合气体对商业纯钛和钛合金3D打印零件性能的影响。研究发现，采用氮气与氩气的混合气体作为保护气体，相比于传统工艺中充入氩气作为保护气体，额外的氮元素能够强化钛材料，使材料的力学性能明显更加优异。 在商业纯钛3D打印过程中采用氮、氩混合气体进行保护 严明教授课题组研究数据 通过对同一种工业纯钛的实验研究发现，当氮比重为0.65wt.％时，材料的综合力学性能达到最佳，屈服强度和拉伸强度分别达到807和1037MPa，断裂伸长率为19.15%，与纯Ar打印试样相比，分别提高了49.53%、42.02%和0.78%，显著高于仅采用氩气保护条件下的材料性能。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 2.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 3.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

采用3D打印制造卫星部件所带来的好处是显而易见的，其不仅仅在于提供了复杂制造的可能性，还提高了制造进度、降低了成本并提高了卫星性能。而如果增材制造企业能够绑定卫星制造商，则无疑获得了重要的发展契机。专注于钛合金3D打印的Zenith Tecnica公司便紧紧把握住了机会，通过与知名卫星制造商Maxar Technologies合作，大力发了其航空航天增材制造业务。截止目前，双方合作已有五年之久，3D打印了260个钛合金零件用于卫星制造。 Maxar制造的全电动EUTELSAT 7C 卫星于 2019 年发射，使用近1000个增材制造组件 2016 年，Zenith获得了生产无人太空飞行部件的资格，其在定义和验证生产过程方面发挥关键作用。同年，Zenith与Maxar展开合作，并在两年后将第一颗含有钛合金3D打印零件的卫星被送入轨道。 Zenith的客户可以针对特定卫星特征和有效载荷优化零件结构和热特性。3D打印实现了以前传统制造方法无法实现的设计，这种优化的结果减少了零件质量以及数量，并提高了在轨寿命。据报道，自从通过Zenith采用3D打印生产航天器部件以来，Maxar受益颇多，包括提高了生产灵活性、降低了制造成本并提高了卫星性能。 Zenith Tecnica 3D 打印的卫星组件 该公司的钛合金使用 GE Additive Arcam EBM设备打印，然后对零件进行热处理，并对关键的装配特征进行加工。之后，需要对零件进行3D 扫描检查，以确保所有零件都符合规格。Maxar增材制造技术经理则表示，Zenith的团队是Maxar团队的延伸，前者总是加倍努力确保交付的零件质量达到高标准。到目前为止，两家公司在合作期间共同发射了五颗带有260个3D打印钛合金零件的航天器，这两家公司还有另外270个3D 打印部件要安装在其他八颗卫星上。 Zenith Tecnica3D 打印的卫星组件 3D 打印已经越来越多地用于生产优化的卫星组件，例如射频电路、波导信号互连和陶瓷天线等。对于3D打印服务商或者研究机构，绑定航空航天客户将是其获得发展的重要途径，尤其是在当前民用市场远远不足以支撑发展的情况下。铂力特，不就是深度绑定了航空航天和军工客户吗？ 但同时，3D打印服务商或研究机构需要具有好的设计和质量保证能力，航空航天用户也愿意一起探索这些新技术和新应用。不过，我们所提到的服务商并非一定是如铂力特这样的行业龙头，研究机构也并非一定是国内顶尖实验室。国内很多航空航天客户和研究机构也在寻找更合适的合作伙伴来满足自身需求，有实力的团队所需要的恰恰是这样一个机会。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.年消耗5.4吨钛合金，成功用于陆、海、空、太空的金属3D打印解决方案 2.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号今日成功着陆火星 3.新一代载人飞船实验船，实现60余件金属3D打印产品在轨应用 4.可替代Ti6Al4V | 航空航天结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料

拓扑优化与增材制造分别是新型高效结构的先进设计与制造技术，二者有效融合充分发挥了各自优势和潜力，在航空航天和高端装备领域展现出广阔应用前景。 西北工业大学张卫红教授研究团队对近年来国内外160余篇相关研究论文进行了详细综述，分析了面向增材制造的拓扑优化技术研究热点、亟待解决的关键问题以及面临的挑战，为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。相关成果以"A Review of Topology Optimization for Additive Manufacturing: Status and Challenges"为题受邀发表在Chinese Journal of Aeronautics 2021年第一期。 研究热点 将拓扑优化设计方案按照工艺要求快速重构并直接增材制造是当前工业界实现快速优化设计与制造的重要发展方向。为促进拓扑优化与增材制造融合应用，当前研究工作主要从材料结构一体化和结构工艺一体化两个方向展开。 材料结构一体化充分发挥增材制造强大的个性化制造能力，以多尺度结构设计为代表，如图1所示。微小的点阵结构不仅表现出轻质高强的高承载特性，还表现出优异的隔热、抗冲击、减震降噪等多功能特性，在功能结构中发挥重要作用。多尺度结构可以从宏观-细观-微观多个尺度合理设计材料布局，充分发挥材料潜力实现轻量化。 目前多尺度结构拓扑优化方法主要有三类：1)”退化”的拓扑优化，通过降低和取消密度惩罚得到连续化和梯度化的密度分布，并依据密度投影关系填充不同密度的点阵，该方法简便易行但难以直接优化点阵构型；2)基于梁参数优化的多层级结构设计，以构成点阵的梁为基本单元，优化梁截面直径实现梯度变化的多层级结构；3)以均匀化理论为桥梁关联微观构型与宏观等效性能，同时对宏观结构和微观构型进行协同优化实现材料效率最大化。 图1. 典型的多层级结构：(a)金属多层级点阵结构，(b)卫星支架结构，(c)发动机支架结构，(d)点阵填充的薄壳结构 将增材制造工艺约束如特征尺寸限制、连通性要求、悬空角约束(图2)融入拓扑优化设计方法是另一类研究热点，即结构工艺一体化设计。受增材制造设备成形精度的限制，需对拓扑优化生成的细小分支结构进行控制，针对基于密度法和水平集法的拓扑优化方法，研究人员分别提出了密度过滤技术和显式尺寸控制技术来实现特征尺寸约束。 由于增材制造成形后需依据不同工艺去除残余的未固化树脂、未熔融粉末和辅助支撑，要求结构内部不能含有封闭空腔，研究人员分别提出了虚拟温度场法、选择性生成通道法和特征空洞中心外置法来消除封闭空腔。最后，为了降低甚至消除辅助支撑结构，自支撑结构的设计作为当前的研究热点受到广泛关注，研究人员一方面对支撑结构形式和打印方向进行优化，另一方面将悬空角约束引入拓扑优化从根本上消除支撑结构。 图2. 增材制造成形质量随悬空角减少而降低 研究挑战 随着面向增材制造拓扑优化技术的深入，一些新的问题与挑战也随之出现，如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料性能各向异性、增材制造材料与结构疲劳特性以及功能梯度材料的设计与制造。在多尺度点阵结构设计过程中，均匀化理论通常用于表征微观结构与宏观性能之间的关系。但基于尺度分离假设构建的均匀化理论难以准确描述增材制造点阵结构力学性能，因此需要构建能够描述尺度关联效应（图3）的表征方法，如子结构法和多尺度有限元法。另外，基于梁单元建模虽然能体现尺度关联效应，但梁节点位置通常会产生材料体积和刚度误差，因此建立普适性的补偿方法是提升梁单元点阵分析精度重要方法。 图3. 点阵结构尺度因子对体积模量的影响 增材制造叠加成形过程中散热不均使材料在不同方向上的固化/结晶/粘接速度不同，产生了非均匀微观结构与材料力学性能(图4a)，对结构拓扑优化设计和应用提出了新的挑战。一方面需要精确表征成形材料力学行为，另一方面可以基于横观各向同性材料模型，充分利用不均匀性设计出性能更优异的结构。 此外，增材制造过程中大量存在得到未熔融区域和气孔缺陷(图4b)导致增材制造结构件的疲劳性能通常弱于相应锻件(图4c)，除了采用热处理(如热等静压)改善疲劳性能外，还应将疲劳性能指标引入结构设计中，发展面向疲劳性能的拓扑优化方法。 图4. 增材制造17-4 PH不锈钢的力学性能：(a)微观结构，(b)气孔缺陷，(c)疲劳性能 最后，功能梯度材料与多材料结构功能一体化系统在工程上有广泛的应用前景，但其优化设计与增材制造仍是一个富有挑战性的课题。一方面，多材料拓扑优化技术的发展为功能梯度材料的设计提供了新的内容，使不同材料可以根据外载条件得到最优布局。另一方面，多材料增材制造是功能梯度材料最理想的制备方法，但不同材料融合机理、材料性能、成形工艺约束等问题仍需进一步深入研究以适应制造功能梯度材料的需求。 近期Nano Dimension发展了首项增材制造PCB板的侧装技术，生产的Dragonfly精密增材制造系统(图5)可以显著提升PCB板性能，促进了多材料增材制造系统的发展。但是如何在多材料结构系统设计与成形过程中综合考虑系统承载力学行为、功能行为、承载性能与系统功能相互影响机制、系统可靠性、可维护和可修复性等，仍然是亟待解决的问题。 图5. 增材制造复杂PCB板 总结展望 本文回顾了近年来面向增材制造的结构优化设计方法主要研究内容和目前存在的问题与挑战。虽然拓扑优化和增材制造均有三十余年的发展历史，形成了各自比较完善的研究体系，但将两者深度融合从而充分发挥出各自优势仍是比较新的研究领域，在设计方法理论与制造工艺技术方面依然存在诸多挑战。尤其是在精确表征复杂点阵构型力学性能，发展先进制造技术如多轴增材制造系统、材料结构工艺一体化融合、复杂多材料结构功能一体化系统设计制造仍需深入研究。 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 2.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.赛峰与SLM Solutions合作3D打印大尺寸商用飞机前起落架组件

近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授葛锜团队和西北工业大学副教授张彪团队在Advanced Materials合作发表论文，报道一种用于光固化4D打印的超高力学性能形状记忆高分子材料。这种新材料在橡胶态断裂应变超过1240%，在150%-250%的应变区间可以重复加载超10000次。此外，其优异的光聚合性能使其成为数字光处理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和软体机器人领域应用潜力非常大。该项研究被Advanced Materials后内封面重点报道。 4D打印是一种新兴的制造技术，它能够使打印出来的三维结构的形状在外界环境刺激下随时间变化。与用于4D打印的其他主动软材料（Soft Active Materials -SAMs）相比，形状记忆高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的刚度，并且能与各种3D打印技术兼容。其中，采用DLP 3D打印技术打印可光固化SMP，可以制造具有复杂几何形状和高分辨率的4D打印结构。然而，现有可光固化SMP在力学性能方面具有局限性（伸长率偏低、抗疲劳性能差等），这极大地限制了它们的应用范围。因此，亟需发展可承受大变形且具备抗疲劳能力的光固化SMP，以满足工程应用中对4D打印智能材料力学性能的高要求。 图 1. 超高力学性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技术的4D打印 联合研究团队合作开发出了一种超高力学性能可光固化SMP体系。该材料体系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）组成，故称为tBA-AUD SMP体系。如图1所示，该SMP体系极易光固化，与基于DLP的3D打印技术兼容，可以制造出高分辨率-高度复杂的3D结构。研究团队开展了大量实验，研究tBA-AUD SMP体系的大变形机理和探索其在高承载-大变形结构中的工程应用。 图 2. tBA-AUD SMP前驱体溶液的相关特性 如图2所示，通过流变测量、凝胶分数试验和固化时间测试表征了tBA-AUD SMP前驱体溶液的3D打印性能。交联剂AUD含量在50 wt%以下前驱体溶液具有较低的黏度，适用于DLP 3D打印。AUD含量越高, tBA-AUD SMP体系的平衡凝胶分数越高，固化相同厚度的前驱体溶液所需的时间越短。 图 3. tBA-AUD SMP体系的热力学性能 如图3所示，通过热力学性能测试标定了tBA-AUD SMP体系的大变形、形状记忆和耐疲劳性能。tBA-AUD SMP体系在编辑温度（80 °C）下具有较低的弹性模量和超高的断裂伸长率。tBA-AUD SMP 体系具有近乎100%的形状固定率和良好的形状恢复率（~90%）。此外，这种SMP材料可以承受超过10000次大变形循环加载（循环应变150%-250%）。 图 4. tBA-AUD SMP体系的大变形机理 如图4所示，通过红外光谱测试、应力松弛实验和单轴拉伸试验对比新鲜试样和10000次疲劳后试样，以阐释tBA-AUD-SMP体系的大变形和抗疲劳机理。AUD交联剂的高分子量和氢键的综合作用赋予了tBA-AUD SMP体系大变形性和抗疲劳性。 图 5. tBA-AUD SMP三维构件的高度变形能力及其在智能家具中的工程应用 图 6. tBA-AUD SMP在航空航天中的应用 如图5和图6所示，3D打印的 tBA-AUD SMP三维构件具有高度变形能力，在智能家居和航空航天等工程应用中潜力巨大。tBA-AUD SMP的断裂伸长率远高于先前报道的各种可3D打印SMP。使用tBA-AUD SMP打印的三维结构具有大变形能力和高承载能力，使其成为制造带有SMP铰链的智能家具的理想材料。利用tBA-AUD SMP的快速热响应能力，可以制作用于展开太阳能电池板的智能铰链。通过穿过铰链微孔的电阻丝的加热，折叠编辑的铰链可在1分钟之内恢复到笔直状态，完成太阳能电池板的快速部署。该项研究开发了适用于DLP打印的大变形-抗疲劳形状记忆聚合物光敏树脂，可以满足各类4D打印工程应用对先进智能材料的高断裂应变、高抗疲劳能力、高承载能力和适应于先进制造工艺等的综合要求。西北工业大学副教授张彪、南方科技大学博士后李红庚和博士生程健翔为论文共同第一作者。葛锜为论文的通讯作者，南方科技大学为唯一通讯单位。该项研究得到国家自然科学基金、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室和陕西自然科学基础研究计划等项目资助。注：本文内容来自南方科技大学。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大在液晶弹性体3D打印研究方面取得新进展 2.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域 3.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 4.南科大：一种新型抛光技术，可获得纳米级超光滑表面

TIWARI Scientific Instruments（TSI）是一家以设备为导向的德国初创企业，专注于材料热测量和测试系统以及金属和陶瓷增材制造技术，并为欧洲航天局（ESA）提供服务。其开发的熔丝FFF 3D打印工艺，可以在丝材中加入金属或陶瓷颗粒，并最终得到金属或陶瓷部件，从而为空间应用提供制造能力。 使用该工艺制造的不锈钢、钛、氧化铝以及碳化硅零件已经在ESA材料和电气元件实验室进行了全面的无损和破坏性测试，以评估其附加值和空间使用性。出人意料的是，这些3D打印的零件与传统制造的同类产品相比，具有更高的机械性能，其中不锈钢可以在不断裂的情况下延长到以前无法实现的100%。 3D 打印的碳化硅过滤器 作为欧空局的孵化企业，TSI注重材料的热和机械性能。基于高的导热性，纯铜的3D打印一直备受关注，TSI希望能够推出低成本的3D打印解决方案。近日，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。 将纯铜加工成粉末或细丝均极具挑战。纯铜的3D打印工艺目前虽有很多，但多为孤例，每一种工艺从事的企业都极少。采用绿激光打印是当前粉末床技术的重要发展，而适用于3D打印的绿光激光器却极少，通快推出的产品目前也不单独出售。对于要求苛刻的应用，采用SLM打印的零件可能仍需要额外的机加工和后处理，这个过程可能会影响到零件的成分和性能。 使用 nTopology 设计、TSI熔丝3D打印的纯铜热交换器 TCT展会上通快的纯铜质量评估样件 使用FFF技术，部件打印的层厚设置为50μm，由于层厚导致的粗糙度会在烧结过程中因为收缩而降低。零件在生坯条件下可以手动抛光或机械加工，从而降低了进一步后处理的成本，然后再进行脱脂和烧结。采用TSI的技术，金属和陶瓷部件的致密度可超过 99%。 采用挤出技术3D打印金属部件，目前比较知名的国外企业有Desktop Metal和Markforged，国内有升华三维、上海复志以及纵维立方。DM的设备推出多年，但似乎在升级和应用方面并没有太多新闻，国内厂家的技术多比较类似。在材料方面，国外企业多可自主生产材料，国内则多采用第三方材料。 使用 nTopology 设计、TSI熔丝3D打印的纯铜热交换器 热交换器散热效果模拟 通常，金属丝材的粘结剂含量较高，体积比占40%左右。在TCT 3D打印展会期间，上海复志展示了其公司基于挤出的金属3D打印机，在打印机旁放置的脱脂炉非常显眼；升华三维也在其官网展示了其脱脂炉；而Exone等公司的粘结剂喷射技术，则是将脱脂和烧结一步完成，没有单独的脱脂环节。 升华三维的脱脂炉 Markforged金属3D打印零件国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜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%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。 在DLP纯铜3D打印工艺方面，国外Holo公司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，同样是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。Holo还对树脂基体的成分进行了优化，它不同于金属注射成型中使用的蜡基材料，后者中的某些化学物质会影响烧结零件的机械或化学性质。Holo公司称其浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的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，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。 对于纯铜3D打印工艺的开发，主要围绕导热性和导电性展开。铜的导电性与其纯度直接相关，任何污染物，特别是铁，都会影响最终性能。实际上除了激光和电子束能够直接熔化成型纯铜，DLP、FFF、3DP等工艺都无法摆脱脱脂烧结工艺。作为近些年流行起来的新金属3D打印类型，人们更应该关注3D打印之后的环节。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.纯铜3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 2.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度 3.迄今最高：立体光刻3D打印强度超1GPa的氧化铝陶瓷 4.最新：ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印