通过生物3D打印技术，科学家已经可以在体外得到多种人体器官和组织工程支架，如会跳动的心脏、会呼吸的肺和会生长的骨，堪称2019年最突出的生物和医学3D打印研究。 在国内，四川大学研究团队的生物3D打印技术可谓走在前列。2016年，川大团队就已经将生物3D打印的血管植入恒河猴体内；同年，国内首家生物3D打印研究院—四川省生物增材制造产业技术研究院，由四川蓝光英诺生物科技股份有限公司与四川大学华西医院联合建立。 近日，川大再次实现新突破—一种无创生物3D打印技术，可以无创地在正常组织下面直接成型生物墨水，包括活体组织原位构建，从而避免新创伤。相关成果发表于Science子刊ScienceAdvances。本期，我们来介绍这项新技术。 一种无创生物3D打印技术主流的生物3D打印多是指在体外成型组织和器官后通过手术植入患者体内。无创生物3D打印则是一种在病灶位置成型所需构造的皮下直接成型技术，它避免了手术带来的新的创伤，无疑，它具有更高的难度，甚至有些天方夜谭。   体外血管3D打印技术 基于DLP技术的生物3D打印技术具有生物相容性好、细胞活性高，打印精度好、速度快等优点。但传统的DLP生物打印技术都是基于紫外或蓝光引发的光聚合反应开发，皮肤透过性较差，无法直接引发皮肤下的单体聚合。而近红外光则能够穿透深层组织，可用于药物释放控制以及3D图像的可视化，更重要的，它具备引发光聚合的潜力。 然而一直以来，近红外光却并未用于诱导光聚合反应，这是因为近红外光的光子能量较低，且引发剂的光子吸收能力不足，无法有效诱导光聚合。在这项研究中，四川大学华西医院的主要贡献可能有两点：一是以DLP技术为原理，将传统的紫外光换为近红外光，开发了一种无创的体内生物3D打印系统；二是设计了一种可以将近红外光在打印目标区域转换为紫外光进而引发光聚合反应的纳米引发剂结构。 近红外光3D打印系统与纳米引发剂结构 纳米引发剂设计的巧妙之处在于，内部的核心结构具有近红外光吸收活性，外层结构则具有紫外光吸收活性，两者通过静电形成复合结构。在具体的打印过程中，980 nm的近红外光将组织图像通过光学透镜投射到生物墨水上，纳米引发剂可以将近红外光转换为365 nm的紫外光，进而引发紫外光聚合反应。这种方式避开了直接使用紫外光穿透人体组织所带来的损伤与能量损失，大大提高了光利用率，实现在人体内部无创制造生物组织。 论证无创生物3D打印技术的可行性为论证基于纳米光引发剂的无创生物3D打印技术的可行性，研究人员首先在体外用常用的生物材料以逐层打印的方式打印了多种不包含细胞的微结构。为进一步模拟在体内打印的情况，研究人员又将老鼠皮肤或猪的肌肉组织覆盖在生物墨水上，再进行打印。试验结果表明组织下打印结构完整，形状误差控制在12.1%。最后，研究人员将不包含细胞的生物墨水注射到小鼠皮下，进行了体内实验，在打印1天及7天后，打印结构及周围的组织仍保持完整，并且没有显示出明显的副作用，证明了生物3D打印技术具有应用于临床治疗的潜力。 本研究无创生物3D打印的耳廓组织 此外，研究人员采用小鼠作为模型，通过本研究的技术在小鼠皮下无创打印了包含软骨细胞的耳廓形结构，该过程耗时仅20 s。在一个月后，支架结构保持良好，并且软骨细胞不断成长，形成了可用于器官重构的耳廓结构。 脂肪干细胞具有治疗由钝器造成的闭合性组织损伤的潜力。通过本研究的技术，可以在伤口处原位形成包含脂肪干细胞的组织支架，有助于伤口愈合。研究人员采用带有肌肉闭合性损伤的小鼠为模型，采用该技术在伤口处打印了包含脂肪干细胞的组织支架，在十天后，小鼠的伤口明显愈合，相关测试表明该支架对组织无副作用。 END 总的来说，该研究最为直观的体现就是，通过对人体无害的近红外光实现了传统生物相容性水凝胶单体的聚合，为体内无创制造提供了一种方法。生物墨水通过诸如注射和灌注等无创的方式递送至目标位置，通过具有良好生物穿透性的近红外照射平台能够精确控制被组织覆盖的生物墨水成型为结构化产品。 此外，因该技术的无创特性，将大大推动生物3D打印技术在临床上的应用。 注：研究原文已上传。限于作者对高分子及生物3D打印的知识有限，有不准确之处请留言，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： 延伸阅读： 1.3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨 2.体积3D打印技术在生物组织工程中的应用和优缺点

在粉末床激光熔融技术中，材料从生产、运输、储存到打印以及循环使用过程中，粉末在整个工艺链中一直处于多种机械和大气环境之下，粉末颗粒的化学成分和形状，以及整个粉末材料的特性，可能会受到大气、温度、湿度以及外力等因素的影响。 本文讨论了TC4粉末在整个工艺流程中潜在的重要影响因素，研究结果可用于其他粉末处理和管理，确保材料在整个使用寿命内的质量，使SLM工艺更加稳健和可靠。 粉末生产因素为了评价粉末的特性和批次稳定性，研究了TC4（5级）三种不同工艺（气雾化EIGA、等离子雾化PA、电感耦合等离子雾化ICPA）生产的相同规格、两个批次的粉末，分别测定这些粉末的粒度分布、颗粒形貌以及流动性。 结果显示，三种粉末颗粒的尺寸均在15-65微米之间，呈高斯分布，但PA和ICPA粉末与EIGA粉末相比显示出更宽的粒度分布。霍尔流量计测量的流动时间在14.6s-16.1s的范围内，说明所有粉末和批次都具有良好的流动性。电镜结果显示出，三种粉末都具有高球形，不过EIGA粉末颗粒有些轻微拉长，而ICPA粉末含有不少卫星粉。 三种工艺生产的粉末粒度分布 EIGA、ICPA、PA工艺生产的粉末形貌 为了评估每批粉末的可打印性，在SLM 250HL设备上进行工艺调试，得到32个不同的参数集。对于每组工艺制备的试样，分别进行孔隙测量和分析。 密度块的测试结果显示，所有粉末（不同工艺和批次）都可以获得密度高于99%的立方体。应注意的是，每种粉末和批次可能适用不同的工艺。 不同粉末打印能量密度与致密度对应表 因此可以得出结论 不同工艺生产的粉末颗粒形状和尺寸分布有差异。 每种粉末和每个批次均可以通过工艺调试得到致密度达99.9％的零件（这也意味着，粉末的这些差异导致了相同工艺的不适用）。 粉末储存及运输因素为了研究运输和储存过程中（如温度和湿度）的影响，将商品化的粉末容器储存在人工气候箱中，该气候箱的温度保持30°C恒定，相对湿度在12天内从20%增加到95%，每天取样进行表征。 温湿度场景 结果表明，在按照体积进行统计时，D10、D50、D90的数值并未有明显变化；如果按颗粒数进行统计（不同尺寸颗粒的数量所占的百分比，如图中D90表示有90%数量的颗粒尺寸是小于X微米的），可以发现粉末出现明显的粗化行为。因此可以假设，随着湿度的增加，较小的颗粒粘附在较大的颗粒上，造成了粉末尺寸的变化，且霍尔流量计测量的流动时间从15.1s减少为14.5s（也即随着时间推移，颗粒出现团聚）。 随时间延长，粉末的粒度分布（分别以体积和颗粒数进行统计） 为研究粉末储存时是否需要氩气保护，将两个粉末容器在30°C和30％相对湿度的相同条件下存储。一个容器一直完好存储，另一个容器的保护气氛通过一次打开过程而被破坏。在十天的存储期后，制备了用于机械测试和元素测量的样品。 拉伸试验的结果显示，在有保护气氛和无保护气氛下，试样的极限抗拉强度基本一致；潮湿环境下储存的粉末，其极限强度最高，相比干燥粉末打印的试样略微提高了5%，而延伸率下降严重。气体含量测量证实，潮湿环境下，试样的氧含量比干燥环境下高约10%，这导致了材料脆化。 粉末在潮湿环境、氩气保护和无氩气保护下的打印件的力学性能 不同储存条件下试样的氢氧氮成分含量 该部分的主要结论 粉末存储环境的湿度对粉末的粒度分布影响不大，但潮湿的环境仍然会造成细粉团聚，并增加氢氮氧的吸收。 氩气保护气氛对粉末和零件性能无重大影响。 单层连续扫描面积的影响为了研究3D打印过程中的粉末粗化行为，研究人员将激光连续扫描的面积与飞溅物形成的总量联系起来设计了一项实验方案。实验分为四组，所有打印零件的总体积一样，但零件数量被分割为1、4、16、64个。每次打印完，测量粉末粒度。 体积相同，但单层连续扫描的面积不同 测试结果发现，四种打印方式最终的粉末粒度并没有显著差异，证明连续扫描面积对粉末粗化没有影响。 不同连续扫描之后的粒度平均分布 不过，所有样件均可以检测到氮和氧的吸收，尤其是对于“1:1”的样品吸收量非常高。对于原始粉末，测得氧含量为841ppm，氮含量为178ppm。研究人员认为，较大的连续扫描面积会导致样品温度升高，从而增加了结构对气体的吸收亲和力。 不同连续扫描面积样品的氮氧吸收情况 针对粉末循环使用对产品质量稳定性产生的影响，设计的实验方案为，同一批粉末连续打印17次，期间均未加入过新粉，每次打印完成后，对粉末进行彻底筛分；每次制造工作开始前，会对该次实验的粉末进行粒度测试。所制备的样品进行拉伸试验测试，并测定气体含量的吸收，所有样品均在打印态条件下测试。 测试的结果显示，粉末粒度D10、D50、D90随循环次数的增加均没有明显的变化。D90值的数字高偏差可能是由于采样不足造成的。 粉末循环使用过程中的粒度变化 力学性能的测试也没有发现明显变化，屈服强度的略微增加和伸长率的降低，可以认为仅有轻微的脆化。 不同循环下的力学测试结果 脆化可以通过随着循环次数的增加氧含量的变化来解释。从试验开始到结束，氧含量的吸收增加了约20%，这可能是由于随着循环次数的增加，粉末中含氧量较高的飞溅物越来越多导致的，这一现象在对AlSi10Mg的研究也发现了类似的结果。 不同循环次数下的氮氧氢吸收情况 本部分得出的结论 在连续大区域扫描时，氢氧氮的吸收会增加。为避免在工业应用中出现这种现象，应当注意打印方向和扫描策略，以使这种影响最小化。 在17个生产周期后，检测到氢氧氮的含量增加了约20％，材料出现脆化趋势。 对不同循环次数下，SLM成形试样的力学性能对比研究发现，力学性能与粉末循环次数无明显的关联。 END 这项研究的结论有一定的指导意义，但还不足以作为本行业粉末管理的标准。一直以来国内也有类似的研究，在结果上有一致也有差异，有兴趣的读者可以拿来对比，作为参考。 在实际的工业生产中，粉末的保存应当保持干燥，不定时的补充新粉也可以作为保证质量的有效途径。随着研究的深入，粉末的管理应当逐渐有一个明确的标准。 注：本文仅限于参考，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：延伸阅读： 1.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 2.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 3.粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制

在高性能材料FDM技术3D打印领域，远铸智能（INTAMSYS）一直处于国内领先地位，旗下多款产品远销海外，在航空航天、汽车、医疗康复等领域获得广泛应用，成为国内先进3D打印技术的优秀代表。5月25日，远铸智能继推出航空航天生产级别应用FUNMAT PRO 610 HT打印机后，又发布一款针对柔性材料生产的高速FLEX 510打印机，该设备主要聚焦体育用品、医疗康复器具、工装夹具等行业应用，可实现智能打印。本期，请跟随3D打印技术参考来了解这款打印机有何先进之处。 FLEX 510打印机的突出特点主要在于采用了特制高速柔性材料打印喷头以及独有的智能喷头库技术，可支持在线切换喷头，最多可打印四种不同类型或颜色的材料。 智能化设计，减少人工干预 FLEX 510采用主动自动调平技术（AALTM: Active Automatic Leveling），客户无需在调整平台参数上花费宝贵时间，同时也保证了打印产品的品质和速度，降低了使用者的技术门槛，尤其适合工厂技术工人操作。 FLEX 510采用主动自动调平技术 高速柔性材料挤出，突破生产效率瓶颈 FLEX 510受益于远铸智能研发的高速柔性材料挤出技术-HSFETM（High Speed Flexible Material Extrusion）, 解决了因柔性材料过于柔软引起的进给速度慢的行业难题，可使打印效率提升5倍以上。独立双喷头配置，可实现复制打印或者镜像打印，加上超快的打印速度，解决了3D打印用于生产的效率制约瓶颈问题。 远铸智能高速柔性材料挤出技术 智能喷头库，在线切换喷头 现有的FDM 主流3D打印设备一般为单喷头，双喷头或多种材料混型喷头，打印的模型最多只能兼容两种材料，无法满足多种颜色，多种材料模型的打印需求。 远铸智能INTAMSYS独创的智能喷头库技术（SXBSTM: Smart eXtruder Bay System）, 多达四个喷头的喷头库管理系统可以实现打印过程中的喷头在线任意切换，可同时打印四种不同的TPU材料或者四种不同的颜色，让整个打印在满足打印效率的同时呈现远超双喷头配置的效果。 智能喷头库，在线切换喷头 对于设计师来说，能够尽快实现并迭代设计，就可以更快的将产品打入市场，特别是对于产品迭代较快的体育用品行业。FLEX 510的创新打印技术便是帮助设计师和工厂很好的应对这些挑战的强大工具。 INTAMSYS FLEX 510打印的产品 INTAMSYS 市场总监费腾介绍，“INTAMSYS FLEX 510是增材制造行业又一突破性的3D打印解决方案，FLEX 510解决了柔性材料难以高速打印的行业难题，并聚焦行业客户需求，创造性的采用了智能喷头库技术，让设计和制造无缝衔接。柔性TPU材料结合了塑料和橡胶的特性，可以制造出具有弹性、高度耐用、可弯曲或压缩的部件，是运动装备设计，时尚设计和医疗康复应用的最佳选择。相信FLEX 510的推出必将加速行业设计与制造工艺创新，推动相关行业加速走向定制化智能制造。” 关于远铸智能（INTAMSYS） 远铸智能 (INTAMSYS)是一家快速成长的工业级3D打印设备制造商和增材制造解决方案供应商。远铸智能INTAMSYS 3D打印设备兼具智能性和易用性，可为多种高性能材料3D打印提供一体化解决方案。包括PEEK， PEEK-CF，PEKK， ULTEM，PPSU以及其他工程材料如TPU, TPE, PC，PA，PA-CF，ABS等。可完美应对小批量连续生产，并可为航空航天，汽车工业，工装夹具，医疗康复，研究开发等多种应用场景提供解决方案。获取更多信息：www.intamsys.cn 。欢迎拨打18321552075 陈经理咨询有关FLEX 510的产品性能和价格。 INTAMSYS独有的技术创新将给设计师带来无与伦比的设计自由度和灵活性，让设计与制造无缝衔接，加速推动3D打印走向批量定制化制造。 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.PEEK特种塑料应用实例及当前打印工艺 3.中科院空间应用中心碳纤维/PEEK复合材料FDM 3D打印研究取得重要进展

金属点阵结构，由于其优秀的机械性能和多功能性，被广泛用于能量吸收、热交换和结构部件。金属3D打印技术（SLM）在制造复杂晶格结构方面具有显著优势，目前已成为该领域的一项重要应用。然而该技术本身目前所无法有效克服的缺陷问题却极少在点阵结构制造中被重视，而且实际制备的试样和理想设计模型往往存在较大偏差。基于此，北京理工大学方岱宁院士团队的研究人员对其进行了深入研究。本期，3D打印技术参考对主要的研究内容进行介绍。 文章指出，研究人员往往采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的方法对3D打印的金属点阵结构进行研究，发现此类结构的力学性能主要取决于单元拓扑结构、几何参数、加载条件和制造工艺等因素。然而，大多数研究者在建立理论模型或有限元模型时，只强调拓扑结构与力学响应之间的严格关系，却忽略了几何缺陷的影响。 铝合金材料以及3D打印的实际点阵结构和模拟的机械性能 此外，一旦实验数据与模拟结果出现明显偏差，研究人员往往将其归因于制造缺陷。实际上，现有的几何缺陷也会对晶格的力学性能和变形机制产生重大影响，这在有限元模型的性能模拟中是不可忽略的。 3D打印的晶格结构和拉伸试样 北京理工大学采用X射线CT、原位压缩试验、统计有限元模型和数值模拟相结合的方法对3D打印产生的几何缺陷可能造成的影响进行了评价，分析了不同几何缺陷对点阵结构力学性能、变形机理和能量吸收能力的影响。 具有不同制造方向的点阵杆件的微结构 研究发现，理想实验模型的力学性能模拟结果与实验结果相比有很大差距，而如果把打印的晶格结构进行CT扫描，进而把提取到的几何缺陷引入到有限元模型中，再次模拟的结果则会与实际相吻合；此外，晶格结构中杆的厚度相比孔洞缺陷和杆件弯曲缺陷，对机械性能和能量吸收特性有更大的影响；水平杆相比竖直杆具有更多的随机几何缺陷。 理想和统计的有限元模型 总的来说，北理工的研究主要探讨了3D打印过程产生的随机缺陷对点阵结构性能的影响，拓宽和发展了有限元计算模型，所提出的统计有限元模型方法，能够更好地预测所制备试样的力学性能。如果能够将相关的统计有限元模型方法运用到实际计算中，将对结构安全可靠性的评估具有很好的指导意义。 注：方岱宁院士为国内材料与结构力学领域专家，北京理工大学先进结构技术研究院名誉院长兼首席科学家。主要从事轻量化力学超材料设计制备与性能表征、先进抗爆防护材料与结构等研究。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：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：优化设计，降低材料使用要求 3.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用 4.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

2019年，计算轴向光刻技术因为一篇发表于science的文章而引发关注。它采用一种完全不同的方式实现3D打印，在这个过程中，光从一个商用的DLP投影仪里射出，投向一个装有光敏液体且持续旋转的系统，在不到一分钟的时间里，物体就在液体里逐渐成型了。这个系统的核心就是CAL算法。 轴向光刻技术存在争议，也存在问题计算轴向光刻技术是受到了计算机断层扫描（CT）的启发，因为成型方式的不同，也被称为“体积增材制造”技术。这项技术的研究者加州大学与劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队申请了一项美国专利，然而类似的技术已由国内研究人员于2016年提出（PCT/CN2016/080097），因此引起了一些争议。此外，虽然这种方法理论上可以获得高分辨率，但与传统的DLP技术一样存在一些问题。 轴向光刻技术的原理 首先，该技术仅限于光敏材料，因而限制了制备多材料或微结构的潜力。在打印过程中，固化区域悬浮在液体中，通过加入高粘性或固体前驱体来减轻位移和几何错位。然而，这可能导致前驱体材料残留在结构中。 其次，氧含量的衰减和氧/抑制分子的扩散对该技术制造精度的影响有待进一步研究。目前研究人员提出了一种延迟固化时间的氧抑制方法。通过在打印材料中充分溶解氧或其他抑制分子，光引发剂产生的自由基优先与抑制剂反应，从而在目标区域中积累足够的光强度以确保固化。然而，在打印过程中，目标位置液体中的氧含量会衰减，因此非线性衰减对材料响应的影响需要进一步研究。在反应的最后阶段，目标位置的氧气低于阈值，材料迅速凝固。在这种液-固转换过程中，氧和其他抑制分子的反应机理还需要更多研究才能提高制造精度。 该技术打印的“思想者” 第三，光的散射和光学叠加影响制造精度。目前，通过加入染料可以限制入射光的波段，垂直入射可以降低光折射引起的模糊。然而，由于容器壁和液固界面的物理性质，入射光必然会引起一定程度的折射、反射和衰减。由于投影系统的焦距远大于打印体的直径，因此忽略了光路的这些变化。当分子聚集时，固液界面也会引起光路的变化，从而导致能量损失和成像误差。因此，为了提高打印精度，必须考虑这些因素。 在生物打印和再生医学领域有重要应用潜力尽管对CAL技术存在争议，但随着计算算法和光分析的改进，这项技术将产生更多技术突破，特别是在生物打印和再生医学领域。浙江大学的研究团队一直在进行角膜、皮肤和心脏贴片的3D打印研究，旨在开发可移植组织植入物来治疗疾病和损伤，如角膜病变引起的失明、皮肤烧伤和心肌梗死。 3D打印在生物打印和再生医学领域具有重要应用潜力 研究人员正在密切跟踪各种生物制造技术的发展，与传统的增材制造技术相比，计算轴向光刻技术在生物组织工程领域至少具有以下优势： 首先，CAL技术在液体材料制备组织或器官方面具有固有的优势。目前，至少有15种组织或器官可以使用粘性液体材料（骨、软骨、角膜、神经、肌肉、血管、淋巴组织、内分泌腺、子宫、卵巢、宫颈阴道组织、肺、气道、肝、肾）进行3D打印，其中角膜、肝、血管可以使用DLP技术。 瑞士和荷兰的研究团队采用该技术，仅几秒钟就“雕刻”出了复杂的组织形状 其次，CAL允许构建坚实光滑的表面，使大多数组织和器官的制造成为可能。例如，可以制造出表面光滑的透明角膜，并有可能移植到动物甚至人类患者身上。最后，CAL在所有其他3D打印技术中实现了前所未有的制作速度，显著加快了从制造到手术的过程。 计算轴向光刻技术增材制造技术的一大进步，它提供了前所未有的制造速度和分辨率。一旦适应生物医学的应用要求，这项技术将为组织工程和再生医学提供革命性的发展。 本期上传： 1.加州大学关于该技术的研究论文及专利 2.国内类似技术的专利 3.浙江大学关于该技术的探讨原文。 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.生物组织工程技术的变革—体积打印技术 2.中国科学家如何采用干细胞实现血管3D打印 3.组织工程：角膜，也可以3D打印 4.3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨

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增材制造在航空航天领域应用的主要驱动力在于减轻重量，运营商愿意为提高燃油经济所带来的运营成本降低付出代价。人们对增材制造的零件密度、孔隙率和晶粒结构的最初质疑正在得到克服，该技术也已经被越来越多的用于生产认证部件。 采用SLM技术打印完未经处理的零件表面效果 然而增材制造技术还存在一个尚未解决的挑战——表面光洁度。从理论上讲，增材制造可以完全自由地创建复杂形状，但在实际生产过程中，对表面光洁度的要求往往需要对设计进行约束。如果需要进行表面加工，则对结构的限制就与过去一样；如果使用喷丸处理，则需要对薄和细长的结构进行限制。此外，表面质量问题还会导致应力集中，进而萌生裂纹，大大降低零件的抗疲劳性和断裂韧性，从而为零件的使用带来风险。 虽然改进金属粉末质量、优化成形方向和工艺参数能在一定程度上改善增材制造零件的表面质量，但是仍然无法完全解决增材制造零件表面粗糙的问题。因此，对增材制造零件进行后处理加工是必要的，目前主要的后处理方式包括光整加工和机械加工。 经后处理的零件表面效果 光整加工方法主要是手工抛光、喷砂或数控磨削抛光。手工抛光质量严重依赖于操作者的经验水平，可重复性及一致性差，人力与时间成本高，并且抛光过程中产生的粉尘危害人体健康。而喷砂和数控磨削抛光对具有复杂内曲面、多孔结构零件的加工可达性差，一般主要用于零件外表面的清洁抛光、去除氧化层等。 对于具有高表面质量要求的航空复杂结构件（0.8μm<R a< 1.6μm，无表面松散残留物和高使役性能要求），增材制造成形后的光整加工面临巨大挑战。除上述手段外，还有自适应磨削、激光抛光、化学和电化学抛光，以及磨粒流加工等。 增材制造复杂结构件光整加工方法比较 自适应磨削是通过调整接触头的形状来确定磨抛加工接触面的形状，使磨抛加工实现以接触面为磨抛作业面的加工过程，提高了磨抛加工的效率。国外有研究人员采用具有球状柔性磨头的自适应磨削方法对增材制造钛合金自由曲面进 行了抛光，通过粗抛和精抛去除了增材制造表面的缺陷层，最终表面粗糙度Ra达到10nm以下。 自适应磨削加工原理 激光抛光是利用高能激光束使零件表面材料重新融化来降低表面粗糙度的一种新式抛光方法。目前激光抛光后的零件表面粗糙度Ra在2~3μm。因激光抛光设备较为昂贵，目前在实际工程中未能得到广泛应用。 激光抛光加工原理 化学和电化学抛光是靠化学试剂的化学浸蚀作用对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕、浸蚀整平，对小型增材制造镂空结构或阵列结构零件表面松动易脱落的球化层的去除效果显著。采用化学抛光与电化学抛光相结合的方法对多孔结构支架抛光，抛光后的支架的表面粗糙度Ra可由抛光前的6~12μm降至0.2~1μm，化学抛光主要迅速去除表面粘附的金属球形粉末，电化学抛光在此基础上进一步降低表面粗糙度。 电解抛光的医疗植入物 磨粒流加工技术，是使用一种可流动的半固态黏弹性磨料介质，在一定压力下往复地流过被加工区域，利用磨料介质中磨粒的微切削作用去除工件表面的微观粗糙峰，以达到对这些区域加工的目的。该技术适用于具有复杂内部型腔、自由曲面以及不规则形状零件的抛光、去毛刺、倒圆角等，能加工几乎所有的金属材料。磨粒流加工技术的高加工可达性为克服航空增材制造复杂零件表面光整加工难题提供了一条新途径。 增材制造复杂结构件磨粒流抛光效果 增材制造复杂结构件磨粒流抛光表面粗糙度 粉末床激光熔融技术在所有金属增材制造工艺中，能够实现最佳的表面质量，除上述光整加工手段外，对于零部件的关键位置有时还需要进行机加工处理。这两种后处理手段在模具中的应用非常广泛。 通过定向能量沉积技术制造的零件表面有很多可见的焊道，波纹宽度达到几毫米，则必须通过机械加工来达到所需要的尺寸精度和表面光洁度要求。 由定向能量沉积技术制造的零件必须经过机加才能使用 目前，零件后处理技术正在成为增材制造发展的瓶颈，传统的手工后处理技术很容易导致零件损坏或尺寸不一现象。通过对目前增材制造零件光整加工方法的对比分析可以看到，大部分研究工作还处于改善表面粗糙度层面的阶段，为了满足光整加工后零件的精度要求，增材制造复杂结构件的抛光技术应向着精准可控的方向发展。 注：增材制造复杂结构件表面光整加工，更详细的分析内容已上传 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： 1.3D打印零件如何实现更好的组装和连接 2.SLM无支撑制造的可能性和局限性 3.激光粉末床熔融技术的安全性：危害和行动建议 4.考虑极限特征约束的增材制造设计方法

增材制造已在各个追求高质量和可重复性的行业中占据一席之地。医疗和航空航天行业已经开始拥抱增材制造，不仅因为它能够实现高复杂度、高强度和轻量化设计，而且打印的零部件符合监管机构规定的质量标准。尤其医疗行业非常重视增材制造实现定制化生产的能力，同时质量和可重复性也是至关重要的因素。 作为医疗和航空航天行业的全球服务领导者， C＆A Tool 证明了增材制造与传统制造的钛合金产品性能相当，也通过这一过程理解了接受一项新的制造工艺中的障碍。 挑战 目前，对增材制造产品质量认识的缺乏仍然是投资的最大障碍之一，对于增材制造技术的不确定性超过了该技术所带来的好处，特别是在有严格监管要求的行业。因此，增材制造企业有责任强调该技术的真正价值，证明零部件的质量和可重复性能够经得起传统制造标准所遵循的质量要求。使用金属增材制造系统（EOS M290），C＆A Tool 创建了这份验证报告，以证明SLM技术可以达到甚至超过传统的行业标准。 认证参考/使用程序 使用良好的生产规范（GMP）质量控制要求和ASTM测试方法，C＆A Tool 创建了这份研究报告，以使用关键的质量变量（如激光功率）来挑战增材制造过程。目标是证明SLM工艺符合适用于钛合金（ASTM F3001）的力学性能测试和零件密度的 ASTM 材料验收标准。表1和表2列出了本研究中使用的标准程序和 C＆A Tool 操作说明。 方法 在开始质量研究报告之前，C＆A Tool 创建了因果关系（C＆E）研究，以使用实验设计确定过程中的最坏情况变量。该初步研究将激光功率、热处理温度和热处理时间、方向、位置、曝光策略和层厚度视为质量（CtQ）变量的潜在关键因素。 CtQ变量矩阵 EOS参数包括激光功率，层厚度和扫描策略之类的可变量。EOS的这些参数变量可以通过EOSPRINT软件来改变；但是，这些参数在生产过程中必须固定。类似地，曝光策略由程序控制传输到打印系统中。如果改变曝光策略，层厚度或参数组，则可能需要重新认证。 激光功率由每个程序的曝光策略内的参数控制。在这项研究中，激光功率在打印期间受到监控，当瞬时激光功率低于370瓦标称设置的4％（355W）时触发警告。如果瞬时激光功率记录在5.5％（350W）以下，监控设备也会触发警告。 层厚由程序发送至系统来进行控制。在所有参数中，层厚设定为0.06mm。如果厚度从本研究报告中的0.06mm 设置更改，则需要重新认证或证明。 在此协议期间，将设置热处理并且挑战极端情况。在这种情况下，如果改变，则需要进行重新认证或证明。 位置/方向也是影响因素，在该研究报告中，基板所有区域都存在位置或方向的挑战。 图1. 在加工平台上测试位置和方向 质量协议 对C＆E研究的结果进行了审查，并确定了最坏的案例变量：激光功率、热处理温度、热处理时间 图2. 在加工平台上测试位置和方向 在两台EOS M290上进行四个打印任务，在图1中详细描述了工件状态。每个打印任务包括了拉伸测试条和密度立方体，以捕获潜在的变化源，包括打印任务位置和方向（图1）。在C＆E研究中最坏案例变量-激光功率、热处理温度和热处理时间的变量在四个构建作业中是不同的。层厚、材料、曝光策略和机加工在整个方案中保持不变。 所有打印任务均使用一个参数矩阵，其中包括：激光功率、层厚、材料、位置/方向、曝光策略、热处理时间和热处理温度。 验收标准 所有打印任务都按照以下规范进行测试和评估： • 机械性能：ASTM F3001• 化学性质：ASTM F3001• 致密性：ISO3369除验收标准外，表3还详细列出了所有构建作业的平均测试结果，显示它们符合每种机械性能的标准验收标准。 结果及讨论 图3详细说明了增材制造的拉伸试条的拉伸强度，屈服强度等。研究清楚地表明，增材制在工艺超出了医疗和航空航天业界公认的所有适用的力学性能的相关标准。 C&A Tool 总经理介绍，“这些OQ测试已成为我们业务的重要组成部分。我们的研究结果显示了我们一直都知道的事实：AM 生产的零部件不再受限于传统制造和设计的限制，同时还能生产高质量，可重复的零部件。” 图3：与相关标准相比，所有的机械测试结果 近年来，增材制造愈发受到关注。在该研究中控制打印位置，结果显示在下面的图4中。数据表明，在EOS M290设备上使用60微米层厚和前面描述的激光功率变化的参数生产的零部件，其机械强度特性不会根据构建位置而显着变化（象限左上，右上，左下，右下和中间）。 图4：基于打印平台上的样本位置报告的机械特性 与一致性机械测试结果类似，密度测量不会因系统构建位置变化而异。   图5：基于打印平台上样本的位置报告的密度测量 另一个关键变量是打印平台上的零部件方向。下面的图6表明水平和垂直打印的试样之间的机械性能没有显著差异（ASTM E8）。 图6：基于打印平台上不同方向报告的力学性能 结论 该研究对激光功率、打印位置、打印方向和热处理温度这些关键变量进行了测试。结果表明，增材制造可以达到甚至超过相关行业标准，并且零部件致密度在整个平台上也不会变化。 质量验证报告将继续推动增材制造的广泛应用，特别是在医疗、航空航天和汽车等受严格监管的行业。因此，增材制造企业必须继续进行类似于C＆A Tool 完成的QP测试。测试结果会鼓励增材制造业接收怀疑论者的质疑，利用这些强有力的数据来展示EOS解决方案的价值，以生产最高质量的零部件。 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.EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性 2.最新研究：调整增材制造工艺参数，控制材料凝固过程，实现性能可控 3.3D打印骨小梁结构的性能与制造稳定性分析 4.一款基于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

在复杂结构制造方面，增材制造技术解决了传统减材和等材工艺难加工或无法加工的局限，而且其制造成本并不随零件复杂性的增加而大幅度提高，具有“免费复杂性”的特点。中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心的研究人员综述了增材制造可加工的复杂结构种类及其应用情况。本期，3D打印技术参考对此进行介绍。 点阵结构 点阵结构由结点和结点间的连接杆件按照一定的空间周期规律扩展构成。金属点阵结构具有超轻、高孔隙率、高比强、高比刚、高强韧、高能量吸收等优良力学性能，以及吸声、减震、散热、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性能，使其兼备结构和功能的双重功用，是一种性能优良的多功能工程结构材料，在航空航天、国防军事、交通能源等各行业中均具有非常乐观的应用前景。 点阵结构示意图 2011年美国加州大学和加州理工大学的研究人员制备出超轻金属镍微点阵结构，它由 0.01%的固体和 99.99%的空气组成，密度仅为 0.9 mg/cm3，具有极高的能量吸收能力，压缩到98%后还可以恢复到原来的形状。劳斯莱斯生产的点阵结构油气分离器，孔隙率高达95%，密度仅为 0.5 g/cm 3，油气分离效率高达99%。声波进入点阵结构后引起空气震动，经多次反射和折射，原有入射声波大部分能量变成热量散失到环境中，美国杜克大学根据此原理制造出了点阵结构的“声学隐身装置”。 超清金属点阵和声学隐身装置 点阵结构空间还可以作为散热或主动致冷通道，北京航空材料研究院采用点阵结构热交换芯体替代传统板翅结构，大幅度提高了热交换器的换热面积。改变钛合金点阵结构中孔洞的体积分数和尺寸分布，可以解决植入物和骨头之间的弹性失配问题，使植入物具有量身定制的力学性能，此外，点阵结构中的开放性孔洞也更有利于骨内生长和植入物的结合。 点阵结构热交换器和人体植入物 目前金属点阵结构增材制造技术的研究主要集中在成形零件尺寸精度和成形零件性能两个方面。 大型薄壁结构 薄壁结构的特征形式有衬套、壳体、肋板等，在航空发动机叶片、机匣、燃烧室等部位广泛存在。传统铸造、锻造、焊接、机械加工生产工艺周期长，材料利用率低，且一般深径比超过10：1的薄壁结构就很难采用数控加工制备。相比而言，增材制造比较容易实现大深径比薄壁结构的制备。不过，增材制造过程中零件局部温度场呈现动态变化，相比实体结构，薄壁结构散热面积小、温度变化大、结构刚性差，其成形过程极易受温度场变化的影响，成形稳定性较差。薄壁结构一直是增材制造研究的热点与难点之一。 铂力特激光立体成形多层薄壁结构 目前，针对薄壁结构定向能量沉积增材制造成形过程中的温度场、尺寸精度控制等已经做了大量研究，但由于薄壁结构对增材制造工艺条件和环境的变化十分敏感，成形过程中的每个细微波动都会逐层累积，进而影响后续成形，因此保证成形过程的稳定性是获得质量优异薄壁件的关键。建立可靠的增材制造过程实时监控和反馈系统，实现闭环控制，是提高大型薄壁件增材制造成形过程稳定性，提高成形的精度的有效方法。 Fraunhofer为薄壁结构开发点阵保护支撑 复杂曲面结构 复杂曲面是指包含如球、椭球、双曲面等二次曲面和自由曲面的组合曲面。当前个性化且具有复杂曲面的零件日益广泛地应用于人们的生产生活中，在飞机、船舶、汽车等重要制造行业，为满足流体力学要求，常需采用结构复杂曲面结构；部分艺术品等，需要通过复杂的外型结构设计来满足人们日益增长的审美需求。如何高精度、高效率和低成本地制造这些复杂曲面结构，是工业设计领域对现代制造业提出的基本要求。增材制造由于其独有的成形工艺，在加工曲面零件的复杂表面和内部结构方面，具有独特的制造优势。 含点阵的半球体结构 GE公司采用增材制造技术制备了具有自由空间曲面的发动机风扇叶片。美国Los Alamos实验室(LANL)采用螺旋轨迹扫描技术制备出全致密半球零件。国内北京航空航天大学、北京航空材料研究院、西北工业大学等单位均采用LMD技术制备了带空间自由曲面叶片的航空发动机整体叶盘。 增材制造发动机风扇叶片和拓扑天线支架 增材制造成形空间复杂曲面结构的研究，大多集中在针对特定材料、特定工艺参数下的临界成形倾角的确定，较少关注具体结构的成形。实时监测及闭环反馈控制同样是提高复杂曲面结构增材成形过程稳定性、保证成形精度的有效途径之一。 一体化结构 结构一体化是零件设计和发展的重要趋势，增材制造可以将原本由多个构件组合的零件进行一体化制备，避免了多个零件组合时所需的连接结构，如法兰、焊缝等。 GE公司将原本20多个零件的燃油喷嘴进行一体化设计与SLM制备，并将其应用到 LEAP发动机上，不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题，还使其服役寿命提高了5倍。霍尼韦尔公司采用EBM制造了镍基合金HTF7000发动机的管腔，由原本的8个部件组合形成1个部件，交付周期从几个月大幅缩短至几周，生产成本降低50%。一体化结构还被广泛应用到航空发动机整体叶盘、增压涡轮、支座、吊耳、起落架等其他结构。空间异型管道的传统制造工艺为注塑成形、铸造等方式，不仅制造成本高、生产周期长，对于管道需要的复杂样条曲线一次很难制备成功，增材制造为空间异型管道一体化制备提供了可实用的技术。 3D打印一体化制造的燃油喷嘴和飞机起落架 除了静态结构以外，增材制造还能方便实现动态机构的一体化制造。动态一体化机构特点在于免组装、可实现动态联接，传统机械构件需要分步制备各个单独构件，然后再将其装配起来，而增材制造可直接得到免组装的整体机构，节省装配步骤。 一体化制造的免组装铰链结构 END 增材制造在复杂结构制造方面具有显著的优势，不过要实现大批量工程化应用仍有大量基础科学问题需要解决。增材制造构件的表面质量与同等尺寸精密铸件相比尚存一定差距，目前常规SLM成形的尺寸精度为0.1 mm左右、表面粗糙度Ra在6.3μm左右，EBM成形精度为0.1～0.2 mm、表面粗糙度Ra为20～30μm。 此外，增材制造成形过程伴随着复杂的物理、化学、冶金过程，应力变形控制难度大，十分容易产生气孔、未熔合、裂纹等冶金缺陷，严重影响构件尺寸精度及力学性能。进一步加强增材制造基础工艺研究，揭示成形过程中应力演变规律、快速熔凝固原理、变形开裂行为、内部缺陷形成机制等，依然是今后增材制造复杂结构的研究重点。 本文上传内容包含：复杂结构增材制造、高性能材料增材制造、增材制造需要重要发展研究的几个方面。 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： 1.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 2.考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3.3D打印集成制造的最佳实例 4.Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构

在《SLS的演变：新技术、新材料和新应用》一文中，我们提到比利时初创公司Aerosint开发了一种粉末沉积技术来取代传统的SLS铺粉方式。它能够使用两种不同的粉末进行打印，一种廉价粉末用作支撑，一种材料打印实体零件，该技术为粉末的100%使用创造了条件。 近日，Aerosint将该技术拓展至金属3D打印领域，实现了基于粉末床激光熔融技术的多金属混合3D打印。本期，3D打印技术参考对该技术进行介绍。 粉末床多金属材料混合3D打印 3月6日，Aerosint公布了采用多金属粉末材料沉积技术打印的双金属零件—由316L不锈钢和CuCrZr（铜铬锆）混合嵌套、内含1.7mm通道的圆盘组件。该组件直径为55mm，高6.9mm，设置层厚为40微米，打印时间5小时40分钟。 基于粉末床熔融技术的多材料金属打印清粉过程 与大多数材料沉积技术不同，该技术并没有使用复杂的驱动喷嘴，而是通过旋转的转鼓，在构建区域内选择性地沉积粉末材料，达到在需要的位置构建物体的目的。与传统SLM或SLS技术的主要区别也是在于铺送粉技术的不同，其他过程基本类似。 Aerosint多材料粉末沉积设备和技术原理 基于SLM的多金属3D打印在国内也曾经有过研究，然而其技术在设备层面几乎没有改进，仅仅是在供粉缸放入了两种粉末来实现两种材料的交叉成型。然而这种概念是极其初级的，粉末彼此之间也造成了污染，更难以实现精确成型。 Aerosint首次尝试多金属材料打印（国内设备打印效果类似方框内的形式） 从技术的发展情况来看，基于材料喷射/沉积的技术是目前实现多材料混合3D打印的主要形式，无论是多种树脂成型的polyjet技术，还是基于金属粉末的lens或其他材料沉积技术。 采用增减材混合制造技术也是进行多金属一体成型的重要方案，在此方面比较有名的是商用火箭发射公司Virgin Orbit在2019年使用DMG MORI的增减材混合3D打印机制造了多金属材料燃烧室。 Virgin Virgin使用DMG Mori混合增材制造技术打造的多金属火箭发动机组件 基于粉末床熔融的多金属3D打印技术为在单个零件上打印多种金属、创造新的应用打开了大门，在热交换器、火箭喷嘴、钻头嵌件、耐磨组件和切削工具制造领域，均具有重要的应用潜力。所以该技术并非是Aerosint研发人员的即兴产品，这家公司也正在获得越来越多的关注。 展望未来，Aerosint计划测试更多材料组合，包括316L不锈钢和Inconel 625或718，钛和镍钛合金等。目前，Aerosint希望与制造商合作打印更多测试零件，以证明多金属3D打印的价值。 注：关于打印过程和沉积过程的视频，已上传QQ群。 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.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度 2.3D打印铣床—混合制造的特点与优势 3.3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 4.金瓷结合：Xjet将实现多材料一体打印 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：基于粉末床激光熔融技术实现多金属混合3D打印