本文以DfAM的设计思维分析SpaceX 龙飞船3D打印推力室的结构特点，以设计师的思考方式，系统梳理整个设计过程，并通过实际仿真切片和打印，验证其合理性，为想学习DfAM设计思维的同仁提供参考。 DfAM（Design for additive manufacturing)是一种设计方法，常见的定义是：基于增材制造技术的特点，通过形状、尺寸、层级结构和材料组成的系统综合设计最大限度提高产品性能的方法。 3D打印制造的龙飞船发动机 2020年8月，SpaceX龙飞船成功携带宇航员返回地球，商业载人航天时代正式开启。我们已经知道，帮助龙飞船实现逃逸功能的动力系统——飞船侧壁的8台超级天龙座发动机系统（Super Draco逃逸发动机），其推力室采用镍基超合金通过激光粉末床熔融技术制造而成，借助该技术的复杂制造和集成制造优势，将之前几十个不同零部件缩减为三个，保证了高压液态氧和高震动情况下的正常运行。与传统铸造件相比，3D 打印推力室具有优异的强度、延展性和抗断裂性，并极大缩短了整个发动机的设计和制造周期。 功能要求对结构设计的影响条件A：推力室本身属于压力容器，需要内部管道能够承受符合工况要求的管道压力分布。对于设计而言，就是需要保证足够的设计壁厚以承受工况压力，结合使用的材料参数，我们可以得出管道的最小壁厚尺寸要求。 条件B：该推力室运用于火箭当中，工作状态中外部环境复杂，核心包括振动影响和高温影响两个方面。对于设计而言，需要选用高温合金材料作为制造的材料，同时结构上，在满足管道压力分布条件下，还需要满足振动抗震性要求，设计上保证高刚度，在极限工况下也能保证推力室的正常工作，结合使用材料参数，我们可以得到符合火箭的极限工况的管道的最小壁厚尺寸要求。 条件C：推力室属于整个火箭动力系统的一部分，与其他部分连接的多个固定结构设计要达到整体对于该零件的强度要求，结合使用材料参数，我们可以得到相关的形位尺寸要求以及安装尺寸要求等。 在理解了功能要求对结构设计的影响以后，我们就可以得到整个零件的基本结构尺寸。包含：关键推力室尺寸、管道位置与长度、 壁厚尺寸，与其他部分的固定安装尺寸、总体大小等。 可以看出，这些设计信息只与设计的材料参数和功能实现要求的力学结构计算有关，与制造无关。在理想条件下，只要按照这些指标做三维设计，就可以保证结构的功能性实现。 增材制造工艺做结构的补充设计或调整该零件使用的制造方式是粉末床选区激光融化（LPBF）3D打印技术。虽然有粉末的支撑，但也需要考虑，分层与支撑生成两个关键工艺点。 工艺A：增材制造是一层一层制造，要保证压力管道受力的一致性，那么在主要受压结构上，需要考虑层的分布问题。对于设计而言就是——成型的方向。火箭的整个动力系统基本处于垂直放置的状态，垂直上受压，所以该零件制造时，放置方向也应该是垂直放置，而不是横向放置。 工艺B：自支撑结构+减重设计的融合 根据零件的放置方向和初步的设计计算得出的形状，能够得知在哪些地方会生成支撑，进而设计固定性结构。 对于管道，有两个方法可来避免支撑的产生：一是对于将本身水平放置的管道在不影响总体功能的前提下，调整到45度倾斜的方式，实现自支撑打印。二是改变管道本身截面形态，将圆形管道改成自支撑性截面，即使水平放置，也不会有支撑产生。 管道结构自支撑设计 对于固定结构，连接的法兰盘部分一般壁厚较厚，质量大，以传统设计方式，台阶面还会产生支撑结构，此时需要针对性的做改进，方法如下，但不限于这几种： 1. 大量的倒角圆角运用能够减少支撑的生成，同时保证强度，减少支撑。 2. 变壁厚均匀强度截面设计以满足强度的同时达到减重的设计。这一部分可以单独建模。利用拓扑优化软件，根据受力计算仿真获得优异的等强度截面，并运用到本体的设计中，不用整体所有结构都做拓扑优化。 固定结构自支撑设计 以上两步完成以后，对整体的设计细节要求做一遍检查，没有问题的情况下就可以进行制造了。由于这里是属于压力容器相关的设计，对于微晶网格结构的设计运用，以后在其他设计中再做讨论。 推力室中的自支撑结构设计综合以上的方法，我们来看看在SpaceX 3D打印推力室的设计哪些地方运用了自支撑设计的理念方法： 发动机推力室外部自支撑结构设计运用 在这个设计中，第3个是一个很有亮点的设计方式——3级等壁厚三角支撑肋板设计。该设计在倒角的基础上，通过3级等壁厚等腰三角肋板叠加的方式，在倒角的基础上，进一步减轻了重量，同时避免了支撑的产生。一个结构周期包含3个菱形和4个等腰三角形，是一个非常创新性的结构设计，可以减少大面积支撑下的自支撑结构重量，保证强度。某种意义上，这也算是一种网格设计方法。 3级等壁厚等腰三角支撑肋板设计 推力室中的自支撑结构设计验证以下是基于以上的全部分析，对根据已知的一些条件做了近似设计来验证该结构的设计可靠性。 发动机推力室近似验证设计 将模型转化，放入切片处理软件，可以看到切片的结果，只在末端固定处有少量支撑，考虑到实际设计时，内部复杂管道等，可能还是需要添加支撑，此时可以对产生支撑的局部做微小的设计调整，就可以避免支撑的产生。 加支撑与不加支撑对比 增加加强筋并无支撑打印实物打印验证 最后在增加了肋筋设计元素以后，以实物打印对比结果来看，已经实现了设计的功能要求，设计工作结束。 注：本文内容由林传春原创，3D打印技术参考稍作修改。联系方式：1209320732@qq.com欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SpaceX正在招聘增材制造工程师，职责和要求有哪些？ 2.SpaceX龙飞船成功携带宇航员返回地球（附视频） 3.航天二院科技大讲堂—卢秉恒院士“航天增材制造” 4.LITHOZ 3D打印航空发动机陶瓷叶片型芯

7月23日12时41分，长征五号遥四火箭在海南文昌发射场点火起飞，将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器送入地火转移轨道，迈出了我国行星探测的第一步。此次发射包含3D打印产品100余件。随着各航天强国逐步开始布局月球、火星等深空探测任务，各类需求展现出牵引太空制造技术发展方向的作用，对太空制造技术的关注和期待逐渐增多。包括3D打印在内的太空制造技术被世界各航天强国公认为是人类提升地外活动能力、开展深空探索任务的战略性关键技术之一，因而其也已成为世界主要航天强国最活跃的科学与应用前沿之一。 德国宇航中心（DLR）自2017年就已开始测试零重力条件下的金属粉末床熔融增材制造系统，按照计划，该系统在经过一系列的试验和测试后，会被设计为火箭的有效载荷，并将在本年度首次由MAPHEUS火箭发射升空。 DLR研究项目的主题是粉末床激光烧结/熔融（SLS/SLM）工艺，该工艺仍然是使用聚焦激光束通过层层熔化粉末实现零件成型。与地面相比，零重力条件下的工艺探索要复杂的多。 DLR第33次抛物线飞行测试，被安装在空客A310上的实验装置（1：激光系统和沉积单元；2：气体循环泵和控制系统）对金属粉末的有效处理，是在降低重力甚至完全失重的情况下面临的最大挑战。有针对性地实现厚度均匀的致密粉末层非常重要，它是影响最终部件质量和材料性能的关键因素。此外，粉末层还必须在打印床上保持稳定，直到完成打印。为了实现这一目标，研究人员开发了一种空气气体流动吸入系统，在没有重力的情况下，粉末被有效地“吸”附在打印床上。这种在整个压力范围内稳定粉末的方法已经在之前的抛物线形飞行中进行了多种测试，并且显示出很高的可靠性。 金属粉末床熔融工艺与空气气体流动吸入系统原理 这个用于稳定粉末的气流装置相对于整个增材制造系统来说具备独立的电源供应，重量很轻，且完全自动化运行。其强度和稳定性能够承受火箭发射期间产生的载荷。整个3D打印过程可以从地面通过遥测连接进行监控，火箭有效载荷和地面站将在抛物线飞行过程中并行工作。除了首次在失重状态下对硬件进行测试外，该实验还将针对不同材料和要求更高的材料(如固态金属玻璃)进行系统的参数优化。 微重力下打印的金属扳手 开展微重力条件下的3D打印研究，是当今包括欧洲航天局、NASA、俄罗斯和中国在内的众多航天机构的热门话题。 NASA未来从国际空间站迈向小行星及火星的太空制造技术规划 中国微重力3D打印实验历程 中国在今年5月发射的新一代载人飞船试验船上进行了多种类型的太空3D打印实验，包括碳纤维复合材料3D打印以及金属/陶瓷立体光刻微米级精度3D打印。为了实现这一目标，以中科院为代表的中国研究团队早在2015年就开始了微重力状态下的3D打印实验。 2016年3月，中科院团队利用抛物线飞机产生的微(低)重力环境成功开展了微重力高分子材料及其碳纤维复合材料增材制造技术验证，使我国成为继美国之后国际上第二个实现了这类材料的微重力快速成型相关技术试验验证的国家。 2018年6月，中科院团队利用抛物线飞机开展了低重力金属熔融铸造技术的研究，成功实现了模拟在微重力、月球重力(1/6g)以及火星重力(1/3g)条件下的金属零部件的制造。该技术试验共制造了8件金属样品，样品表面平整，证明制造过程与相应使用的材料对于不同重力条件适应性良好。 抛物线模拟微重力原理 不同重力条件下金属铸造实验用增材制造的陶瓷模具(a)和铸造的金属零部件(b) 同期，中科院团队还将精细陶瓷粉末与有机树脂混合，通过调控流变特性得到了可在微重力环境下有效约束精细粉末的软物质材料。随后利用抛物线飞机开展了微重力制造试验，在国际上首次开展了微重力环境下陶瓷材料的立体光刻成型技术实验。 陶瓷浆料的立体光刻技术试验装置(a)及样品(b) 以零重力条件下的立体光刻技术为例，国际同行普遍认为该工艺在微重力环境下不太可能被使用，因为其主要原材料是液体，而液体在微重力环境中非常容易自由飘散。因此，该实验的难点就在于需要攻克液体在失重环境下难以精确控制的问题。 2020年5月，该实验装置第一次在载人飞船试验船上进行轨精细成型实验任务，最终通过立体光刻3D打印，成功精细制造出微缩版的国旗、中科院院徽、中国载人航天工程标识、三维支架等8件样品，成功实现在失重环境中陶瓷/金属软物质材料的微米级精密在轨制造。 END 增材制造为从液体、粉末或细丝状材料制造组件提供了广泛的选择，包括金属、塑料和陶瓷以及复合材料在内的几乎所有材料都可以3D打印，越来越多的材料已被市场成熟使用。然而太空完全是不一样的情景，所使用的设备硬件和材料有根本不同的要求，而且会更加复杂，即便研究人员已经为失重环境下的制造过程进行了充分的试验准备，但也可能面临多种多样的风险。 虽如此，太空3D打印依旧具有巨大吸引力。随着信息、材料、自动化、快速成型等技术的高速发展, 特别是增材制造技术的进步, 使太空制造技术取得突破性进展。未来太空制造技术将趋向于更高精度、更大尺度以及更快速度，3D打印将发挥重要作用。 欢迎转发 联系微信：2396747576; 硕博交流和资料下载群：867355738；网址：  延伸阅读： 1.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 2.梳理：新一代载人飞船试验船上的3D打印应用及技术来源 3.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 4.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用

7月2日，据外媒报道，国际汽车联合会（FIA）正式将德国APWORKS旗下3D打印高强铝合金Scalmalloy®批准为一级方程式赛车认可使用材料。 按国际汽车联合会的规定，一级方程式赛车所使用的材料均使用世界上最先进的质量轻、强度大的航空材料，采用现代化技术设计制造，一辆赛车的造价一般在百万美元以上。 由Scalmalloy®制造的空气动力学赛车翼子板 Scalmalloy®是一种铝镁钪合金，其拉伸强度（UTS 520 MPa）、屈服强度（480 MPa）和延展性（延伸率13%）均表现出色，且具有耐腐蚀、微观结构稳定的特点，是一款专为增材制造而开发的材料。 该材料由APWORKS和空客公司共同开发，旨在用于航空航天应用。实际上早在2016年，空客就用这种材料3D打印了机舱隔断，成功帮助A320客机实现瘦身。Scalmalloy®的优异性能使其成为赛车运动行业的首选应用材料。空客使用Scalmalloy®3D打印机舱仿生隔断作为世界上第一种专门为SLM工艺开发的铝合金，Scalmalloy®同时也是APWORKS开发并获得专利的第二代高强度铝粉。它具有钛合金和传统铝合金的高强度和低密度特征，结合拓扑优化的轻型结构，能够在规定的重量限制内实现更好的质量分布，提升赛车零件功能水平。 传统铝合金与钛合金及Scalmalloy®性能对比 Scalmalloy®用于汽车热交换器 高强铝合金国内研究进展 目前，市场上似乎已经有了很多牌号的3D打印高强铝合金，如英国铸造公司Aeromet International获得专利的A20X，以及HRL于2019年刚推向市场的7A77.60L；国内有苏州倍丰的Al250C，长沙新材料产业研究院的AlMgMnScZr（未名牌号），以及今年上半年刚刚报道的众远新材料的ZYHA-1。由于此类材料在成分组成上大致相似，业内人士指出需要关注专利问题。在研究方面，今年4月，中南大学李瑞迪研究员发表文章，通过与新西兰奥克兰大学、中车工业研究院有限公司等单位合作，联合研发了一种适用于SLM工艺、具有抗裂纹倾向和多种强化机制的低成本、高强度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金。 与Scalmalloy®或者类似合金（如Al-Mn-Sc）的主要区别是，后者具有较高含量的昂贵Sc（一般大于0.66%），当降低合金的Sc含量进行打印时，会导致晶粒粗化、热裂纹倾向并且显著降低机械性能。 中南大学及其合作团队经过一系列研究，共同开发了Al-8.0Mg-1.3Si-0.5Mn-0.5Sc-0.3Zr—一种新型的高强度铝合金，可同时兼具低成本和易于打印的优点。该合金打印样品的拉伸强度和延伸率可达到497MPa和11%，经时效处理后，其拉伸强度可达到550MPa，韧性为8-17%。 欢迎转发 联系微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.制约铝合金3D打印应用的六大因素 2.铝合金激光能量沉积技术为何难以实现应用，目前的突破有哪些 3.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 4.HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用

在金属3D打印技术中，激光能量沉积技术的一大优点是能够一次成型整体大尺寸构件，而且其材料利用率高、适合个性化零件生产。 在众多激光能量沉积技术的应用案例中，我们看到比较多的是大型钛合金框架结构、镍基高温合金以及铜合金的火箭燃烧室，以及一些其他材质零件的修复案例等等，铝合金零件的激光能量沉积案例极少看到。那么铝合金的大型整体构件制造是没有需求吗？ 大型整体式铝合金构件直接制造的需求 应用案例虽极为鲜见，但大型铝合金构件的直接制造却也有着重要需求。随着航空航天技术的不断发展，对飞行器的性能提出了越来越高的要求。采用高性能铝合金结构件尤其是大型整体铝合金主承力结构件仍然是减轻飞行器结构重量，提高运载能力和飞行速度的重要技术途径之一。因此高性能铝合金的材料制备和零件制造新工艺、新方法始终是研究的热点。 一些民用干线飞机用材结构比例（%） 近年来，美国、欧洲的航空设计部门发现，采用大型整体式铝合金构件替代传统的组合式铝合金构件，可减重15-20%，并且构件寿命及可靠性明显增加。明显可以感觉到，大型客机、战略运输机、战斗机的机翼主翼梁、翼身对接肋、机身承受力框等对铝合金的高性能化、构件大型化的要求越来越突出，总的来说，在航空航天领域，铝合金材料重新受到重视。 然而，当前以SLM技术为主的铝合金3D打印工艺自然无法满足大型构件的制造需求，而激光能量沉积技术为什么没能用于大型整体高性能铝合金关键金属零件的直接制造呢？ 采用激光能量沉积直接制造铝合金构件的瓶颈目前，铝合金激光能量沉积技术多停留在研究阶段，即便采用送丝打印能够使用，也存在成本控制和质量问题。究其原因，主要有以下几点关键技术难题未能有效解决： （1）与钢和钛合金相比，铝合金的导热率更高，而铝本身的激光吸收率低、反射激光率高，在铝合金激光直接沉积过程中，会有更多的能量通过基体的热传导损失掉，降低铝合金零件成形效率； 激光沉积用于修复 （2）钢的热膨胀系数是铝合金的一半，铝合金激光直接沉积过程中的变形和应力都较大，需要采取零件变形开裂预防措施； （3）铝合金在激光直接沉积过程中极易与氧发生反应生成熔点高（2050℃）、相组织稳定、密度相对较高、难以去除的Al2O3。Al2O3氧化层会在后续沉积过程中形成夹渣、未熔合等缺陷； （4）铝合金密度低，激光沉积过程中易受到激光轰击产生粉尘飞溅，一方面使制品产生缺陷，另一方面造成成形腔室粉尘飞扬，影响打印环境； 激光沉积用于修复 （5）铝合金在熔融的状态下，氢在铝合金中的溶解量会大幅度增加，同时由于良好的导热性，在熔池快速凝固的情况下，氢难以逸出，滞留在熔池中形成气孔； （6）铝合金在激光直接沉积过程中可能造成低沸点合金元素（如Zn、Si等元素）烧损，造成合金成分的变化，影响零件的组织和性能。 铝合金激光能量沉积技术取得的进展 据外媒5月12日报道，知名工业级3D打印机生产商Optomec宣布，其公司LENS定向能量沉积（DED）系统在增材制造和铝合金修复方面取得了突破。该公司表示，这项创新技术可用于沉积任何种类的铝合金材料，包括其专门为提高增材制造加工性能而开发的铝合金。 Optomec LENS DED系统将铝粉打印到铝合金基板上 Optomec公司这一DED工艺的发展为交通运输和航空航天工业提供了一种新的加工途径，即可以利用粉末冶金的DED工艺对复杂的铝合金零件进行修复。此外，使用Optomec的LENS同步五轴系统可以直接加工具有复杂几何形状的铝合金零件，而无需任何支撑结构。铝合金在极低的氧气浓度和湿度的可控工作箱中沉积，从而确保制造出具有优异机械性能的部件。 Optomec 3D打印的铝合金样块及显微组织 当前，Optomec的工程师已经完成了铝合金的工艺参数开发，可提供出色的表面光洁度，高沉积速率和约99.9％的密度。 国内方面，在2017年的一篇报道中提到，「顶立科技通过自有技术，重点解决了旋转雾化制备铝合金粉体材料微量氧元素控制，低熔点元素烧损机理、铝合金激光直接沉积增材制造过程控形控性机制、激光直接沉积铝合金构件热处理组织调控机理、零件性能表征及考核验证方法等关键科学问题；突破超纯洁净专用铝合金材料制备、自适应激光直接沉积增材制造技术、高性能热处理等多项关键技术，最终实现大型整体高性能铝合金构件在航空领域的应用。」但实际应用案例并未披露。 除此之外，笔者也查询了国内中科煜宸的官网，明确提到可以采用激光能量沉积技术打印铝合金，但这方面的案例也确实鲜见。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：网址： 延伸阅读： 1.制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展 2.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹

由于金属3D打印具有复杂的物理冶金过程，现行的技术手段很难确保加工工艺的可重复性和质量一致性，这一点极大限制了激光增材制造的广泛应用，尤其是航空航天领域的高附加值零部件的批量生产。 质量保证和过程监控一直以来都是金属3D打印技术的热门研究，有效、可靠的质量保证手段是增材制造用户最重要的需求。 目前行业领先的增材制造设备商均采用过程监控技术解决这一问题， 如EOS的EOSTATE模块，SLM solutions的QAS模块，Renishaw的InfiniAM模块，以及Concept Laser的QMmeltpool模块等，国内在该领域的发展稍显不足。 为了保障航空航天领域对高附加值产品增材制造过程的可追溯性、工艺可重复性和性能一致性的要求，西安空天机电智能制造有限公司（简称西空智造）推出了一款国产激光增材过程监控系统。该系统包含粉末床在线监控模块和熔池在线监控模块，针对激光粉末床熔融工艺的两个关键点进行监控。 粉末床监控模块可以实现铺粉状态的在线识别，打印精度的实时分析以及零件打印结果的三维重构；不仅可用于质量监测，还可兼容适应性加工以及零件嫁接。熔池监控模块一方面可以实时监测熔池是否失稳，另一方面可作为工艺策略优化的定量化指针以及熔池熔化凝固的热力学/动力学分析工具。此外，在线监控也是打印过程闭环控制以及智能化的基础。接下来，我们将逐一进行介绍，并对典型应用场景进行展示。 工作台面 系统前端（左-熔池监控模块；右-铺粉监控模块） 铺粉监控模块 简介：铺粉监控模块主要用于监测激光粉末床熔融制造过程铺粉和打印后状态监测；识别铺粉和打印过程中的异常现象，进行缺陷智能化分析，实时闭环控制，保证铺粉和成型质量，提高打印过程的可控性。 粉床加工过程 过程监测：基于图像处理和机器学习算法，实时对铺粉和打印过程的缺陷进行标记和分类，包括刮刀抖动、刮刀拖拽、不完全铺粉、零件漏出、黑斑等典型异常。 闭环控制：针对异常情况实时反馈，如再铺粉、停机、工艺参数调整等，确保打印过程中铺粉均匀性和稳定性，提高打印质量。 统计分析：全过程的历时数据可便捷查看和追溯，可进行三维模型重构，并对不同切片特征进行观察和缺陷统计，出具零件质量分析报告。 用户参与：可实现实体区域自定义、每层区域自定义、各类缺陷阈值自定义、原始数据提供，同时支持用户个性化定制。 熔池在线监控模块 简介：熔池监控模块是一种将激光粉末床熔融过程中熔池信息可视化的监测工具。实时记录生产过程中熔池产生的等离子体辐射和熔池形貌数据，是工艺开发、优化和评估的重要资源。可将零部件生产过程中的质量信息完整记录并标识出生产过程中所存在的异常情况，形成质量文件以供用户参考。 熔池在线监测系统界面 过程监测：基于信号和图像处理算法，获得高质量的熔池辐射强度、熔池形貌等信息；实时解析获取激光扫描X/Y位置；实时监测激光开关、激光功率等。实时对打印层缺陷进行标记和分类，包括温度过高，熔池失稳、飞溅过大等典型缺陷。 闭环控制：由于熔池特征较为复杂，影响因素较多，整个过程有着非常高的动态特性，开发自动修正反馈回路，硬件和工艺层面均面临巨大挑战,目前该功能仍处于研制阶段。 统计分析：精细化分析历史数据，全过程数据可追溯和用户操作日志查看，不同切面扫描特征观察及缺陷统计，及零件3D模型分析报告。 用户参与：支持缺陷最小识别率设定、不同缺陷阈值自定义、原始数据提供以及用户个性化定制。 三维可视化及缺陷重构代替CT检测 基于监测数据生成三维模型，结合图像处理算法和机器学习算法实现缺陷重构，对缺陷位置、类型和形貌进行标记和分类，代替昂贵的CT检测结果。 历史查看和3D重构 工艺策略控制和优化工具 为用户提供所有原始数据，配置数据分析模块和工具，为工艺优化提供解决方案和思路。 工艺参数-熔池状态-信号特征映射关系分析 缺陷识别与反馈 建立3D打印过程的闭环控制，实现工艺控制智能化和零缺陷零件制造。 熔池形貌提取 典型缺陷在线识别 铺粉状态以及打印过程中的在线监测不仅有利于深入理解粉末床激光熔融的物理冶金过程，同时可作为保证零件质量的重要手段。西空智造推出的增材制造过程监控系统，无疑将推动国产金属增材制造技术的发展进程，同时将为航空航天增材制造的工艺稳定性和可重复性提供质量保障。目前，该产品已在空军工程大学航空备件应急保障制造和抢修中得到应用。 2020年7月8-10日 上海TCT展位E5-A14，欢迎业内同行咨询交流。 联系电话：029-85839199 手机：15929305831（成博士）；13572545688（张经理） 邮箱：chengxing0520@hotmail.com 官网：www.xaktzz.com 欢迎转发 联系微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.金属3D打印质量的有力保障——过程监控技术 2.SLM无支撑智能系统PK HP与Desktop Metal

我们在此前的文章中曾经介绍，3D打印虽然能够节省材料，但它同样会造成大量的材料浪费。以SLM技术为例，这些材料浪费主要来源于支撑结构、废件、被循环系统带走的金属粉末以及粉末筛分过程产生的损失。而如果要采用金属3D打印技术直接制造火箭，其产生的材料浪费无疑会相当可观，而且，能否使用多次循环的粉末用于火箭关键部件制造，目前来说也没有明确的结论。 削减成本，一直是火箭发射市场关注的焦点。美航空航天增材制造企业Relativity Space的目标是通过3D打印来制造整枚火箭，该公司拥有自己的3D打印工厂，并开发有大型金属3D打印机，能够在数周内完成火箭制造。然而面对经济性和3D打印造成的材料浪费，该公司也在寻求实现材料循环经济。 Relativity Space 3D打印的Aeon1发动机，约由100个零件组成 3D打印材料的可回收性和再利用性是企业降低成本、实现可持续发展的重要因素。对于金属3D打印来说，粉末材料的价格往往非常高昂，材料的浪费难以被忽视。 在这种背景下，粉末制造商6K的工艺可谓极具吸引力。该公司使用一种被称为微波等离子体的制粉工艺（UniMelt），采用CNC铣削和磨削废料以及3D打印支撑结构、不合格的零件为原料来生产粉末，并能够将多次循环使用的粉末优化为合格产品。其制粉效率也远超气雾化法，这为增材制造应用端提供了一种新的方式来管理项目成本和控制供应链，同时还可以促进增材制造向循环经济发展。 6K促进增材制造向循环经济发展 日前，Relativity Space宣布与6K建立战略合作，共同开发经济、可持续的材料用于火箭3D打印。该合作将建立闭环供应链，届时，Relativity生产过程中产生的废料将通过6K转化为优质粉末，并重新部署到Relativity工厂。两家公司还将共同开发用于火箭制造和太空应用的新材料。 在上个月，6K公司实现了首批两套金属粉末生产系统落地运行，其每年可生产100吨粉末。这两套系统专门用于生产航空航天领域所使用的镍基和钛合金粉末。通过利用6K的周期性粉末循环生产技术，Relativity Space能够有效地重复利用粉末废料来生产3D打印零件，从而改善自身的可持续性实践。该公司已于今年2月引入了更大的金属3D打印设备，用以生产Terran 1火箭。 6K使用Onyx In718打印的火箭喷嘴 为创建可持续的3D打印粉末闭环供应链，两家公司制定了从概念验证到零件打印结束的三阶段发展规划。该规划将证明使用6K的UniMelt工艺能够将Relativity的金属废料转化为优质的3D打印粉末，同时确保粉末符合Relativity（和航天工业）的生产标准。从长远来看，使用6K的技术将使Relativity Space实现对金属粉末供应链的把控。 6K和Relativity Space都将此次合作视为将航天工业和增材制造技术推向更可持续发展未来的重要探索。6K独特的工艺可以减少甚至消除材料浪费，并制造出高质量粉末，这对于整个增材制造行业来说，将是真正的循环经济。 往期上传内容：6K公司工艺与产品详解PDF；粉体特性及杂质对打印质量的影响；粉末循环使用的寿命问题、航天用高品质粉末、材料形态对制件性能的影响等 欢迎转发 联系微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.从SLM低产出率，看支撑结构和废件的使用潜力 2.金属3D打印工艺链对TC4粉末性能的影响 3.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 4.激光粉末床熔融技术的安全性：危害和行动建议

轻质点阵结构在承载、吸能、隔热、隔震等领域有广泛的应用前景，采用3D打印制造点阵结构具有高效、灵活的特点，同时也成为3D打印领域的一项重要应用。然而，目前一体化打印的点阵结构存在各向异性和支撑材料去除的问题，前者使3D打印点阵结构的力学性能远小于理论值，后者则增加了后处理的时间与成本。 太空制造大型点阵结构 近日，中国科学院力学研究所热结构耦合力学课题组首次将嵌锁组装方法引入3D打印技术中来制备点阵结构，即通过将三维点阵结构“降维”，转化为二维杆件结构打印，再采用嵌锁组装方法将二维杆件拼装成三维的点阵结构。研究人员分别采用FDM和PolyJet工艺进行了验证，取得了惊人的结果。相关研究分别发表于发表在Materials and Design和Additive Manufacturing上。 研究人员采用该方法，针对熔融沉积成型(FDM)这一3D打印技术，制备了BCC构型点阵结构，实现了杆件结构中纤维的最优分布，相比于一体化打印的点阵结构强度提升了37.6%-65.3%，压缩模量提升了11.4％–39.6％，能量吸收能力提升了67％–270％。 除了机械性能的改善，该方法还实现了较好的表面质量，点阵结构的表面粗糙度较低。研究人员还在一定范围内成功预测了嵌锁点阵结构和一体打印点阵结构的峰值强度和压缩模量。 两种FDM点阵结构制备方法对比(a)一体化3D打印；(b)打印+嵌锁组装，红圈内可见卡扣结构 进一步将该方法拓展到聚合物喷射成型（PolyJet）技术中，制备了BCC、BCC-Z、FCC、Octet四类典型的点阵结构，实现了不同构型的PolyJet点阵结构中杆件的最佳打印方向（X-Y平面）。 （a）嵌锁组装与一体化打印点阵结构中杆件打印方向比较，嵌锁组装实现了所有杆件打印方向的力学性能最优（绿色），一体化打印有部分杆件的力学性能较差（黄色和红色）（b）嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构多胞与单胞试样 PolyJet制备的四类典型3D点阵结构 采用Polyjet技术打印的点阵结构，同样实现了力学性能的提升，与一体化打印的结构相比，压缩强度提升均在100%以上，能量吸收能力提升了72%~186%。由于打印过程无需支撑材料的辅助，打印时间和打印耗材均降低了80%以上。 嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构提升了力学性能、节约了制备成本。图为两种制备方法比较（a）压缩强度；（b）比吸能；（c）打印耗材；（d）打印时间 END 由于点阵结构的杆件均是沿着无支撑或最优的方向进行打印，组装后的点阵结构整体力学性能得到改善。研究人员建立了四类点阵构型面外压缩力学性能的理论模型，试验结果表明，嵌锁组装点阵结构的压缩强度与理论压缩强度接近。 当然，并不是所有的点阵产品都适合这种嵌锁组装方式制备，该研究实际上为高效制备力学性能优异的大尺寸3D打印点阵结构提供了可能。 注：研究原文已上传QQ群。欢迎转发 联系微信：2396747576; 硕博交流和资料下载群：867355738；网址：  延伸阅读： 1.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 2.3D打印实现制造轻量化（二）：优化设计，降低材料使用要求 3.北理工院士团队：3D打印几何缺陷对点阵结构力学行为的影响

在国外3D打印软件充斥几乎整个3D打印市场之际，2019年，来自上海的漫格科技开发了一款名为Voxeldance Additive的增材制造前处理软件，它不仅具备3D打印数据前处理所需要的所有功能，而且可同时面向DLP、SLS、SLA和SLM等多种工艺使用。笔者认为，它可媲美国外主流数据处理软件，可作为从业人员新的选择。 自Voxeldance Additive 1.0发布后，这款软件经受住了市场考验，得到越来越多用户的信任和使用。目前在数造光固化以及易加三维SLM打印机上获得广泛使用，同时与SLS设备商盈普以及多家DLP设备商展开合作试用。 Voxeldance Additive在易加三维齿科金属机上获得成功应用，可智能排布零件 Voxeldance Additive激光烧结数据处理应用 同时该公司也得到了很多反馈和建议，更加明确了软件革新的方向。经过6个月夜以继日的努力开发，还经历了新冠肺炎的特殊时期，漫格科技将正式发布新一代数据处理软件—Voxeldance Additive 2.0，一款更快、更强大的3D打印数据处理软件，特别是针对SLM金属打印，新版本迈出了巨大一步。 下面是来自Voxeldance用户和合作伙伴针对2.0版本的测试评价： “Voxeldance的计算速度很快，而且可以输入多种文件格式，数据转换的效率很高；而且它内置了许多其他软件的功能，无需额外花钱购买某些软件的其他模块，智能化的支撑添加技术不仅快速而且精确。” ---------Marvin，Ego3D Voxeldance Additive 2.0零件自动支撑生成 Voxeldance软件功能齐全，特别是智能支撑模块，用户可一键操作，节约3D打印数据前处理时间，减少人工操作，而且不必年付插件费用。 “智能支撑技术确实非常强大，只要设置好参数，几乎不需要过多的人工调整。自动修复经过‘一键点击’便能完成修复，如果有需要，软件支持手动调整。对于支撑生成和模型处理而言，2.0确实是一个里程碑。通过持续不断的改进，以及与开发人员的直接交流，这款软件就像是量身定做，如果需要新增功能，可直接给开发人员发邮件。” --------- Florian, CEO，surface engine VoxeldanceAdditive 2.0零件自动修复 Voxeldance Additive 2.0的自动修复算法得到了极大提升，漫格科技测试了Thingi10k数据库中将近4000个模型，修复成功率达到99%。同时，考虑到用户打印模型的复杂程度对模型修复效率的影响，Voxeldance Additive 2.0提供了2种不同的修复方式：标准修复和简单修复。标准修复可以使模型得到全面修复；简单修复不会修复自相交，这样对于一些自相交面片非常多的模型，可以在保证模型成功打印的前提下，提高修复效率。 “VoxelDance的智能支撑模板Smart Support Template技术，无需为每个单独零件添加支撑，原来繁杂的打印步骤，如今可“一键点击并打印”。这使得设计人员只需要专注于产品开发，而不必花大量时间进行打印准备工作，从而实现快速设计迭代。” --------- Christopher,创始人/CTO,  Dreigeist Voxeldance Additive 2.0的SLM支撑模块升级 Voxeldance Additive 2.0的SLM支撑模块升级，包括了多种支撑类型的自动支撑脚本和灵活的手动支撑。根据设置角度、高度和面积参数，用户可以自定义在不同的区域生成不同的支撑。比如，柱状支撑、最低线支撑、体支撑、最低点支撑、底板、实体支撑和智能支撑，以满足多种打印需求。更强大的手动支撑功能设计，包括支撑区域列表、支撑模板修改、支撑锚点编辑等，可以使用户随心所欲的修改和添加支撑，达到最完美的支撑设计。另外为线性支撑增加厚度，智能支撑增加了十字加厚的支撑类型。 注：TCT展间产品宣传，请联系微信2396747576。欢迎转发 联系微信：2396747576; 硕博交流和资料下载群：867355738；网址：  延伸阅读： 1.一款基于3D打印工艺预测、性能数据库和全动态工艺自适应调整的黑科技软件 2.ANSYS面向增材制造与先进设计的一体化解决方案 3.改善金属3D打印零件的8个设计技巧 4.EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性

聚合物发泡材料是指以聚合物（塑料、橡胶、弹性体或天然高分子材料）为基础而其内部具有无数气泡的微孔材料，也可以视为以气体为填料的复合材料。 目前，聚合物发泡材料主要是采用发泡剂在树脂内部直接膨胀发泡来制备。但该过程中不可避免且很难控制的泡孔成核、合并、破裂等因素会对泡孔的结构和形貌产生较大的破坏，进而影响到使用性能，如何精准的控制微观泡孔形貌和宏观泡沫结构目前仍然是一个难点。 为了解决直接膨胀发泡法制备聚合物泡沫过程中存在的一些问题，来自美国哈佛大学的研究人员将3D打印技术应用到聚合物泡沫制备中，首次开发出可直接书写的聚合物气泡“墨水”，通过直接书写--紫外固化相结合的方式制备出了微观泡孔形貌、分布以及宏观泡沫结构精确可调的聚合物泡沫，并且通过改变气泡“墨水”的组成，还可以赋予泡沫新的功能。 直接书写法制备泡沫原理为了使直接书写的“墨水”形成宏观泡沫的单个微观气泡，研究人员设计了内外双层结构的特殊喷嘴：内管输送含有聚合物单体、引发剂和表面活性剂的聚合物前驱体溶液，外管输送气体，两者在喷嘴口混合，形成可书写的气泡“墨水”，单个气泡从喷嘴滴落到基底上堆积，紫外光引发聚合后，气泡之间粘合形成宏观泡沫块体。 泡沫书写和固化装置 其中，“墨水”滴落流量以及气体气压是制备不同微观泡孔形貌的关键：根据理论计算及实验结果，作者绘制了前驱体液体流量与气压对气泡“墨水”形态影响的相图。 相比于传统的泡沫制备方法，直接书写法有以下4点优势： 优势一：泡孔形貌及分布可控 泡沫大部分性能与泡孔形貌直接相关，精确制定泡孔形貌进而制备优异性能的泡沫正是直接书写发泡法的最大创新点。泡孔形貌主要包括开/闭孔结构、孔径大小及分布这三个要素。作者通过气体的种类来控制开闭孔结构：以具有聚合阻聚作用的O2为气体时可以使接触O2面的，深度约至40um范围内的单体停止或延迟聚合，从而泡壁变薄，最终变为开孔泡沫；以惰性的N2为气体源时，聚合正常发生，泡壁较厚，形成闭孔泡沫。孔径大小及分布则由气压来调节，较低气压得到的泡孔直径大致为0.5 mm，分布十分均匀；当气压增加后，得到的泡孔孔径介于0.3- 0.7mm之间，分布也较宽。 开孔和闭孔泡沫制备过程 优势二：制备多层次结构泡沫 在喷嘴书写的同时改变喷嘴的空间位置以及气压大小，可以制备不同3D构架的多层次结构材料，如三角形栅格等。通过增加气压或者减缓喷嘴的移动速度，栅格的单根构件就会变宽，反之亦然。 构建的多层次三角形栅格宏观与微观结构 优势三：制备机械性能梯度性泡沫 在连续书写过程中间断性的调整工艺参数来改变局部泡沫之间密度以及模量等参数，使最终得到的泡沫在整体力学性能上呈现出几个数量级的梯度性，实现了像堆积木一样把数个不同的小组分结构件组合成为一个大的宏观体。这种结构的泡沫很难通过常规发泡方法制得。 优势四：制备功能化泡沫 改变前驱体溶液的组成，比如加入某种功能化物质，在泡沫形成后该物质保留可赋予泡沫新的功能。比如，在前驱体溶液中提前加入AgNO3，固化处理后转变为含纳米银的柔性泡沫，压缩时电阻变小，且对压力有很好的线性关系和有很高的灵敏度，有望用于压力传感器。 EOS 3D打印弹性泡沫应用研发与生产EOS 3D打印弹性泡沫使用TPU或PEBA等柔韧性极高的聚合物材料，采用激光烧结技术制造，可以对每个体素（体积像素）进行深度微调，从而获得绝佳的舒适性、安全性和功能性。采用传统工艺时，此过程异常繁琐，需要复杂的工程设计和漫长的生产周期才能生产出符合要求的产品。 EOS 3D打印弹性泡沫动画效果 基于该工艺生产的弹性泡沫材料主要用于生产保护性头盔、个性化矫形器、高性能鞋具以及其他各类应用产品。 为推动3D打印泡沫的应用，EOS推出了Digital Foam计划 目前，EOS的3D打印泡沫制造工艺已经有了很多案例，如橄榄球头盔、矫正鞋垫等等。 END 哈佛大学的研究结果表明直接书写法可以精确地控制微观泡孔形貌和宏观泡沫结构，对泡沫的力学性能进行程序化调控，并且还可以很方便地赋予泡沫新功能，对以后泡沫制备方式的改进有着积极的推动作用。而EOS的技术则直接推动了3D打印泡沫的应用。弹性泡沫遇上3D 打印，将使得该行业重新焕发生机，生产出更舒适、更安全、更轻便且可以个性化定制的产品。 注：研究原文已上传。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.先进材料正在塑造聚合物增材制造的未来 2.中国高分子材料3D打印发展现状概览

在激光金属增材制造中，熔池内的熔体流动决定了熔体的传热传质过程，对熔池、缺陷的形成和演化、凝固和飞溅的产生起着关键作用。因此，熔体流动行为显著影响增材制造零件的微观结构和性能，了解熔体的流动行为对于微观组织预测和过程控制至关重要。在过去30年的时间里，关于熔池中的熔体流动行为一直没有研究透彻。近日，来自麦迪逊大学、密苏里理工大学以及美国阿贡国家实验室的研究人员共同揭示并量化了熔池不同区域中特定位置的流动模式，为研究实际增材制造条件下详细的熔体流动动力学开辟了道路。该研究的主要研究人员为中国或华裔学者，本期，3D打印技术参考对研究主要内容进行介绍。 熔体的熔化模式与表征三维熔体流动的挑战性由于难以通过实验方法直观地观察熔池内部的流体流动，研究人员因此通过广泛的建模和仿真来研究各种条件下的流动模式。材料的熔化方式被分为凹陷熔化和传导熔化。在高功率密度下，由于强烈的材料汽化而产生的反冲压力会在熔池中形成凹陷，即凹陷模式熔化；在低功率密度下，形成的熔池相对较浅、较宽，没有明显的凹陷，形成传导模式熔化。 考虑到激光增材制造中物理学的复杂性，使用单个数值模型来模拟所涉及的多物理现象是极具挑战性的。在真实的激光增材制造条件下，尤其是在激光粉末床熔合条件下，表征三维熔体流动更具挑战性，因为激光通常以更高的速度扫描，并且产生的熔池更小。因此，科学界尚未揭示实际激光增材制造条件下整个熔池中的熔体流动行为。 熔体流动动力学原位采样示意图，高速高分辨率X射线成像系统用于在纵向视图和横向视图中捕获熔池中示踪颗粒的运动 在这项工作中，研究人员开发了一种方法，通过均匀分散大量的微量示踪剂（直径约5μm）并进行原位高速高分辨率x射线原位成像，研究激光增材制造过程中整个熔池中的熔体流动行为。揭示了在传导模式熔化和凹陷模式熔化下整个熔池中每个位置的熔体流动动力学，并分析了熔池中液体流动的驱动力和物理过程。 实验参数设置与熔化模式 实验采用了AlSi10Mg和Al-6061两种铝合金。选择铝合金是因为它们的X射线穿透性更高，同时验证在AlSi10Mg中观察到的熔体流动模式是否也可以在另一种具有不同成分的Al-6061中观察到。 在粉末床的前后两侧分别架设X射线测量装置，分别捕获横向和纵向的颗粒运动。 两种熔化模式下的熔体流动方式由于这两种熔化模式的物理基础不同，传导熔化和凹陷熔化的熔体流动行为表现出很大的不同。 在传导熔化模式下，材料表面被加热，能量吸收的速度超过了热量散失的速度，材料温度最终达到熔点形成熔池。熔体的流动模式相对简单，主要受到Marangoni驱动力的作用，熔体从较热区域流向较冷区域，即从激光加热点到熔池边缘。激光束前面的表面流向前移动（顺时针），而激光束后面的表面流向后移动（逆时针），当到达熔池的每个边缘时，它们将向下流动并在液压的作用下返回到激光加热点，形成两个闭合回路。 传导熔化模式下熔体流动横纵向视图过渡 传导模式下全熔池熔体流动的三维重构 在凹陷熔化模式下，热源能量非常强烈，材料温度不仅超过熔点，而且达到了沸点。在这种情况下，材料的强烈汽化会施加反冲压力进入熔池，从而形成一个凹陷区。在焊接领域，当凹陷区域尺寸比（深度超过一半宽度）大于1时，凹陷模式也称为“锁孔模式”，在这种模式下，热源不仅加热材料的上表面，还通过凹陷区加热材料的内部。 由于强烈汽化引起凹陷，在凹陷模式熔池中的流动模式相当复杂。与汽化有关的力和Marangoni力主导着凹陷周围的流动模式。而且随着凹陷的形成，激光束直接与熔池内部相互作用，从而促进了能量吸收，与传导模式相比，能量吸收导致熔池更大，流动更复杂。 凹陷熔化模式下熔体流动横纵向视图过渡 凹陷上部的熔体向上移动，而靠近凹陷底部的熔体由于受到反冲压力向下移动；熔池表面附近的流动从凹陷出口向熔池尾部向后移动，熔池底部的流动也有向后移动的趋势，除了在熔池的后底部观察到短的向前流动，两股熔体最终合并向上移动，并分裂成两个相反的方向。除此之外，其他位置的流体流动模式和流动速度也各不相同，分别受到不同作用力的控制（详细内容查询原文）。 传导模式下全熔池熔体流动的三维重构 END 总的来说，本项研究的重要意义在于首次揭示并量化了在激光金属增材制造过程中，传导模式熔化和凹陷模式熔化下，整个熔池中每个位置的熔体流动动力学。 通过原位高速高分辨率X射线成像的方法为研究实际增材制造条件下的熔体流动动力学开辟了道路，其发现不仅对理解激光增材制造工艺和其他激光工艺至关重要，对于开发可靠的高保真计算模型也至关重要。 注：本文仅限于学术分享，研究原文已上传至QQ群，谢绝转载至微信以外平台。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：网址： 延伸阅读：1.3D打印工艺预测、性能数据库和全动态工艺自适应调整软件 2.粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制