本文系统研究了SiC对粉末床熔融复合材料致密化行为、组织演变、晶体取向、力学性能和摩擦学性能的影响。随着碳化硅含量的增加，显微组织由等轴转变为枝晶，这与不同的温度梯度有关凝固速度。碳化硅的加入影响晶体取向并导致晶粒细化到316L。此外，经过激光处理后，微米级碳化硅颗粒被细化到纳米级，这在316L基体中引起大量位错。添加SiC后，316L材料的强度和摩擦学性能得到了显著提高，其中9vol% SiC增强MMC的抗拉强度约为1.3GPa，磨损率为0.77×10−5mm3/Nm。 激光粉末床熔化粉末添加剂制造技术是一种很有前途的粉末添加剂制造技术，通过高能激光束对金属粉末进行选择性熔化，可以制造出尺寸精度高、几何形状复杂、性能理想的零件。由于开发周期短、提前期短、材料和成本效率高，LPBF在从设计概念到大批量生产的材料开发方面具有独特的优势。此外，与传统制造的零件相比，快速冷却速率可导致晶粒细化和定制的微观结构，改善机械性能。 LPBF处理的316L不锈钢由于延展性好，强度高和突出耐蚀性广泛应用于汽车航空航天和生物医学等。然而，由于硬度低、耐磨性差，在恶劣的工作条件下仍存在巨大的挑战，这阻碍了它的广泛应用。例如，316L部件在承受重负载或高磨损工作条件时容易出现故障。 碳化硅颗粒具有低密度、高硬度和优异的耐磨性，被广泛用作增强材料。碳化硅颗粒被证明是钢中理想的增强颗粒可湿性用铁并且比钢更高的激光吸收无疑将有助于良好的成型性。然而，关于碳化硅增强316L金属基复合材料的研究相对较少，缺乏对其微观结构演变、晶粒取向、摩擦学和力学性能随碳化硅含量变化的系统研究。 在此，华南理工大学谭超林团队研究了SiC对LPBFed复合材料致密化行为、组织演变、晶体取向、力学性能和摩擦学性能的影响。所获得的强度和耐磨性在文献中处于最高水平。结果突出了通过AM进行原位加工MMC的能力，其优异的性能规避了对传统材料的苛刻要求。相关研究成果以题“Additively manufactured SiC-reinforced stainless steel with excellent strength and wear resistance”发表在金属顶刊Additive Manufacturing上。 图1 原料的形貌和粒度分布:(a) 316L和(b) SiC粉末的形貌，(c) 316L和SiC粉末的粒度分布 图2a显示了SiC含量对LPBFed复合材料和316L试样相对密度和孔隙率的影响。可以清楚地看到，SiC的加入影响了试样的致密化行为。SiC含量从0 vol%增加到12 vol%，样品的相对密度从7.90 g/cm3显著降低到7.62 g/cm3。SiC的加入使熔体的孔隙率从0.13%增加到0.69%，这是由于熔体池润湿性降低所致。图2b-d为LPBF试件水平截面OM图像。尽管采用了优化的工艺参数，但织构表面仍存在一些缺陷(如气孔和裂纹)，这些气孔也可能来自于抛光过程中氧化夹杂的拔出。随着SiC含量不断增加到12 vol%，基体中出现了大量的长裂纹，这是由于残余应力的增加和塑性的降低造成的。 图2 孔隙度和阿基米德密度，以及LPBF生成的316L和MMCs的OM图像 图3为S6 MMC水平截面的典型OM图像。如图3a所示，出现了连续的、良好的冶金结合激光轨迹。相邻层之间夹角约为67°，与层间旋转扫描策略一致。研究认为，良好粘结轨道和层旋转可以改善的密度和力学性能。图3b为激光轨迹放大图;重叠区域主要为树枝状凝固组织，胞状凝固组织。 图3 LPBF生产的S6 MMC的OM图像从水平截面 图4显示了SiC添加对LPBFed 316L和MMCs显微结构特征的影响。所有试样内部都存在细小的胞孔结构，这是lpbf制备样品的典型凝固结构。在激光加工[28]过程中，这种结构会在瞬间熔化和快速凝固条件下以极高的冷却速率形成。细胞边界是一种亚晶界，可能是由成分偏析引起的。从图4中可以看出，LPBF生产的MMCs试样凝固组织随温度的升高而变化 图4 对LBPF生产的316L和MMCs (a-f和i)的SEM显微结构和S12 MMC (g和h)的EDS映射分析 图5 对LBPF制备的316L的TEM分析:(a)亮场图像显示高密度位错，(b)高分辨率TEM图像(嵌入SADP)显示奥氏体相 图6为LPBF制备的S6 MMC的BF-TEM图像，该图像研究了SiC颗粒的形貌以及SiC与316L基体之间的界面。图6a显示316L基体中存在高密度位错，这是由于基体与SiC颗粒之间的热膨胀系数(CTE)不同造成的。高分辨率TEM图像显示了SiC与316L基体之间的界面形貌，表明SiC与金属基体之间有良好的结合。相应的快速傅里叶变换(FFT)拍照界面区域在图6e进一步演示界面位错的存在，“T”符号在第二区域即晶格畸变的区域可能是由于内部残余应力和CTE SiC颗粒与基体之间不匹配。 图6 TEM分析LPBF-fabricated S6 MMC: (a)和(b) BF-TEM形象LPBF-fabricated S6 MMC显示较高的位错密度和碳化硅颗粒，(c) BF-TEM图片与插入SADP碳化硅粒子，粒子(d) EDS映射分析，(e)和高分辨率透射电镜图像和相应的FFT界面区域的图像。 图7 SiC粉和lpbf制备的316L和MMCs的XRD谱图:(a)全谱图，(b)和(c)局部放大谱图 图8 对LPBF制备的316L和S6 MMC的EBSD分析: (a)晶界图，(b)颜色反极图(IPF)，(c)极图(PFs)；(d) lpbf制备的S6 MMC的晶界图，(e) IPF和(f) PFs 图9 本文研究的LPBF制备的MMCs的力学性能与文献进行了比较 图10 LPBF制备的 mmc的强化机制 总之，碳化硅的加入影响了显微组织的形态和织构。随着碳化硅含量的增加，金属基复合材料的微观结构由等轴向枝晶转变。碳化硅颗粒促进了< 001 >择优结晶取向的形成大角度晶界在金属基复合材料中，这可能分别是由沿构建方向的温度梯度增加和由CTE失配引起的高残余应力引起的。碳化硅的强化主要表现为晶界强化、Orowan强化、位错强化和载荷转移强化。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响及提高粉末重复使用性的方法…

在4月23日的央视财经频道《创业英雄汇》节目中，来自陕西聚高增材智造科技发展有限公司的创始人杨春成，凭借PEEK 3D打印在医疗领域的优势及公司实力，成功实现800万融资。该公司开发的PEEK 3D打印植入物在医疗领域获得了广泛认可，产品在全国20多个城市、50多家医院获得应用，在2020年销售额突破1000万元，造福了众多病患。 依托西交大，开拓 PEEK 3D打印医疗应用 陕西聚高增材智造科技发展有限公司，是一家高性能非金属材料3D打印完整方案提供商，以西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室团队为技术依托，专注于以聚醚醚酮（PEEK）为代表的高性能材料3D打印装配和材料研发，为用户提供完整的整体解决方案。现任3D打印医疗器械专业委员会常务理事，全国增材智造产业技术创新战略联盟会员。目前，公司业务覆盖医疗、航空航天、工业等众多领域，尤其是在医疗行业，打开了PEEK材料临床应用的新局面。 公司核心技术和管理团队均毕业于西安交通大学，过半数成员具有硕士以及博士学位，且研究方向均为增材制造技术。公司技术来源于西安交通大学卢秉恒院士、李涤尘教授团队，其中李涤尘教授团队是国内外最早开始开展生物3D打印研究的科研团队之一，率先形成了制造领域新的学科和医工交叉应用方向。 聚高增材开发的PEEK 3D打印植入物 研究团队于1999年获得首项生物3D打印的国家自然科学基金资助，2001年国际首次将3D打印个性化钛合金替代物应用于临床，比国外早十年获得应用；建立了个性化颅颌面骨替代物微观结构仿生设计制造一体化技术及系列产品和制造设备，研究成果临床案例达到万例；发明了性能可控的聚醚醚酮（PEEK）3D打印技术，实现了国际上首例PEEK胸骨、肋骨的临床应用，自2017年以来已经在西安、上海、南京、郑州等地应用近30例，有望取代钛合金成为骨替代物形成新的产业；发明了可降解气管外支架、乳腺支架设计和4D打印制造技术，在西京医院实现了国际首次临床应用，解决了传统技术无法解决的软组织医疗修复难题；对人体典型软硬组织（肝脏、骨）以及软硬组织固定界面（韧带/软骨/骨）开展微观结构促进组织再生机制研究工作。 聚高增材开发的PEEK3D打印机 相关研究结果在生物设计/制造领域发表200余篇高水平论文，获得国家发明专利80余项，2014年“个性化颅颌面骨替代物设计制造技术及应用”获国家技术发明二等奖，2015年“个性化骨替代物设计”获第一届中国好设计金奖，2018年“个性化下颌骨重建假体”产品获得了国内首个个性化产品CFDA注册，成为我国3D打印技术医学走向产业化的里程碑。公司聘请李涤尘教授为高级技术顾问，与其团队共同开展增材制造技术的研发及应用推广。 国内高性能聚合物3D打印代表性企业 采用熔融挤出技术3D打印PEEK等高性能聚合物一直备受关注，然而此前由于Stratasys高温腔室专利的限制，能够开发此类打印机的国内设备商一直没有获得数量上的显著增长。截至目前，较为知名的企业仍然只有上海远铸、陕西聚高以及东莞一迈智能等，这几家企业都取得了不俗的成绩。上海远铸的高温3D打印机备受剑桥大学、Fraunhofer、NASA、中科院等国际顶尖科研机构的青睐，且在今年2月完成数千万人民币的第三轮融资，并有投资人连续追投；陕西聚高在医疗领域取得成绩尤为突出，在产业化应用方面具有独特优势；东莞一迈智能的产品也远销海外，在4.24日的中国航天日还将设备发至商飞公司。 一迈智能发往商飞的MAGIC HT PRO高性能聚合物3D打印机 然而，PEEK的3D打印似乎并不容易，如何通过恒温腔室提高PEEK打印件的层间粘结质量？如何降低PEEK打印时的翘曲？如何使打印件充分均匀结晶？如何使用PEEK支撑材料？这些专业化的工艺知识与普通的PLA或ABS打印完全不同。在4.29日，上海远铸将举办一期线上讲座，重点解析PEEK 的3D打印问题，有兴趣的读者可以扫描下方二维码观看。 扫描下方二维码参加研讨会 2021年4月29日下午2:30 此外，一个值得关注的消息是，随着Stratasys 3D打印机高温腔室专利的到期，最后一项封锁终于被打破，高温FDM 3D打印机制造和应用市场很可能迎来重大变化。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.材料专场：PEEK 3D打印为何如此困难？成功打印，需要哪些技巧 2.工艺创新：将FDM 3D打印技术的潜力开发到极致 3.Stratasys 3D打印机关键专利本周到期，高温FDM市场将迎重大变化 4.中国产工业级高温3D打印机为何备受国际顶级科研机构青睐

PEEK(聚醚醚酮)是一种高性能聚合物，由于其独特的耐化学性、耐磨、耐疲劳等机械性能组合，以及可耐250°C以上工作环境的高温性能，使其在市场上越来越受欢迎。正因如此，PEEK可在一定范围内作为金属零部件的替代品，被广泛应用于航空航天、汽车、能源、医疗健康等多个行业。 采用高性能聚合物3D打印进行原型验证或最终功能部件应用，不能仅仅想到激光烧结，低成本的熔融挤出型3D打印机实际上更适合大多数用户的需求，尤其是针对高强度、耐高温、耐腐蚀等苛刻使用工况，采用基于熔融挤出的PEEK 3D打印是一个非常明智的选择。然而到目前为止，能够开发相关设备和工艺的厂商却仍然非常稀少，而已经取得成功的厂商大多已经将设备卖给了诸多高端玩家。 PEEK材料因为具有低吸湿性，特别是与其他常见材料相比，想要成功打印PEEK具有一定挑战性。 如何通过恒温腔室提高PEEK打印件的层间粘结质量？ 如何降低PEEK打印时的翘曲？ 如何使打印件充分均匀结晶？ 如何使用PEEK支撑材料？ 欢迎参加远铸智能（INTAMSYS）PEEK3D打印材料专场研讨会，了解成功打印PEEK的最佳技巧。 扫描下方二维码参加研讨会 2021年4月29日下午2:30 PEEK打印常见问题 问题一：PEEK材料打印件断裂 问题2：PEEK材料打印件翘曲   问题3：低层间粘结质量PEEK打印件 问题4：PEEK打印件支撑去除难 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.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 2.工艺创新：将FDM 3D打印技术的潜力开发到极致 3.Stratasys 3D打印机关键专利到期，高温FDM市场将迎重大变化 4.中国产工业级高温3D打印机为何备受国际顶级科研机构青睐

材料和结构的破坏与局部机制有内在联系，包括易延性金属、脆性陶瓷、离散泡沫和空间桁架，通常会发生高度局部变形。剪切带和裂纹表面的形成，以及壁和支柱的屈曲，可能会发生连锁反应，而系统的大部分未承受临界载荷。为了打破这种已建立的范式，来自加州大学尔湾分校和佐治亚理工学院的研究人员们展示了使变形非局部化的3D打印张力超材料，可以使变形离位以防止失效。 研究人员通过张拉整体性（Tensegrity）设计原则，将孤立的刚性杆集成到柔性的绳索网格中形成一种非常轻便的自张紧桁架结构。然后从950纳米直径的元件开始，使用先进的直接激光写入技术来生成尺寸在10-20微米的基本单元，制成由八个单元构成的超级单体，这些单体可以组装形成连续的结构。 研究人员通过建模和实验观察到，这些构造表现出了独特的均匀变形行为，而没有局部应力过大或利用不足的现象。研究显示，新的超材料的可变形性提高了25倍，其能量吸收能力比最好的晶格排列提高了一个数量级。 4%相对密度八位体试样的单轴压缩实验。视频给出了原位静态框架和相应的变形图、应力-应变响应和离域效率曲线 张拉整体结构已经被研究了几十年，尤其是在建筑设计领域，最近在许多生物系统中也发现了它们的存在。几年前，佐治亚理工学院的Julian Rimoli才在理论上对适当的周期性张力晶格进行了概念化。正是通过该项目，该研究团队实现了对这些超材料的首次物理制造和性能演示。 这种基于微米级桁架和格栅的极轻便但具有很好强度和刚度的传统结构可以通过增材制造技术来制造，具有替代飞机、风力涡轮机叶片和许多其他应用中较重结构的潜力。尽管这种材料具有许多理想的品质，但它们也像任何承重结构一样，在过载的情况下仍然易于遭受灾难性破坏。 4%相对密度开尔文试样的单轴压缩实验。给出了原位静态框架和相应的变形图、应力-应变响应和离域效率曲线 在纳米结构材料中，失效通常始于高度局部的变形。一个区域内的剪切带、表面裂缝以及壁和支柱的屈曲会引起连锁反应，从而导致整个结构坍塌。研究人员解释说，当受压构件屈曲时，桁架格栅开始坍塌，因为受拉的桁架无法承受。通常，这些部件在公共节点处互连，这意味着一旦失效，损伤会迅速扩散到整个结构中。 基本单元以及由多个单元构成的超级单体 相反，张拉整体结构的压缩构件形成闭环，彼此隔离，仅通过拉伸构件连接。因此，受压构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传播，如果不断裂，则不会经历不稳定性。向下压拉张整体系统，整个结构将均匀受压，防止局部损坏，否则将导致灾难性的破坏。 借助3D打印开发的超材料进行压缩试验 张拉超材料显示出前所未有的抗破坏性、极好能量吸收性、可变形性和强度，胜过了所有其他类型的最新轻型结构。该团队的研究为高级工程系统的设计提供了重要的基础，从可重复使用的冲击防护系统到自适应的承重结构。 该研究得到了美国宇航局（NASA）和国家科学基金的资助，相关论文《Tensegrity Metamaterials: Toward Failure‐Resistant Engineering Systems through Delocalized Deformation》已在Advanced Materials期刊上发表，论文已上传QQ群。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域 2.前沿研究丨基于神经网络的机器学习方法在增材制造全链条中的应用 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.航空航天领域增材制造四类典型结构及发展趋势

3D打印技术参考曾撰文指出，新一代SLM技术已经表现出了差异化的竞争趋势，这些差异化围绕着成型效率、制造成本、后处理、质量保证等一直以来备受关注的“痛点”展开，诞生出了一系列的新技术，不仅丰富了产品类型，更给这项发展了20多年的技术带来了新活力。本期，3D打印技术参考介绍华南理工大学杨永强教授团队在新一代SLM技术领域的研究进展。 1. 双波长激光粉末床金属3D打印机 将1070nm的红外光纤激光器与450nm的蓝光半导体激光器相结合，实现红外/蓝光复合，既可以打印钛合金、铝合金、不锈钢等常规材料，也可以打印对红外光具有高反作用的金、银、纯铜等材料，在实际加工过程中只需要根据材料不同切换激光器即可。这是华南理工杨永强教授团队正在承担的一个项目。 此种类型的金属3D打印机目前在市场中还未看到过具体的案例，但却具有较高的应用价值，尤其是对于面向加工服务的平台和科研领域的高校。目前，杨永强教授团队已经在两束不同激光的复合打印研究方面取得了比较好的效果。 以粉末床熔融为代表的金属3D打印机动辄几百万，而传统机型所配备的红外光纤激光在打印纯铜等材料时存在弊端。目前虽已有配备绿光激光器的市售打印机，但对于有多重需求的应用端无疑会增加购机成本。而双波长打印机的研发正是新一代SLM技术差异化的表现，具有现实的应用价值。 3D打印技术参考查询了华南理工大学有关本项研究的专利，相关资料指出，450-560nm波长激光的应用提高了镁、铝、铜合金等高反射金属粉末在激光选区熔化技术中的吸收率，提高了高反射率金属材料的加工质量与加工效率。一种高反射材料蓝绿激光微熔化成型装置，最终实现聚焦光斑直径小于15μm，采用5-10μm的微细粉末，实现了尺寸精度5μm、特征尺寸小于10微米，表面粗糙度Ra小于2μm，致密度大于99％的蓝/绿光激光选区微熔化。 2. 8激光大幅面金属3D打印机 把打印尺寸做大，在保证精度的前提下提高效率，增加振镜和激光的数量在目前是比较有效的办法。通过简单振镜拼接方式来提高打印幅面可以将打印尺寸提高到600mm以上，然而通过2振镜或4振镜协同实现的全幅面打印，尺寸会局限在300-400mm；4振镜拼接打印效率提升有限，不足四倍；9振镜拼接的搭接面太多。 杨永强教授团队与大族激光合作承担了广东省重点研发计划，正在开发8激光器、4个双振镜组动态调焦的大幅面3D打印机。按照杨永强教授的介绍，在该方案中，两个激光负责同一个幅面，8个激光分成了四个区，来实现大幅面打印。 激光和振镜的摆列方式有多重组合，如何更有效的组合好，最关键的是解决协同控制以及多振镜的光学调校等问题。 更大的成型面积，多激光多振镜扫描，更复杂的能量相互作用下，扫描路径的规划，成型腔内气流场的分布中的科学问题是需要投入研究，并总结出结论为工程上的应用提供理论支撑。大尺寸零部件的高效率增材制造研究，通过布局多点吹气，涡旋推进，层流紊流相结合，多股不同流转气流形成压差，实现对烟尘的抬升及带走过程。 该团队目前开发的商业化最大尺寸打印机是四激光四振镜的Dimetal-650，成型尺寸为620*620*1100mm，将亮相TCT 3D打印展。 3. 多材料铺粉式金属3D打印机 华南理工杨永强教授团队开发了基于SLM技术的多材料铺粉式金属3D打印机，采用上送粉方式，可在成型过程中，不间断打印的情况下添加粉末，可实现1-4种材料梯度成型、选区成型，支持单一材料及多种材料转换。通过控制系统，还可以实时监控不同粉末用量数据。 成分梯度合金在航空航天和核领域具有重要的应用价值，部件不同位置可能会根据工作条件的不同选择不同的材料。这些不同的工作条件可能需要某个特定的主要功能，例如一个位置需要抗腐蚀和另一个位置需要抗蠕变，这就需要连接两种或多种不同的合金。同时，成分梯度材料在一些应用中可以显著降低成本，中航工业沈阳飞机设计研究所采用增材制造实现了300M与A-100钢梯度复合设计成型，使飞机起落架的制造成本降低了45%。 使用激光粉末床熔化和直接能量沉积为成分梯度合金制造提供了一种有吸引力的途径，它们的分层送粉机制可以在多个空间维度引入化学成分的梯度。 END 无论聚焦细分领域，还是解决传统SLM技术的制造通病，对原有技术进行创新正在成为趋势，同时也成为产品脱颖而出的关键所在。实际上，这一点已经成为很多传统SLM设备商的共识。 除以上研究方向外，该团队还在开发机器人激光/等离子增减材设备等项目；同时，3D打印技术参考还查询到杨永强教授团队多项关于粘结剂喷射3D打印的专利已经在去年获得授权。 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.专题：金属3D打印企业（产品）差异化竞争的六个实例 2.专题：2021，多激光、超大型金属3D打印的时代已经到来 3.金属3D打印的最佳实践(二)：SLM大水平面无支撑工艺探索 4.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度

氧化铝作为陶瓷3D打印领域最常用的材料之一，目前已经在航空航天、高温工业炉、复合增强、电气等领域获得应用。其成型工艺覆盖激光烧结、光固化、喷墨成型多种类型，产品的抗弯强度最高可以达到430Mpa，但仍不及整体式氧化铝的650 MPa。近日，来自奥地利莱奥本大学的研究人员采用多材料光固化3D打印开发的氧化铝陶瓷，强度突破了1Gpa，这是迄今为止在3D打印的氧化铝基陶瓷上测得的最高强度。 3D打印的多材料陶瓷 1. 能否利用逐层打印工艺制造具有增强机械性能的多材料结构 立体光刻技术在陶瓷3D打印领域发展迅速，尤其是基于该技术已经可以制造出与传统路线制造的陶瓷相当机械性能的大块体。适当的材料体系，以及定制和优化的烧结曲线一直是陶瓷立体光刻技术发展的关键。该技术成功应用的一个例子已在氧化铝陶瓷中得到证明，其中已测量出较高的机械强度和相对较低的散射。这就提出了一个问题，能否有可能利用逐层打印工艺来制造具有增强机械性能的多材料结构。 Lithoz陶瓷立体光刻原理 近年来，许多努力都集中设计具有改善强度和韧性的陶瓷结构上，并且在某些情况下基于多材料架构的陶瓷确实增强了可靠性。包含不同材料的层间组合与牢固界面相结合，可以产生出不同的面内残余应力，进而可以设计出具有高强度或能够抵抗裂纹扩展的新型陶瓷。这些设计都与最终应用相关联，并在研究中取得了进展。 奥地利莱奥本大学的研究人员展示了陶瓷立体光刻技术基于多材料方法制造具有空前高强度氧化铝陶瓷的能力。使用不同材料逐层沉积，可以在表层中引入定制的压缩残余应力，目的是与陶瓷材料的整体性能相比，提高陶瓷材料的强度和可靠性。目前，Lithoz公司的CeraFab 7500打印机打印机已经可以通过两缸系统添加材料，不仅可以复合打印两种陶瓷材料，还可以实现陶瓷与金属的复合。这为如何将增材制造的进步与多材料设计相结合，为制造复杂的3D打印陶瓷结构开辟了一条新途径（多材料陶瓷3D打印机的运行原理可查看3D打印技术参考视频号）。 2. 首次在3D打印的氧化铝陶瓷中测量到高达1GPa的特征强度 研究人员采用的材料是来自Lithoz公司的LithaLox MS548氧化铝光固化悬浮液和LithaLox ZTA20氧化铝和氧化锆（80%氧化铝和20%氧化锆）光固化悬浮液，制备了多层氧化铝(A)和氧化铝-氧化锆(ZTA)圆盘样品用于材料表征测试，其结构为ZTA层嵌入在A层之间，形成A-ZTA-A的结构。多材料结构使用Lithoz公司新型的CeraFab Multi 2M30打印机制造，单材料结构采用CeraFab 7500打印机制造，两台打印机的横向分辨率均为40μm，在打印过程中每层以180mJ/cm2曝光。所有样品分别在1600°C的条件下以1°C/min的加热速率烧结2小时。 图1：a）相对于打印方向（箭头）的A-ZTA-A圆盘（左）和单一氧化铝圆盘整体（右）；b）单一氧化铝和氧化铝-氧化锆整体材料的样条 此外，还打印了尺寸均为3×4 x 50mm的整体式弯曲棒，以测量单一材料（A和ZTA）的热膨胀系数、弹性模量和断裂韧性。如图1（b）所示，所有弯曲杆均沿横向打印。 经测试发现，单一氧化铝（A）、整体式ZTA样品的致密度均为98%，多材料A-ZTA-A的致密度为99%。因此认为无论是单一材料、整体式的多材料还是整体多层结构都可以被认为是致密样品，具有相对较低的孔隙率，这与优化的烧结工艺相关。 整体式氧化铝的杨氏模量为367Gpa，与文献报道的氧化铝典型值一致，即320GPa（95％相对密度）-410GPa（完全致密）。ZTA整体材料显示出较低的杨氏模量，为333GPa，这是由于添加了具有较低弹性常数的氧化锆所致。值得强调的是，测量的高精度对于良好估计多材料系统中的残余应力至关重要。 3D打印的整体式A和ZTA陶瓷的杨氏模量（E），热膨胀系数（CTE）和断裂韧性 图3显示了单一氧化铝A以及多材料A-ZTA-A样品的微观结构的SEM图像。A具有相当细的晶粒尺寸分布，平均晶粒尺寸约为〜2μm，在0.5μm-10μm之间分布。该微观结构在打印方向上看起来非常均匀，从而导致了低孔隙率且各个层的致密化程度很高，几乎看不到任何边界。值得一提的是，选择合适的烧结曲线对于保证均匀且致密的3D打印氧化铝材料至关重要。 图3（a）单一氧化铝A样品和（b）A –ZTA-A多材料样品的微观结构 图3b示出了多材料样品的微观结构，在A区域和ZTA区域之间显示出清晰的界面。这两种微结构非常均匀，表明所选择的烧结条件非常适当，LCM的打印精度也很高。顶部氧化铝区域的晶粒尺寸分布与单一氧化铝非常相似。ZTA区域包含非常细小的晶粒，平均尺寸为1μm。均匀的微观结构以及两个区域的低孔隙率与测得的99％的高相对密度相符。 弯曲强度测试结果表明，单一氧化铝陶瓷样品（A）和A-ZTA-A多层样品分别为645MPa和1013MPa，这是首次在3D打印的氧化铝陶瓷中测量到高达1 GPa的特征强度。多材料样品显著更高的强度可以通过氧化铝层区压缩残余应力的屏蔽效应来解释，在具有外部压缩应力的多层系统的情况下，总应力状态可以解释为作用在断裂发生区域的外加应力和残余应力的叠加。 整体式A和A-ZTA-A陶瓷样品的强度分布 a）位于打印表面的两个较大晶粒是氧化铝整体样品中的典型缺陷（参见箭头），b）亚表面颗粒(虚线)S是A-ZTA-A多材料样品A层中的关键缺陷 值得指出的是，对于单一材料整体样品和多材料结构板，所有失效的根源都在受拉的表面或附近。但是，在双轴加载过程中可能会激活中央层中的缺陷。失效是从表面还是从A-ZTA界面开始，可能取决于外层的厚度以及ZTA材料的强度。总体而言，将这种多材料方法与3D打印技术相结合，可能会成为设计具有出色机械强度和可靠性复杂零件的新途径。 注：研究原文已上传QQ群。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.生物医疗领域使用陶瓷3D打印面临的挑战 2.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 3.LITHOZ 3D打印航空发动机陶瓷叶片型芯 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

经过几十年发展，金属3D打印技术已日趋成熟，在齿科、航空航天、医疗、模具等行业已初步形成产业规模。在该技术走向产业化的进程中，“成本和效率”问题逐渐变得突出，尤其是所需打印的零件越来越大，设备打印幅面也随之扩大，单激光打印时间变得越来越长，因此亟需寻找解决办法来降低生产制造成本，提高单位时间内的生产效率。 金属3D打印的主要的成本构成有设备折旧、粉末成本、耗材、人工、后处理费用、水电气、场地等。提升打印效率的主要方法有采用多激光提高扫描效率，缩短单层铺粉时间，采用大层厚工艺参数以及扫描策略上的优化等。 在“成本和效率”问题上，华曙高科在给客户提供高性价比的设备同时也不断进行技术创新以提高设备的生产效率，为客户创造更多价值。自2019以来，华曙高科中大型、多激光金属设备的订单和装机量均显著增长，经历了产业化客户的验证。本期我们重点介绍华曙高科的提效降本技术之一 —— 多激光技术。 一. 高品质、高效率的多激光增材制造系统 采用多激光打印并不是简单的激光器、扫描振镜在数量上的叠加，只有当多个激光之间的激光一致性问题、扫描振镜搭接校准问题、搭接稳定性问题、多激光扫描任务分配问题等得到彻底解决才能形成稳定的高品质高效率的多激光增材制造系统。 1.激光一致性问题 激光的一致性主要包含两方面，一方面是光斑形态及尺寸，另一方面是激光功率。 华曙设备的光路系统为全自主研发，包含了光学系统整体设计、光学元器件的选型（源自高端知名品牌），安装调试等。 凭借过硬的研发实力和超过10年的工程应用经验，华曙能够将多激光设备的不同激光的光斑形态基本调至一致，光斑尺寸偏差控制在±3μm以内。 下图为用光束质量分析仪在华曙FS421双激光设备上所测得的前后激光光斑形态测量图。 前激光光斑形态 后激光光斑形态 依靠华曙自主研发的激光功率校准软件和测试工装可方便快捷进行校准，经校准后不同激光之间的功率偏差可控制在3W以内，FS421M双激光的功率校准结果如下图所示： 前激光功率校准 后激光功率校准 2.扫描振镜搭接校准问题 扫描振镜是激光选区熔化成型设备的首要核心部件，成型精度主要是通过它来保证的。通过计算机系统与振镜运动控制卡来控制振镜进行指令角度的偏转，从而实现激光束在指定位置进行精确扫描。 在振镜系统中，从理论上来讲其偏转角与平面坐标之间有着固有的非线性映射关系，再加上光学元器件本身存在制造误差、装调过程中也存在误差，这些都会给系统带来“枕形畸变”、“桶形畸变”和“枕桶形复合畸变”等静态误差；同时电子传输线路中的残留噪声、模拟电压漂移也会带来一些系统和随机的动态误差，因此必须进行振镜校准来保证成型精度。华曙高科自主研发了整套振镜校准系统，可方便快捷的实现振镜扫描位置精度的精确校准。 在单个振镜系统校准之后，在多激光的扫描重合区域还需要进行搭接校准，目的是为了让多个激光器在扫描位于搭接区域的同一位置时能够尽可能的重合。在实际扫描过程中如出现偏差，则通过平移加旋转操作便可将两个激光的扫描线重合。搭接校调原理示意图 针对搭接校准这一难题，华曙也自主研发了多激光自动校准系统，包含传感器等硬件工装以及相应的搭接矫正软件，软件自动读取测试数据，自动进行计算偏差和校正。 该套系统的出现能够极大的减少调试步骤，减轻调试人员的工作量，提高准确性的同时也能显著提高校准效率。经长期、多台设备综合验证测试，通过该套系统搭接校准精度可以稳定控制在0.05mm以内，满足航空航天客户的质量要求。 多激光自动搭接校准系统原理示意图 3.搭接稳定性问题 在完成多激光区域的搭接校准之后，通常用户还关心一个问题——搭接效果能够维持多长时间保持不变？ 一个好的光学系统设计再加上使用过程中的正常维护，按理来说搭接在相当长一段时间内均不需要再次校准。但是通常情况下，为了能够更好的监控设备搭接状态，建议每半年进行一次搭接效果检查，若出现搭接超差的情况则视情况进行调整，若搭接效果在标准要求范围内则不需进行调整。 同时，为了能够更好追溯多激光打印产品质量，也建议用户在实际的打印过程中，在多激光搭接区域放置金相块以及拉伸样条对搭接效果进行随炉旁证和质量追踪。 4.多激光扫描任务分配问题 当激光器数量增加之后，在扫描任务的分配上变得复杂，除了考虑成形效率之外，还需要考虑多个激光之间的相互影响，尤其是上下风向以及当两个激光相互靠近时的影响。优异的风场设计能够在一定程度上减轻这种影响，但是依然不能完全避免。经过长期的烧结验证测试，华曙高科在自主研发的数据处理软件BuildStar平台上专门开发了基于多激光设备的智能切片算法，能够从扫描任务分配层面上有效规避上述问题，在保证烧结质量的同时将效率提升至最大化。同时也提供用户自定义模式，零部件可按照用户指定的激光ID进行烧结。 FS421M-双激光 数据处理软件BuildStar切片扫描任务分配 FS621M-四激光 数据处理软件BuildStar切片扫描任务分配 FS621M-四激光 大幅面实际扫描效果（对应上图BuildStar切片） 材料为IN718 二. 如何评判多激光打印工件质量 在充分解决如上问题之后，便可在多激光增材制造系统上进行高品质的零部件打印。通常需要从三方面来评判采用多激光所打印的零件质量，分别为：表面搭接痕检查、金相观察及力学性能测试。 1.搭接痕迹 零部件表面的搭接痕迹能够直观的体现出搭接效果的好坏，一般也可以通过触摸或放大镜对搭接区域质量进行进一步的评判。搭接效果较差时，搭接痕迹明显，不同激光之间错位较大，用手触摸时凹凸不平感较强烈。 搭接效果较差时的竖直面搭接痕迹 搭接效果较差时的水平面搭接痕迹显微镜下放大图 从上图中可以看出样块表面熔池线纹理清晰、规则排布，表面无明显颗粒物附着，体现其参数的适用性。但是由于搭接效果较差，可以清晰的看到上下两个激光扫描时的搭接熔合线隆起以及侧面的错位，错位量在0.1mm左右。 搭接效果较好的情况如下图所示，从图中可以看出其搭接痕迹不明显，用手触摸时感觉不到凹凸不平感。 FS421M-双激光搭接效果。材料为IN718，层厚0.04mm，工件打印时长206h 搭接局部放大图 2.金相观察 搭接痕迹只能从外观表象上初步判断搭接情况的好坏，虽然具有一定的参考性，但更重要的还必须要从“心”去评判。通常情况下通过对位于搭接区域的金相块的水平面及竖直面进行金相观察，通过比较得出搭接质量的好坏。 搭接未调试到位时分布在搭接线附近的孔洞缺陷，材料为AlSi10Mg，层厚0.04mm 搭接调试到位后的金相测试结果如下图所示，从图中可以看出中心搭接区与非搭接区金相无差别。 材料为AlSi10Mg，层厚0.04mm 3.力学性能测试 除了对搭接区进行金相观察外，还需要对搭接区域的力学性能进行测试，以进一步来确认搭接区域的质量。下图为FS621M-四激光设备的搭接测试包。 FS621M-4激光搭接性能测试包 材料GH3536 层厚0.06mm 打印时长25h32min 打印态性能测试结果（平均值）如下： 从测试结果看，搭接区域与非搭接区域样条性能基本一致 多激光3D打印系统是面向高效率、大尺寸及批量制造的解决方案之一，也是粉末床激光成型工艺发展的新趋势，它意味着可以给客户提供高效率、低成本的解决方案，也为3D打印技术在更多行业领域的应用打下坚实的基础。 华曙高科坚持自主研发与创新，攻克了多激光增材制造系统中存在的多个激光之间的激光一致性问题、扫描振镜搭接校准问题、搭接稳定性问题以及多激光扫描任务分配问题等诸多难题，并在产业化客户处实现了多台多激光设备的装机验证，设备所打印的零部件成功通过航空航天领域相关严苛测试标准并通过最终的验收，这标志着华曙高科的多激光增材制造技术成功走向产业化。 注：本文内容来自华曙3D打印。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.专题：2021，多激光、超大型金属3D打印的时代已经到来 2.专题：金属3D打印企业（产品）差异化竞争的六个实例 3.从有需求、无设备，到打印全球最大火箭燃烧室，成就航天，也成就3D打印行业 4.中国财经报：增材制造强力赋能制造强国建设

世界上许多性能最高的液体火箭发动机都是在20世纪80年代由俄罗斯和乌克兰的团队设计而成。科学家和工程师在当时的苏联取得如此成绩确实令人震撼，其代表产品RD-180至今仍然用于美国阿特拉斯5号的一级火箭。这也是被部分中国航空航天公司关注的重要原因。 不过，盯上他们的不止中国人，成立于2018年、总部位于纽约的航天技术公司Launcher，不久前任命了前乌克兰海基发射服务公司Yuzhnoye的液体推进部门副总设计师、火箭科学家伊戈尔·尼先科为首席设计师，其在高性能液体火箭发动机开发方面有超过30年的经验，参与了多种运载火箭推进系统的设计和开发。双方都在将增材制造大范围用于火箭重要部件生产方面富有冒险精神。这些努力，不仅成就了航天，也成就了3D打印行业。   3D打印，是新兴航天公司致胜的重要依赖技术 对于火箭开发来说，最具挑战性的任务之一就是制造富含狭窄、复杂形状冷却通道的燃烧室。火箭在发射过程中，燃烧室的温度达到3000-4000℃，这足以熔化任何金属。导致它不会立即熔化的唯一原因，就是一侧散失的热量要比另一侧吸收的热量更多更快，大约1mm壁厚的冷却通道发挥了重要作用。而它的机械加工，尤其是随后的封闭，都是一项困难的技术挑战。 通过3D打印，可以在燃烧室中创造出最优形状的冷却通道，将高传热和低水力损失结合起来。使用传统技术创建这样的通道，将会产生极高的机械加工和钎焊成本。对于新兴航天技术公司来说，3D打印则是他们致胜的关键。Launcher 3D打印的全尺寸E-2液体火箭发动机 2020年10月， Launcher开始测试其全尺寸的E-2液体火箭发动机，旨在以最低的成本为小型航天运载火箭提供最高的性能。因为采用了一米高的3D打印单件铜合金燃烧室，这家只有不到20名员工的公司，得以在最短的时间以相对较低的预算实现了这一目标。 然而，E-2液体发动机的3D打印零件不只有燃烧室，还有液氧泵、涡轮泵以及喷油器等等。接下来，3D打印技术参考将分别介绍这些零件的制造材料、完成单位以及其他细节。 从有需求、无设备，到打印一体化的全球最大火箭燃烧室 早在2017年，Launcher就指定了E-2发动机的制造路线图。最初是将涡轮泵的开发作为其首要目标，这是因为当时的SLM设备已经具备了这一应用所需的制造体积，然而当时还没有可以打印一米高零件的3D打印机，无法整体制造单件E-2燃烧室。其他航天公司则调整思路，选择生产较小的发动机，或者将零件分成三件或更多件分别打印再组成一个整体。然而，这种方法会降低燃烧/冷却性能，增加发动机重量以及成本。 Launcher一直在推动SLM设备制造商开发更大成型尺寸的金属3D打印机，但当时只有EOS旗下的AMCM公司愿意尝试，并迎合Launcher的开发需求。此外，AMCM看到了更多的潜在应用以及需求，进而加快了开发进程，使其M4K打印机得以提前两年投入使用，这使得Launcher能够在推进涡轮泵研发的同时开发E-2燃烧室。 AMCM M4K打印机 M4K打印机的成型尺寸为450 x 450 x 1000mm，配备4台1000w的激光器。在正式打印之前，AMCM采用AlSi10Mg打印了第一个燃烧室模型。最终全尺寸的燃烧室采用CuCrZr合金打印而成，它是世界上最大的单一组成部分3D打印燃烧室。 2019年以来，AMCM已经为Launcher完成了多个版本的燃烧室制造任务，以供不同的测试需求。2020年10月lanucher开始对E-2进行测试，前两次测试的燃烧室并没有冷却功能，以降低风险并测试3D打印喷油器的性能，两项测试均获成功。第三次测试的燃烧室则具有全部功能，并确保冷却通道的清洁。 3D打印的铜合金燃烧室具有优异的表面质量 镍基合金只是折中方案，铜合金整体打印却不是谁都能做 在开发全尺寸的E-2发动机之前，E-1已经是一款功能齐全的小型原型机，用于全面评估和测试发动机设计的各个方面。最初计划采用镍基合金制造这两款发动机。但在项目的早期阶段，Launcher发现英国3T Additive Manufacturing 公司正在采用SLM技术打印铜合金。双方接洽后，开始测试标准的C18150 CuCrZr合金作为燃烧室材料的性能，结果发现该材料具有高效的热传导性和冷却效果，且传导性能达到了镍基合金的20倍，不仅提高了燃烧室的寿命更降低了成本。 如今，铜合金被广泛认为是冷却液体火箭发动机的最高性能材料，而镍基合金则是一种折衷方案。然而，在当时则鲜有能够完整打印整件铜合金燃烧室的服务提供商。通过与3T的合作，Launcher在不到8周的时间里完成了从报价、制造到试车的过程。 3D打印燃烧室剖面图可看到复杂的流道 从E-1到E-2，更大的内部冷却通道更容易打印和清洁粉末，但制造具有必要强度的壁和歧管则较为困难。这一阶段的关键除了设计优化之外，还需要在打印机上开发能够制造一米高铜合金燃烧室的工艺参数，这成为该项目成功的关键因素之一。 工艺开发分为两个阶段，首先是在AMCM M290 1KW打印机上开发，之后将其移植到M4K上，它们具有类似的光学配置。在生产完第一批样品并确认材料质量后才进行燃烧室的打印。2018年和2019年，launcher对E-1发动机的各种原型进行了试车，包括研究不同制造参数（如粉末层厚度）的性能，以及制造速度和制造成本等。 3D打印的燃烧室在进行热等静压 热处理也是项目成功的关键因素，E-2的最终热处理和热等静压（HIP）由Launcher定制开发，Quintus Technologies的设备完成，以达到其特定的材料性能目标。 除燃烧室、喷油器采用3D打印制造外，E-2火箭发动机的液氧泵、涡轮泵也是3D打印而成。前者是火箭发动机的核心部件，用于液氧的输送与增压，由EOS M290采用镍基合金和铝合金材料3D打印；后者又被称作是火箭发动机的心脏，用于给发动机增压，它由Protolabs采用Velo3D的设备和In718镍基合金打印而成。可以明确的是，这两个零件都经过了热处理，并留下了经过加工的表面。截至2020年7月，3D打印的涡轮泵已完成70多次验证。 3D打印的E-2火箭发动机液氧泵 3D打印的E-2火箭发动机涡轮泵 将3D打印的优势、缺点，统统转化为优势 Launcher首席设计师伊戈尔·尼先科列举了增材制造技术的优势，包括实现独特形状（包括内部通道等）的设计自由度的能力、相比传统技术在进行更大和更复杂项目方面的处理速度以及将多个组件整合到一个零件中的能力等，均被用到了E-2燃烧室的设计和制造中。然而，3D打印也有固有的不足之处，即表面粗糙度较大。然而，在燃烧室的设计中它也起到了积极作用：通道中的粗糙表面可以显著增加冷却液的传热。在一些传统制造的发动机中，燃烧室通道也会以特殊方式加工来获得人工粗糙度。3D打印在此方面的不足，反而变成了优势，从而减少了后续加工。 燃烧室已连接管道准备试车 任何传统技术，包括冲压、机加工、钎焊、焊接和再次机加工的许多阶段，都不可能在两周内从零开始制造出一个几乎完工的燃烧室，即使拥有这方面所需的所有机械，而增材制造却将此变成了现实。 END 航天领域将成为金属增材制造越来越重要的市场。Launcher和AMCM之间的合作，使由此产生的材料和工艺技术向更为宽广的应用范围扩展。作为一项加工技术，它不仅被行业巨头开放，私营企业和小型组织也完全可以获取。 金属3D打印是促成Launcher等私人航天快速发展的创新技术之一，它以相比过去极低的成本开发和制造火箭发动机，大大加快了开发时间，并取得了燃烧效率的提高。而在此前，火箭发动机的高昂成本只有超级大国才能负担得起。如果没有3D打印，像Launcher这样的小公司则不可能以如此小的代价取得如此大的成功，而没有这些应用的推动，3D打印技术的发展则可能不会这么迅速。 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.兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 2.国家增材中心10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 3.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 4.从143到304，多材料3D打印为汽（赛）车提速、增效、降本

  在赛峰集团与SLM Solutions的一个联合项目中，双方采用选区激光熔化技术制作了一款商务喷气式飞机的前起落架组件，采用SLM技术来3D打印制作如此大尺寸的飞机部件，尚属世界首次。 该项目的目标是证明通过SLM3D打印技术生产主要配件的可行性。传统起落架零件，通常是通过5轴加工和三个锻造零件组装而成，为适应3D打印逐层制造的工艺特点，需要将组件进行重新设计，这不仅节省了整个制造过程的时间，最终还将原来的三个零件组合为一个整体，重量减少了约15％。 作为将载荷从车轮传递到飞机结构并在起飞后缩回的部件之一，赛峰对该零件的性能有严格的要求，因此材料选择了钛合金，它不仅强度高、耐腐蚀，打印后的表面质量也能够达到使用要求，仅需对功能表面进行机械加工。相比能量沉积技术，后者虽也能制造大尺寸零件，但仍需大量的后期加工才能满足使用要求，这无疑会耗费更多时间并增加成本。 赛峰着陆系统增材制造项目负责人表示，之所以选择SLM Solutions，不仅在于激光粉末床技术相比粉末沉积技术的优势，还在于该公司具有足够的专业知识，且其SLM®800设备能够满足赛峰在机器尺寸和可靠性方面的要求。 SLM®800仍然是目前世界上最大的金属3D打印系统之一，它具有垂直延伸的结构外壳，非常适合生产大型部件。该机器配备了SLM Solutions经过验证的四激光技术和创新功能，例如获得专利的气流和永久性过滤器，可确保最高的可靠性。 SLM Solutions全球服务与解决方案执行副总裁解释：“增材制造能够快速制造测试零件，这有助于在鉴定和认证阶段节省时间。采用大型工业级增材制造设备可以在几天内生产主要配件，而锻造过程则需要几个月。” 赛峰对着陆部件的新设计已实现了在零件性能和减重方面的双重目标，目前已经申请了专利。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.国内外采用3D打印直接制造飞机起落架的技术和材料 2.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 3.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 4.多激光无缝拼接的大尺寸粉末床激光熔化自动化设备是怎么工作的？

近日，来自挪威科技大学和意大利特伦托大学的研究学者发表顶刊综述文章，讨论了迄今为止在改善金属3D打印点阵结构疲劳性能方面的进展，为全面理解晶格结构中的关键特征做出了贡献，填补了疲劳如何严重降低整体结构完整性的空白。 先进制造工艺的快速发展使超材料晶格结构的制造成为可能。这些轻量化、高性能的结构已迅速在几个主要工业领域获得应用，其全面使用只是时间问题。加速这一应用就必须对其相关参数有一个清晰的了解，并开发先进的方法来评估其机械性能及其在不同载荷条件下的失效机制。 事实上，晶格结构的性能深受工艺缺陷的影响。很多人只看到它具有轻量化、刚度和强度等综合性能，但对疲劳性能却关注甚少。疲劳始终是绝大多数关键结构材料的主要退化机制，尤其是在高温（蠕变疲劳）或不利环境（腐蚀疲劳）下。与刚度和强度的整体特性不同，过早疲劳失效是由局部因素驱动的，如缺陷、微观结构、表面粗糙度等。 航空航天、汽车、医疗领域3D打印点阵结构的应用 3D打印的点阵（蜂窝或晶格）结构特别容易发生疲劳损伤，主要原因有五个：•多孔材料的微结构是整体结构弱化的内在因素，多孔结构由在特定点（称为节点）连接的支柱组成，减少了承载面积并增加了应力集中。 •3D打印的点阵结构通常几何精度差、表面形态复杂，这导致打印完成的实际零件与和设计状态之间存在差异。 •对最小可打印细节尺寸（如桁架厚度和圆角半径）存在技术限制。对于精细特征尺寸，所需几何结构和实际几何结构之间不可避免的差异使传统的通过设计来减少局部应力集中的措施变得不再有用（如支柱尺寸逐渐过渡、支柱之间边缘平滑或应力释放槽）。 •相对于打印方向的支柱倾斜角度也是必须考虑的因素。倾斜支柱由松散粉末支撑，粉末的热导率低于固体，不同的热条件可能产生独特的微观结构和高度不规则的表面形态。 •疲劳比任何其他机械性能更受制造工艺的影响，已有很多研究强调了缺陷的重要性。 3D打印零件的表面粗糙度包括大量的局部缺陷（也称为微缺口），这些缺陷是疲劳裂纹萌生的潜在位置。3D打印技术参考曾详述金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响，在此我们不再展开讨论（请查看延伸阅读）。几何缺陷也会对点阵结构的力学行为产生影响，为了在疲劳预测过程中采用更准确的实际晶格结构，可以使用CT扫描技术，在此方面北理工方岱宁院士团队有详细研究。 北理工方岱宁院士团队3D打印的晶格结构和拉伸试样 很多有关晶格材料的文献表明，大多数疲劳设计方法都依赖于实验，而这些实验是为处理选定的晶格结构和材料而定制的，既费时又昂贵。另一方面，现有的理论方法似乎缺乏准确性，主要是因为它们的简化方法可能无法捕捉晶格结构中的真实应力分布。在没有残余应力的情况下，可能影响晶格结构疲劳行为的变化源除了上面提到的几点外，还可能包括晶格结构中的支柱连接，这也是本综述关注的重点。 多孔材料示例：（A）闭孔泡沫（B） 开放式单元格（C） 规则点阵设计和制造具有具有足够抗疲劳的材料并能够可靠预测其安全寿命是一个巨大的挑战。 该综述文章总结了大量基于晶格结构的文献，以确定这些结构的潜在和主要局限性，特别强调它们在承受循环疲劳载荷时的情况。研究人员的目的是“填补空白”，全面了解晶格结构中的关键特征——疲劳如何严重降低其整体结构完整性，并就如何解决这一问题提供完整和最新的技术。 有限元分析已经在使用晶格结构的实际几何形状，以比较真实几何体和标称CAD几何体中的应力状态，从而定性地将数值结果与实验疲劳数据相关联。通过对试样进行显微CT扫描获得了打印完成的实际几何结构，以此对支柱连接处的应力分布进行的有限元分析表明，模型中的应力集中程度较高；然而，模拟值仍然低于实验中预期的应力集中程度。据报道，这是由于为了将有限元模型网格化而执行的平滑程序使表面切口的严重程度降低了，尽管结构中存在残余应力，在消除应力后也会显著影响数值分析的精度。 具有相同相对密度、弯曲和拉伸为主的多孔材料的典型压缩过程：1）线弹性状态 2）屈服后 3）致密化 在单轴疲劳荷载作用下，局部应力的存在将导致晶格中的应力呈现多轴、非对称和不均匀状态。因此，对于这些复杂结构，应采用能够解决平均应力和应力梯度下应力多轴性的疲劳准则。Boniotti等人报告了针对这些特定点的疲劳预测策略的主要结果，在对晶格的微观CT结构模型进行应力分析后，采用临界距离理论进行疲劳寿命预测。为了解决多轴问题，根据Sines提出的等效vonmises应力计算了应力幅值。在这种情况下，对于每个节点，在其周围的球形控制体积中确定平均等效应力振幅。控制体积的半径设置为El Haddad的尺寸参数，该参数是从相同材料的疲劳评估中获得的。当局部等效应力幅值大于材料的疲劳强度时，疲劳裂纹萌生将在有限元模型中发生。使用这种方法，能够成功预测疲劳寿命和失效位置。 END 晶格结构可以设计或定制，以实现特定的结构功能和性能要求。它们具有比表面积大、质量低、重复结构规则、孔隙连通性好等优点，因而具有很高的应用价值。 3D打印可以对点阵材料的微结构甚至多尺度结构进行全面而精确的控制。然而，缺陷和不完善是不能完全消除的。由于晶格表面的均匀化和提高其结构延性的可能性，对其进行特殊的后热处理可以显著提高疲劳寿命。 注：关于研究内容详情已上传QQ群。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.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 3.摆放位置和粉末重复使用对3D打印零件疲劳性能的影响 4.看EOS如何提高材料的疲劳性能（内附一种无支撑工艺方案）