采用3D打印制造火箭发动机部件已经被业内专家作为一种潜在的解决方案，基于轻量化和一体化的制造优势，3D打印可以减少部件的总数量并能释放火箭的容量，同时带来成本的降低。在这个过程中，材料及其安全可靠的打印工艺是极其重要的。本期，3D打印技术参考带来NASA对一种火箭推进部件用新合金的开发备忘录。▌项目背景2014-2017年，来自马歇尔航天飞行中心（MSFC）、美国宇航局格伦研究中心（GRC）和兰利研究中心的团队完成了GRCOP-84（Cu-8%Cr-4 %Nb）铜合金SLM工艺开发，并利用其进行了液氧甲烷发动机燃烧室的低成本制造。2016-2017年，MSFC进行了几次成功的高温试验。该项目的另一个里程碑是发布了GRCOP-84的成分数据，其目的是可以获得更多的粉末供应商以及3D打印服务商。下一步的开发工作自然指向了GRCOP-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）铜合金，这是一种相比前者具有相似强度但可以提供更高热导率的新材料，这使得发动机的性能可以进一步得到提高。2015年，NASA 3D打印首个全尺寸GRCOP-84铜合金燃烧室GRCOP-42粉末此前难以生产，但参与GRCOP-84制造的粉末供应商现在已经准备好进入这种类似合金的生产开发。较低的Cr和Nb含量实际上比GRCOP-84更容易加工，因为当铜熔化时，Cr和Nb反应非常迅速，Cr2Nb会漂浮到静止熔化物的表面。因此，GRCOP-84中增加的Cr2Nb超过了GRCOP-42的溶解度。本研究中使用的GRCOP-42粉末的尺寸规格为0–44μm。▌开发过程GRCop-42的3D打印工艺开发是基于Concept Laser M2完成的，选择该设备的主要原因是，它曾被用于GRCOP-84开发，具有一定的“铜友好性”，400 W的激光功率可以很容易地达到完全熔化GRCop-42所需的高能量密度。虽然GRCOP-84采用0.03mm的分层厚度并取得了成功，但事实证明，以这种速度构建较大的组件非常耗时，基本上275毫米高的部件需要28天才能完成打印。在GRCop-42的开发过程中，人们希望它能以更快的速度进行打印，并可以扩展到更大成型尺寸的设备，以生产更高推力的发动机。GRCop-42的高导电率意味着可以使用更低的能量，在较厚的粉层上实现稳定的熔池，调试工作最终以0.045 mm的分层厚度开始。M2打印机参数表在2018年初，研究人员对42个参数进行了初步试验，建立了不同工艺组合的25个小块。GRCop-84最佳的打印工艺能量密度为95.2 J / mm3（见表A栏），GRCop-42测试矩阵以与其相似的能量密度开始，其中功率范围为225-325w，扫描速度范围为800-1200mm/s，最低能量密度相当于GRCop-84的一半。据推断，较厚的层需要稍微更小的扫描间距才能完全熔化，因此扫描间距稍有减小（见表B栏和C栏）。GRCop-42边界参数在实验过程中发现，较高能量密度条件下样品存在过熔现象，零件周围的粉末迅速吸收热量。将25个样块进行破坏性显微镜检测，对YZ平面使用图像分析软件确定每个样本中孔隙的平均孔径和平均孔隙度，在Excel中计算圆形等效直径，并将这些值绘制在与参数对齐的颜色图上。孔隙度图谱 : (a)总孔隙度(%), (b)平均孔径(μm)在所有数据中心找出平均孔径小于15μm，密度大于98%的参数集，这些参数随机分布在构建板的25个样块中。然后进行机械测试件的打印，测试件直径为13 mm，Z方向高度为100 mm，每种参数均使用不同参数打印。研究人员对功率与扫描速度以及构建板上每个试样的位置进行了标注，左上为NW，右上为NE，左下为SW，右下为SE，其中“O”为中心样本。▌后处理与机械测试打印完的样品遵循GRCOP-84的标准处理工艺进行热等静压，然后进行机加工和室温拉伸试验。测试件被加工成ASTM E8型圆形拉伸试样，然后按照相关标准进行拉伸试验。无论每个试样的制造质量如何，测试过程都要保证快速和一致性。机械测试样件分布图上图显示了构建板上的样件布局。20个绿色试样的极限拉伸强度（utss）范围很窄，仅从339MPa到356MPa不等，延伸率大于20%。在剩下的5个标本中，有2个（黄色）的拉伸强度与大多数样件类似，但延伸率仅有12%和15%；另外两个（红色）的拉伸强度仅有180MPa和197MPa，几乎没有延伸；最后一个（蓝色）的拉伸强度最高，达到459MPa，具有中等延伸率（12%）。在初始密度研究中，NE1-1、NE1-2、E-1和E-2样本具有最高的总孔隙度和最高平均孔径。NW1-1样本并未进行热等静压处理，这也解释了它非常高的强度和较低的延展性。END这项研究发现，GRCOP-42是一种易于打印的合金，可以制备完全致密的部件，相比GRCOP-84可以达到更快的成型速度并具有一致的性能。利用平均孔隙度和孔径进行初始参数测试也显示出预测力学性能的良好效果，对延伸率的影响尤其明显。采用优化的新工艺，3D打印速度提升越20%，原来28天才能完成打印的部件现在仅需要22天多一点，几乎节省了一周的时间。然而这并不意味着这已经是最优的工艺，更高的功率往往会导致孔隙增多，而且还可能造成零件粘粉难以去除。因此，需要找到能量密度更低、更快、更加适宜的参数。研究人员仍需要对确定的参数集进行广泛的测试，同时需要对不同批次的粉末进行研究，排除外在因素的影响。欢迎转发延伸阅读：重点解析：铜材料的直接打印问题激光成型高温难熔金属材料的种类及应用Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战金属3D打印的最佳实践（一）：Magics混合支撑结构复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属3D打印的最佳实践(二)：NASA新材料3D打印工艺开发备忘录

本文所讲述的金属3D打印是指SLM。在该工艺背景下，最为常用的支撑设计软件也就是magics，它所提供的多种类型的支撑结构为该工艺的实际应用做出了重要贡献。实际上不同种类的支撑结构适合于不同的工艺类型，如块状支撑适合于SLM，线状支撑适合SLA等等。所以，对于具体工艺的研究人员，往往只关注了自己常用的几种类型，对其他关注甚少。本期，3D打印技术参考来介绍一种可能会被忽视、但又适用于SLM工艺的支撑类型—混合支撑结构。Magics混合支撑结构▌再理解支撑存在的意义金属支撑结构必须满足某些相互冲突的要求。一方面，它们需要抵消金属SLM工艺中产生的应力，将零件固定到位；另一方面，它们需要传导打印过程中产生的热量，防止粉末过度熔融造成表面质量不佳，减少单层热量聚集和热应力的产生；同时，它又可以承托零件、抵抗刮刀作用力。为了将零件固定到位并抵消应力，理想的情况是将体积庞大的实体支撑置于合适的位置。但在保证能够成功打印的情况下，就要考虑如何减少支撑数量、方便快捷的进行后处理。作为有30多年经验积累的materialise，在这方面给出了很多工艺实践，它为不同类型的零件添加合适的支撑提供了不同选择。但，这并不意味着以前的支撑结构已经发展到了尽善尽美的地步。▌灵活运用支撑并不容易，混合支撑效果如何？混合支撑结构由三个不同部分组成：上部为块支撑，中部为体积支撑，下部则为树支撑或锥支撑结构。当要求部件离打印平台有一定距离时，这种支撑尤其有用。据materialise介绍，这种支撑结构坚固且相当容易去除。支撑结构的顶部采用传统块结构，它提供的接触点确保了局部传热，避免形成浮渣影响表面质量；在远离零件的底部用容易生成的树或锥支撑，前者可减少粉末的使用，后者则可以提供更好的稳定性；中部板可保证从块支撑到树/锥体支撑结构之间的良好传热。同时，这种结构消耗的材料较少，也不会卡住未熔化的粉末。如果手动组合不同的支撑类型，会需要花费大量时间，不过magics支撑生成模块中其实早已集成了这种结构，只要选择它，便可以自动生成，因此可以节省大量时间。此外，混合支撑结构大大减少了扫描时间以及支撑结构的有效体积。▌用户反馈如何？笔者咨询了EOS、SLM Solutions以及国内一些金属打印的应用工程师，除SLM Solutions的应用技术经理告知笔者，这种支撑强度较弱，打印过程中部件应力会把支撑拉断之外，其他公司的技术人员也几乎未曾使用过此类支撑。另外，materialise工程师指出，此类支撑适合较高的零件，EOS工程师则建议用软刮刀，所以，有兴趣的读者不妨尝试一下。▌任何一种支撑都不是万能的相信大家还记得materialise另一款强大的支撑类型—e-stage支撑，该结构旨在简化金属打印工艺设计，自动化生成支撑，智能化判断需要添加支撑的位置，避免人为错误。它能够使数据准备时间减少90％，同时也给后处理带来了极大便利。e-stage支撑尤其重要的一点是，它能够手动设置需要增加或删除支撑点，这在智能化之外增加了一道经验保障。当materialise推出e-stage支撑之时，已经使用了许久传统支撑结构的工艺人员不由眼前一亮，它似乎是给SLM带来了新的希望。但根据笔者的理解和与materialise、EOS工艺工程师的探讨得出的结论，e-stage支撑依然有它的局限性，它对材料和结构仍然非常挑剔。其实，本文讲述的混合支撑也会存在这样的状况，任何一种支撑结构都不是万能的，工程师必须总结自己的经验。欢迎转发延伸阅读：Materialise e-stage有多逆天Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构光固化创新突破：一种无支撑多材料成型方法 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属3D打印的最佳实践（一）：Magics混合支撑结构

在我们深入研究之前，先讨论下彩色3D打印的市场现状。目前市场上有多种工艺类型的彩色3D打印机，从FDM、LOM、3DP、树脂喷射到新诞生的尼龙烧结技术，彩色打印的质量不断获得突破，功能性越来越强。其中，Stratasys凭借其强大的J750已经惊艳市场多时，HP的尼龙彩色打印也是呼之欲出，两家公司无疑成为这个时代下最受关注的焦点，那么这两种最负盛名的彩色打印技术，又有怎样的竞争差异呢，接下来我们进行对比分析。技术的独特之处1. Stratasys Polyjet工艺Stratasys Polyjet工艺是一种具有极佳分辨率、高端但且昂贵的工艺，它通过树脂喷射配合紫外光固化实现成型，能够生成非常精细光滑的表面、复杂的细节和鲜艳的色彩。该技术的诞生将人们对3D打印的认知提升到很高的层次，在此我们也应该致敬以色列人高超的智慧。出色的细节和色彩展现能力还不是该工艺的全部，以J750为代表的先进树脂喷射技术将以前需要多系统完成的一系列应用，全部汇合到包含多种颜色和材料特性的成套产品中，包括从刚性到柔性、不透明到透明等，在一次作业或部件打印时可实现多种不同材料同步成型，从而为实现多种场景的应用提供了可能。然而，几乎所有树脂打印都难以避免添加支撑材料，Polyjet技术也是如此，支撑的存在通常会增加打印成本并且有时难以去除。2. HP MJF工艺惠普的尼龙打印技术区别于传统上的激光烧结，它采用类似3DP喷墨的形式实现材料的熔融结合，这因此也为材料赋予颜色提供了可能。说的更直白点，它有些类似3D Systems的Projet 660，但真正的区别在于，惠普第一次为彩色打印部件赋予了功能性。尼龙彩色打印的外观相对粗糙，但好在它具备了良好的强度和韧性，而且在三个方向上力学性能较为均等，对于需要生产工程级、全彩色、高质量、功能性甚至最终使用部件的客户，这是理想之选，而且配合机器产能，可以满足小批量的功能件生产。相对于Polyjet工艺的多材料成型，目前HP还只有尼龙一种成型材料，好在该工艺无需添加支撑，也几乎不需要后处理。但它同样存在缺点，尼龙打印面临材料重复利用率问题的问题，在保证性能的情况下可能会造成一定的材料浪费。材料与性能接下来，我们对以上两种工艺可成型材料的性能进行展示：Polyjet工艺可成型材料性能数据MJF非全彩和全彩打印机PA12性能数据3D systems彩色打印材料性能Polyjet工艺的可成型树脂多达9类，我们此处仅对有代表性的几种进行展示，不得不惊叹它的成型能力和丰富的功能性，但其实这并不意味着用户能够将其能力开发彻底。除了专门的服务商，绝大多数应用端可能仅能使用到它的一部分功能和有限的几种材料。从这个角度来讲，惠普目前专一的材料就显得更有针对性（但这并不意味着这款设备只能成型PA12），3D systems的材料性能就不说了。成型能力的不同也带来了两者在设备价格和制造成本上的极大不同。价格：设备、材料与服务当前，J750的市场报价达370万，服务价格为每克7元左右；HP 500系列彩色打印机的市场报价为150万，服务价格为每克6-8元。J750自推出以来在色彩准确性和细节表现方面一直无出其右，基于其强大的功能，这款设备成为塑料打印界最为昂贵的设备。除此之外，设备的运行费用也是价格不菲，目前每公斤喷射树脂的价格达到2500元左右，按照材料的单桶规格、基色组成、支撑材料计算，维持全彩打印的材料成本达到8万元左右。更关键的是这些材料上面会有电子的时间标识，过期会作废。所以，如若没有足够的服务订单，问题就会很棘手，而对于企业内部使用的情况，也须具有足够多的任务量才能体现其价值。总的来说，J750是一款昂贵的打印机。如前面所讲，HP的彩色打印能力要比stratasys略逊一筹，但同时体现了巨大的价格优势。实际上，在满足特定实际使用的情况下（不需要足够的光滑、不需要透明色、不需要材料的多样性等等），HP打印机则更具性价比。笔者计算了一下打印材料、各种助剂的开机运行成本，大概是13260元，相比前者来说，成本就低了很多（有兴趣的读者可以交流材料价格和计算方式）。目前对J750的使用，除非是有雄厚的资金支持或者订单量，否者真的用不起，而这样的单位往往也不会依赖它来做服务。随着HP 500系列逐渐开放彩色打印能力，两种全彩3D打印方案应该如何选择呢？看具体应用场景，也看量Stratasys的 polyjet工艺采用液体树脂作为打印材料，在外观上光滑精细，适合做外观样件。惠普的彩色打印相比来说更加突出尼龙材料的机械性能，适合做功能件。但无论哪种应用，还是得具体到实际场景中才能对比出哪种更适合。以手术规划为例，透明树脂的打印工艺可以给医生直观的感受，更好地做好手术模拟，这是其他任何打印工艺都无法做到的，尼龙的彩色打印在此方面没有任何优势；但如果要给医学院的学生上一堂关于心脏手术的课程，让这堂课的20个学生人手一个心脏模型，那尼龙打印便体现出了经济性，接下来我们按照供应商的报价进行介绍。目前无论选择哪种工艺，还是会按照重量去报价。如果选择J750制造上图中的这颗心脏，在采用纯白色树脂的情况下，单颗心脏的报价是600元，做20颗报价11000元，而且支撑不好去除，倘若做成彩色（笔者找不到彩心，供应商无法报价），价格还要高；如果采用惠普的580做这颗心脏（惠普工程师对其进行了上色），单颗的报价会上千，但如果做20颗，那总报价是3700元。这便是具体使用场景下的具体实例，总之，你要一颗，那么J750不仅可以做到不贵，而且细节、色彩、穿透力都没问题，你应该选择它；但如果你要小批量，惠普的彩色方案便更加适合你。至于为什么会出现上面的报价情况，笔者认为树脂打印过程消耗的是固定的材料，做1个和做20个并不会造成过多材料的消耗，价格可以实现累加；而尼龙则不一样，它每铺一层粉便会造成粉末材料的受热性损耗，单独做一个的材料成本也就增加，但若同时制造多个便可以忽略材料的损失情况，更关键的是它可以上下堆叠几层，也无需支撑，这对于批量制造是有益的。因此也可以说，对于购买了设备的用户，你需要在单次打印中把零件布满，才能减少浪费。其实采用尼龙打印的服务商也肯定会这样做，这对于仅需求一件产品的用户也是有优势的，如果你不严格要求细节，惠普彩色方案仍然是较为经济性的选择。此外，对于一些具体的应用领域来讲也是各有千秋。尼龙彩色方案可以使以前非黑即白的3D打印尼龙服装变得丰富多彩，也可以制作空心、轻量、高强度的沙盘模型，这些应用会对3D Systems的石膏打印带来挑战，同时又是树脂彩色方案难以实现的。END无论对于Stratasys还是惠普，全彩色3D打印技术如何被用做最终用途产品、如何能被工业采用，目前看来谁也说不清。有时候设备开发出来，功能很强大但找不到应用就会显得很鸡肋。那样昂贵的设备，集成度那么高，体现的价值可能很有限。事实上，无论服务商还是设备商，都在努力的寻找应用。很少有人将这两家公司放在一起比较，现在看来它们有不少业务重合的地方：他们都有强大的彩色成型方案，金属成型工艺也非常类似，在聚合物成型方面都独树一帜，这种模式也让3D打印的市场格局丰富多彩起来。欢迎转发延伸阅读：彩色3D打印技术之一 polyjet技术彩色3D打印技术之二--3DP技术彩色3D打印技术之三--LOM技术彩色3D打印技术之四--惠普MJF技术详解彩色3D打印技术的应用与技术对比 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：HP与Stratasys : 全彩3D打印 , 谁更具优势

在大多数人关注金属、塑料和陶瓷3D打印时，玻璃的打印似乎被认为不可实现，这种无机材料既无法与激光作用也无法被轻易熔化，打印似乎无从说起。然而实验室的科研人员却不这样认为，自2009年开始，玻璃的3D打印开始受到关注，从以色列Micron3DP到德国Fraunhofer和KIT，再到美国LLNL和MIT，世界各地涌现出不同的玻璃打印工艺。本期，我们就来介绍两种较为知名的工艺技术。KIT 3D打印的玻璃片MIT基于挤出的熔融玻璃3D打印工艺麻省理工学院（MIT）采用的是玻璃熔融挤出3D打印工艺，其采用数字集成的三区热控系统与四轴运动控制系统相结合，创造了工业规模的生产能力，提高了生产率和可靠性，同时确保了产品的准确性和可重复性，这些都是以前无法实现的。MIT打印的玻璃制品成型系统由三个具有热控制的腔室组成，第一个腔室将玻璃加热到1090℃的温度下熔化并保持其流动性，第二个腔室在800℃的温度下储存熔融玻璃，第三个腔室保持在480℃用于成型和冷却。在打印过程中，玻璃熔体进入氧化铝喷嘴，根据设备版本的不同，有喷嘴运动和底部工作台运动两种，玻璃熔体沉积后随即冷却和硬化。熔融玻璃挤出成型过程，底部平台运动熔融玻璃挤出成型过程，喷嘴运动4轴运动控制系统可实现对流量和空间精度的控制，确保杂质和结构问题不会对结晶过程造成破坏。该方法对打印的影响很小，熔融玻璃如同流动的蜂蜜一样通过喷嘴缓慢地实现成形，每小时可以打印5公斤。用于制造2017米兰设计周3米高玻璃展示柱MIT打印的玻璃的工艺整体过程很稳定，玻璃透明度高，具有很好的可靠性和可重复性。不过制造的结构仍旧比较简单并不复杂，而且难以避免这种工艺所特有的层叠纹。其主要应用在于建筑外墙和几何定制和可变厚度照明装置，MIT也用起用于控制太阳能透射率的研究。KIT基于光固化的玻璃3D打印工艺卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）开发的玻璃3D打印工艺无须将玻璃加热至熔化，也不是采用激光加工或蚀刻来制造玻璃的结构特征，而是将玻璃纳米颗粒与液体聚合物混合，形成像海绵蛋糕一样的混合物，通过加热或曝光将其硬化成固体。混合玻璃油墨打印完成的固体玻璃颗粒体积比为40-60 %，随后要转入烧结炉中脱脂。在500-600℃的温度下，聚合物可以受控的方式逸出。为了封闭材料中产生的间隙，脱脂完成的部件还需在1300℃下烧结，在此过程中，剩余的玻璃颗粒致密化成无孔玻璃。玻璃的光固化3D打印过程这种工艺的优势在于，打印完的“生胚”玻璃可以进行雕刻、钻孔、研磨或压花，最终成型的玻璃组分在化学和物理性质上与商业石英玻璃没有区别，可以用于生产高纯度玻璃材料，适用于迄今为止只有聚合物适用的任何应用。光固化成型的玻璃制品该技术可用于制造高度集成的微流体化学反应器或紧凑型光学器件，但同时也受到了医疗、汽车和珠宝行业的关注。END未来，3D打印的优势与玻璃的众多独特材料特性（如透明度，强度和化学稳定性）相结合，我们可能会看到更多功能玻璃3D打印的新产品。现代社会中从互联网、智能手机到军事、医疗，如果没有玻璃，这一切都将无法实现。欢迎转发延伸阅读：陶瓷3D打印技术汇总金瓷结合：Xjet将实现多材料一体打印博物馆文创之3D打印的可行性例析当矿泉水瓶遇上3D打印变身时尚单品 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：玻璃的熔融挤出与光固化3D打印工艺

从金属3D打印现有的生产问题看，大部分工艺速度都很慢，最终产品表面仍需要磨削、铣削等精加工。由于这一显著问题，研究趋势上主要分为两派，一派以“混合制造”为主导发展方向，既将3D打印整合进传统加工中心，如以DMG MORI为代表的3D打印铣床；另一派主张继续从工艺角度出发，改进3D打印质量，如以EOS、SLM Solutions为代表的SLM工艺。从整体上讲，两派并不矛盾，只是发展重点不同。制造方式的不同也带来了不同的适用领域，混合制造工艺在大尺寸、多材质、梯度制造方面非SLM工艺能比。本期，我们以DMG MORI 3D打印铣床为例进行介绍。5轴喷粉堆焊和5轴联动铣削加工打印机 DMG增减材混合制造机床LASERTEC 3D hybrid是DMG MORI推出3D打印混合制造打印机，这台“机床”中融合了5轴喷粉堆焊和5轴联动铣削加工技术，可交替进行堆焊、铣削以及车削加工。这种复合加工能力可生产非常复杂的几何形状，被加工的部位无需后续处理。粉体带有混合气流保护成型加工过程可视化，粉体成型与铣削结合喷粉式激光堆焊解决方案以高成形速度著称，适用于加工大型3D工件。这种加工方式其实类似于激光熔覆，可在现有工件上成形，且可以结合不同材质。激光加工和切削加工可快速转换，因此可以直接加工成品件上无法加工的部位。制造过程中内部换刀加工灵活结合增材制造与铣削加工，生产成品质量的3D工件• 用换刀系统全自动地交换激光头 - 无需人工操作；• 同轴喷嘴进行5轴激光堆焊，均匀地分配粉料，与激光堆焊方向无关；•高刚性完整5轴铣削加工中心，占地面积<12 m²；•工艺监测和自适应工艺控制（闭环）。高工艺安全性的工艺监测和质量管理• 持续测量和监测激光堆焊工艺以及实时自动调节激光功率，确保均匀一致的高质量工件。完整的工艺链，全面融合CAD / CAM– 增材与减材加工• 一套软件满足完整工艺链要求（设计、增材制造、减材加工、精加工）；• 全集成的CAD / CAM软件，包括避免碰撞的机床和运动的3D仿真；•全面集成PLM软件，缩短上市时间。喷粉式增材制造的复合完整加工技术提高工艺经济性Schaeffler在全球拥有超过9w名员工，在50个国家大约170个地点设有分支机构并拥有18家研发中心。其位于Herzogenaurach的专用增材制造车间开发面向未来的解决方案，提高工艺稳定性并优化产品。2017年以来，Schaeffler开始应用DMG喷粉式激光堆焊增材制造混合加工机床进行金属工件的3D打印生产。作为一家创新引领公司，Schaeffler不断探索开创性的解决方案，优化生产工艺和客户产品。该公司增材制造车间的创造性项目着眼于推动增材制造工艺的发展，高效率地使用新技术显著提高模具制造的合理性，金属3D打印在其中发挥着日益重要的作用。其增材制造车间的团队协调员介绍说，在一台机床中，结合5轴喷粉式激光堆焊技术与5轴联动铣削加工彻底释放了设计自由。他们采用喷粉式技术在损坏的工件处堆焊材料，然后铣削加工，使其恢复原状，这样的修复加工更经济，速度更快，优于常规的备件生产。 “混合加工还能使工件拥有全新的性能，如工件的硬度梯度或多材质工件”Schaeffler增材制造研发总监以一个冲床工具底座为例说明了该工艺的经济性：“用热作工具钢材质的铣削板作底座，复合加工机床在该底座上堆焊两个立柱，然后进行铣削。它的难度在于，如何保证底座在受到激光作用后仍然保持足够的强度和抗冲击性。此前，我们用整块毛坯铣削这个部件，但这种坯料比板材难以采购，而材料消耗也更多。自2017年，Schaeffler已在车间中使用了DMG增材制造机床采用混合加工机床可堆焊不同的材质，为Schaeffler提供了更多的加工方式。最终，它们根据工件需要在不同的零件部位使用不同性能的材质，改善了工件的强度、耐磨性和润滑性能。END增材制造不同应用方式的发展正在成为现代制造变革的推动力量，它在航空航天和常规工业应用中正在发挥越来越重要的作用。金属打印混合制造工艺在多材质、大尺寸、高质量加工方面特别能够满足大型、高精度、小批量的制造需求。以混合制造为代表的的3D打印，将不断扩展未来应用，实现更加智能化的创意。欢迎转发延伸阅读：【增材制造】将标准一网打尽采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量看金属3DP技术如何帮助客户以更低成本完成每年60万件订单两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印铣床—混合制造的特点与优势

以Stratasys为代表的的Polyjet聚合物喷射技术和以Xjet 为代表的NPJ金属/陶瓷纳米颗粒油墨喷射技术，是当今所有增材制造工艺中最具科技含量的成型技术。值得注意的是，这两种技术几乎同宗同源，Xjet的创始人Hanan在1998成立Objet公司，其看家本领即Polyjet工艺，2012年Objet与Stratasys合并。Hanan于2005年成立Xjet，随即开创了更加复杂多变的金属和工业陶瓷纳米粒子油墨喷射成型技术。XJet Carmel 1400与传统金属和陶瓷打印技术的区别这种特殊的成型工艺是将材料的纳米颗粒分散在油墨中，通过选择性地沉积液滴实现材料成型，经过必要的烧结处理后形成最终零件。它所能成型的材料包括金属、陶瓷以及聚合物。采用该技术成型的零件具有其他3D打印工艺难以实现的特征尺寸、表面光洁度和制造精度。优秀的表面质量和精度Xjet最初的目标是开发一款功能强大的金属打印机，其通过纳米粒子喷射技术成型的零件致密度达到了100%，优于传统使用SLM打印的零件性能，这证明了工艺的可靠性，也意味着Xjet取得了重大成就。Xjet打印的金属零件此后研发人员注意到可以将该工艺移植到陶瓷材料的成型上来，很显然，这种工艺成型的陶瓷质量也优于目前常见的挤出、光固化和激光烧结成型的陶瓷，其氧化锆制品的纯度达到了99.9％。Xjet打印的陶瓷零件金属和陶瓷的一体成型技术Xjet最近正在进行一项新的尝试，即使用NPJ工艺进行多材料打印，实现不锈钢和陶瓷一体成型，这在此前还未曾有工艺可以实现。但需要注意的是，这种一体成型的结构强度非常弱，它需要经过完整的后处理。在NPJ工艺中，对生坯打印件进行加热可以去除粘结剂并实现材料最终成型，然而金瓷结合的零件就是在该步骤中存在挑战。金属-陶瓷一体结构金属和陶瓷具有不同的烧结温度，如何开发能够成功烧结两种材料的熔炉烧结工艺？一种材料的较高温度要求是否会损坏另一种材料？这是Xjet正在解决的问题。烧结完成的金属-陶瓷一体结构该项目对Xjet至关重要，这将是它与其他公司差异化竞争的重要优势之一。如今大多数金属和陶瓷3D打印采用粉末烧结或其他工艺，似乎都难以实现有效的多材料一体成型，这是喷射技术的重要优势。突破性的支撑墨水材料3D打印可以加速零件生产，但如果仍需要手工去完成后处理，则会大范围消除与现有技术的竞争优势。Xjet的重要成果之一是开发了突破性的支撑墨水材料，它能够形成足够坚固的支撑结构，可以保持金属成型，同时可以通过水溶性去除，这对于制造高质量的复杂零件无疑具有重要优势。使用与零件不同的材料作为支撑，可以降低零件的总成本并提高整体生产效率，与此同时，支撑材料和零件材料也可以作为一体成型的工艺体现。 END纳米粒子油墨喷射工艺的关键之处在于其独特的液体分散方法，理论上它可以成型更多材料，这远远超出了Xjet目前使用的少数陶瓷和金属。未来的XJet设备也许能够同时使用多种材料一体打印，这将打开一些潜在的应用空间。欢迎转发延伸阅读：技术竞争：喷射技术比你想象的更加重要基于粘结剂喷射和SLM的金属3D打印性能对比分析金属粘结剂喷射技术：在进行批量生产时须考虑整个工艺链基于烧结和熔化工艺的金属3D打印成本结构对比 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金瓷结合：Xjet将实现多材料一体打印

碳纤维3D打印的过程并非直接进行纤维打印，而是通过复合的方式填充于其他材料中起到增强效果，如碳纤维增强尼龙、PLA、PEEK等。当前聚合物3D打印材料增强的方式无非两种，即短纤填充和长纤复合，增强方式的不同也造成了打印工艺的不同、性能的不同以及应用的不同。本期，3D打印技术参考从增强方式的角度分析这些不同。一. 短切碳纤维填充聚合物材料短切碳纤维是当前标准热塑性塑料的增强材料之一，其工艺过程是将短切纤维分散在热塑性塑料中，制成混合粉材或挤压成线材，采用激光烧结或FDM熔融沉积的形式实现成型（另，惠普多射流熔融技术也可实现）。这种强化方式能够整体性的提升材料强度和刚度，并达到优异的耐热性、表面光洁度和耐化学性。短切碳纤维填充尼龙性能数据但这种方法并非始终没有缺陷。一些短切纤维增强线材通过调节纤维对材料的饱和度来调节强度，随着纤维颗粒浓度的升高，材料可能难以顺畅的挤出喷嘴，留下可见的缺陷和粗糙的表面纹理，从而影响工件的整体质量。Markforged新推出的短纤碳纤维复合尼龙阻燃材料Onyx FR激光烧结碳纤维复合尼龙汽车进气歧管功能部件短切碳纤维增强材料实现了传统热塑性材料所无法达到的性能，能够提供内部测试或面向客户的部件所需的强度和外观，可用于航空航天、国防和汽车行业原型测试及最终使用部件。二．连续碳纤维增强聚合物材料短切碳纤维在增强材料整体强度方面具有显著优势，而连续碳纤维则可使零件达到更高的强度和功能。当前连续碳纤维制造采用的几乎均是FDM工艺，在打印过程中，将连续的碳纤维嵌入标准的热塑性基材中。带有双喷头的连续碳纤维打印机基于该工艺的打印机在工作时，首先通过喷嘴成型传统热塑性材料，随后另一个喷嘴将纤维“熨烫”在刚成型的塑料基体上，在需要跨越的位置，喷嘴处有一切割装置将纤维切断。连续碳纤维填充其中更像零件的骨架采用这种方式增强的材料更强、更硬、更耐用，并且保持了热塑性基体材料的耐热性、耐化学性和良好的打印质量。与此同时，连续纤维增强的材料还可以以相对较轻的质量达到传统金属部件的强度，这在要求强度质量比的行业具有重要意义。连续碳纤维的强度与重量比是增强纤维中最高的。碳纤维增强材料的强度是短切增强尼龙（Onyx）的6倍，硬度是其18倍，通常用于替换机加工铝合金零件碳纤维增强的尼龙（7g，左）和铝合金（12g，右）同时悬挂12.5kg重物比较连续碳纤维不仅增加了强度，而且还提供给用户在需要更高耐久性的领域中有选择性地进行强化。连续碳纤维的FDM工艺可以选择逐层基础强化，因此可以获得同心轴向强化和各向同性强化。同心填充加强了每层（内部和外部）的外边界，并通过用户定义的循环数延伸到零件中。各向同性填充在每层上形成单向复合增强，并且可以通过改变层上的增强方向来模拟碳纤维编织。这些强化策略使航空航天、汽车和制造等行业能够以新的方式将复合材料集成到其工作流程中，有效地模拟金属性能。更长的纤维意味着材料强度更高，纤维有助于在一个区域上扩散载荷，通过控制方向，Arevo将碳纤维增强材料以钛合金1/3的重量实现了5倍强度的提高END碳纤维传统工艺制造过程十分复杂并且需要大量人力劳动，采用3D打印技术无疑使碳纤维复合材料的制造更为便捷。两者的结合同时解决了热塑性3D打印存在的种种性能不足问题，这无疑为直接制造最终功能部件提供了更多可能。当前的碳纤维3D打印工艺实则分为短切纤维填充和连续纤维增强两种，复合方式的不同自然带来不同的性能和应用，那么，你到底需要的是哪种增强方式呢？欢迎转发延伸阅读：几种碳纤维3D打印技术Markforged打印机工作原理及先进应用案例：3D打印如何用于工装夹具生产ARGO 500：一种高性能的聚合物打印机 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：碳纤维3D打印：短纤填充与连续增强的区别与性能差异

在工业领域，塑料功能部件的增材制造有着很高的要求，除了高质量和高强度，原材料的加工范围还须广泛，设备因此也需要具有灵活的可调节性。如今，一种将机床技术与3D打印相结合的混合机器—螺杆挤出增材制造系统，正在受到弗劳恩霍夫协会和阿博格的重视，前者是3D打印技术知名的研发机构，后者则是世界领先的塑料加工注塑机制造商，如此可以看出该技术的应用潜力。本期我们以阿博格打印机为例，介绍这种区别于FDM的塑料3D打印工艺。区别于FDM的塑料螺杆挤出增材制造系统 螺杆挤出工艺的一个巨大优势在于可以直接加工低成本的用于注塑的合格标准颗粒。打印机通过特殊的螺杆集成了材料制备功能。在将材料溶化后，通过高频压电技术按压的喷嘴开关喷出塑料液滴，并在控制机构的支持下准确灵活的定位这些液滴。与注塑模相比，阿博格螺杆挤出工艺通过对液滴大小和过程的控制实现了产品的高精度制造。打印机配有不同尺寸的喷嘴，直径分别为0.15、0.2和0.25毫米，喷出的液滴不是圆形的，其形状主要由材料粘度决定。这一点在厚度构建时需要注意：液滴高度决定了层厚—在0.14-0.34毫米间变化。下料频率从100-200滴/秒，最多可达200滴/秒；材料压力为150-500bar为了确定液滴的总量，还需要考虑形状系数，它反映了非精确圆形液滴的宽度和高度比。层厚和形状系数彼此相关，需要在对切片进行数学算法以及在设计机器特定的NC程序时考虑到这些。比如形状系数加倍会使一个液滴占据其四倍大的空间。可调节参数包括：界线数量、界线重合度、开始角度、增加角度、填充密度、料滴纵横比等掌握了其中的关系，就能有目的地使用结构性质。液滴之间越密集，组件被“包装”得越厚，其机械特性就越强。因此，当注塑件厚度与材料的相关性达到95%，抗拉强度就会达到97%（根据DINEN ISO527-02进行拉力测试）。层厚越小，结构表面就越光滑；层厚越大，则会缩短构建时间。同时处理多种原料，水溶性支撑个性化优化组件，多功能和多组分产品与其他的生产工艺相比，通过螺杆挤出工艺可以个性化地优化3D打印组件的质量和稳定性。这与各种生产材料有关，但前提条件是拥有“开放的生产系统”。阿博格3D打印系统不仅可以调节层厚、温度以及液滴位置等所有工艺参数，其特殊的特殊的螺杆结构还可完成材料准备功能，以此可以生产多功能和多组分产品。 夹钳抓手材料： ABS、TPU 和 armat 21层厚： 0.2 mm构建时间： 约 16 小时特点： 类似人体手指触感的活动功能部件，采用耐负荷的硬/软胶结合制成为了提高材料质量、实现优化的工艺设置，在高度自由的选择下要考虑到结构性构建方法。目前，适用于螺杆挤出工艺的材料库不断扩大，对于不同的热塑性材料都有相应的工艺设定。不仅可以使用增材标准材料 ABS、PC、PA12（无定型），还可以使用半晶体PP以及特殊塑料，如高温材料PEI、弹性TPU或生物聚合材料。材料： 生物聚酰胺层厚： 0.27 mm构建时间： 大约 22 小时特点： 包括外壳和固定钩的灵活的可负重功能部件阿博格3D打印的一项重要特征还在于，如同注塑工艺一样，可以加工低成本的合格标准颗粒，相比于传统FDM线材具有更低的材料成本。直接使用原材料可以高效生产单个或小批量部件、功能部件，也能个性化生产大批量产品。用于航空的PC和用于医疗技术的可吸收PLA，也可实现透明材料制造螺杆挤出增材制造系统的应用场合在塑料制品的开发过程中，通常需要根据塑料制品的设计CAD模型先获取该产品的原型，如果用户对原型是满意的，这时候就会进入到批量生产阶段，如果批量的规模并不大，那么通过3D打印的方式来实现就往往比传统的开模具的方式要更经济些；而且显而易见的，在小批量制造中，螺杆挤出工艺比传统的FDM也更具工业意义。基于此，阿博格希望开发能够替代经典大规模塑料注射成型的小批量生产增材制造设备。源自在塑料注射成型领域和机械制造领域的的专业经验，阿博格引用与注塑机接近的原理实施打印，使用的材料也与注塑生产线一致的粒料，这使得不同的生产技术之间没有太大的供应链上的跨度需要调整。除此之外，相比FDM技术，阿博格螺杆挤出工艺制造的产品具有更优的质量，其产品也已在航空航天、汽车、医疗以及消费品等行业获得应用。END从注塑的角度考察增材制造，便产生了这种突破传统FDM的塑料成型工艺，它的突出特点包括低廉的材料价格与设备广泛的适用性，甚至在功能性方面也同样表现突出。除了阿博格，德国弗劳恩霍夫机床和成型研究所在3月15日也宣布成功开发出了类似工艺，其速度比传统3D打印机快8倍，而且使用的同样是低成本的原材料。塑料颗粒螺杆挤出工艺在速度、成本、功能性和设备适用性上的突破，无疑为塑料3D打印的工业生产铺平了道路。欢迎转发延伸阅读：先进材料正在塑造聚合物增材制造的未来高强耐用 PLA 3D打印材料及其设备PEEK特种塑料应用实例及当前打印工艺利用高性能复合材料和金属3D打印解决制造挑战 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：高速、灵活、开放式的螺杆挤出增材制造系统

近期，来自中国科学院空间应用工程与技术中心的研究团队使用远铸智能（INTAMSYS）高性能材料3D打印机FUNMAT HT对自主研发的碳纤维/PEEK复合材料进行3D打印工艺的系统研究，取得重要科研进展。相关成果以论文《Flexural Properties and Fracture Behavior of CF/PEEK in Orthogonal Building Orientation by FDM: Microstructure and Mechanism》为题，发表于国际著名期刊《Polymers》(原文请进QQ群下载)，博士研究生李秋实为第一作者，赵伟助理研究员、王功研究员为该研究论文通讯作者。INTAMSYS FUNMAT HT打印机与第一代产品相比，FUNMAT HT 1.5具有自动调平功能，更加智能和易用。升级的高性能运动控制系统，打印精度更高，速度更快，可满足对于打印质量有苛刻要求的客户需要，可以实现高重复性的小批量制造。采用的微晶玻璃打印平台，不仅提高了加热效率，而且消除了铝基加热平台带来的热变形，使打印平台在高温下具有更好的平面度。聚醚醚酮，简称PEEK，是一种热塑性聚合物，具有高强度，耐高温，耐化学腐蚀等特点，对3D打印行业有着举足轻重的影响。目前，聚醚醚酮已被用于制造3D打印卫星、3D打印汽车零部件、人体植入物，未来还将可能涉足其他领域。在PEEK 3D打印技术中，与大多数非金属材料类似，FDM工艺制造打印件的Z向层间结合力远低于X、Y方向，被认为是限制其应用的重要因素之一。碳纤维PEEK 3D打印材料制备与打印过程赵伟、李秋实等学者通过在丝材中掺杂碳纤维，并运用远铸智能FUNMAT HT机器研究了垂直打印方向对碳纤维聚醚醚酮3D打印件弯曲性能的影响，这种垂直方向打印的弯曲样条具有优异的力学性能，弯曲强度达到146 MPa，重要的是，还与传统注塑件具有接近一致的弯曲强度。3D打印参数名称打印参数打印头直径0.4mm打印头温度400°C腔体温度90°C打印底板温度160°C打印速度15mm/s打印件层厚0.1mm填充角度+45°/-45°打印头、底板距离0.08mm碳纤维掺杂与垂直打印方式样件弯曲性能对比作者发现碳纤维的引入，不仅提高了打印件的刚性强度，而且结晶度更均匀，同时分析了碳纤维引入和打印方向对于打印件微观结构组成、打印件受力断裂模式，这些都有利于大型部件的制造。同时，可以观察到运用远铸智能（INTAMSYS）3D打印机通过改变打印方向和打印参数，除打印件具有优异的力学性能，还具有较为光滑的表面。样件CT扫描结果总之，该研究提出了一种普适性的制备满足多种受力情况PEEK打印件的方法，该方法为制备大型打印件提供了新思路，通过调节其他掺杂组分、打印方向和微观结构，运用远铸智能（INTAMSYS）3D打印机和INTAMSUITE软件，使得PEEK碳纤维材料有更强的空间适应性和更多的功能性，所制备的PEEK打印件有望在耐高温工业部件、汽车航天等领域得到进一步的应用。欢迎转发延伸阅读：几种碳纤维3D打印技术PEEK特种塑料应用实例及当前打印工艺先进材料正在塑造聚合物增材制造的未来 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：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

整个四月至今，3D打印在生物医疗领域发出了一个接一个的重大消息，这些可能将改变未来医学的新进展包括3D打印的活性心脏、肺部器官以及能够生长发育的骨组织。在节后的第一天，我们以视频和文字的形式介绍这些新进展的基本情况以及它将给人类生活带来的改变。3D打印的完整心脏，拟一年后移植到动物体内4月15日，以色列特拉维夫大学研究人员宣布，他们用人类的脂肪组织，通过3D打印技术制作出了一颗“人造心脏”，虽然只是一个微缩版的原型，却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的完整心脏”。 3D打印活体心脏的过程：•从患者脂肪组织中分离出细胞和α-细胞材料；•脂肪细胞被诱导转化为胚胎干细胞；•胚胎干细胞分化为心脏或内皮细胞等细胞；•使用CT扫描，勾勒出心脏大体结构，包括心脏的形状、心房心室尺寸以及主要血管的走向；•使用胶原蛋白和糖蛋白等材料，制作水凝胶，3D打印出可降解的生物支架或骨架；•把分化好的细胞，培养进入支架相应的部位，最终培养出心脏结构。目前，这颗心脏胞可以收缩，但尚不能像正常心脏一般搏动泵血，这也是研究人员们下一步的主攻方向。按计划，他们将在1年多后开启动物实验，研究这种人造心脏用于器官移植的可行性。心脏3D打印过程3D打印活性仿生骨，可在生物体内自然生长4月18日，西北工业大学汪焰恩教授团队3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展，团队研制的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致。 骨缺损是骨科临床常见疾病，传统的金属、高分子材料人造骨没有生物学活性，无法在人体内发育。而此次3D打印的活性仿生骨则可在生物体内“发育”，甚至使自体细胞在人造骨中生长，最终，人造骨与自然骨很好地生长在一起。3D打印方法及技术难点：采用激光对被打印对象进行片层扫描，还原对象的宏观和微观结构。在配比材料、铺粉打印环节，传统3D打印的材料单一、密度一致、粉体单一、铺粉均匀，难以满足仿生骨的打印需求。汪焰恩团队不仅研制了一套打印控制系统，还攻克了打印的关键机械技术，实现了仿生打印的结构复杂、密度不均、复合粉体和非均一铺粉。这套设备独创的常温压电超微雾化喷洒技术，突破了细胞液、蛋白液喷洒速度、喷洒量难以精细控制的技术瓶颈，处于国际先进水平。汪焰恩教授团队目前已经掌握了仿生骨、软骨和皮肤的3D打印技术。下一步，他们将继续探索真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术，做到与自然皮肤非常接近，这无疑对于解决皮肤组织缺损具有重要意义。3D打印的仿生骨光固化3D打印，制造具有复杂血管结构、会呼吸的肺5月3日，《Science》最新一期封面文章带来了美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队的一项里程碑式发明，他们采用立体光刻3D打印技术制造了肺部错综交缠的血管网络以及用于运输空气、淋巴液等物质的管道。 这枚3D打印的肺具有完整的血管结构，能够朝周围的血管输送氧气，完成“呼吸”过程。器官3D打印的最大难题：器官3D打印的最大难题是无法打印那些为组织输送营养的血管以及器官内部独立的管道系统，如肺部既有血管又有气道，肝脏既有血管也有胆管，这些互相交织的管道网络在生理和生化上相互联系，其结构与其组织功能息息相关。如何在3D打印器官的过程中兼顾多种不同的管道系统，成为了科学家们的研究重点。3D打印的可呼吸肺泡组织此次研究人员利用光固化3D打印技术和一种特殊的光吸收剂形成技术实现了血管和内部管道的制造。在实验过程中，研究团队通过多种人工组织模型验证了3D打印技术制造带有复杂血管结构的可行性。除了3D打印肺泡模型之外，他们还制造了肝脏组织，研究表明，这些肝细胞能在体内生存，这说明3D打印的肝脏组织中的血管能够有效为组织细胞输送养分。END从这三项重要进展也可以看出，3D打印对于医疗的贡献是巨大的。在未来10年，人们有可能会采用自身的组织细胞制造出活性的组织和器官，这无疑能够最大程度解决移植器官的供体短缺问题。虽然从实验研究到临床应用还有很长很长的路要走，但我们期待这些技术能够日臻完善，从而为人类未来生活带来新的希望。欢迎转发延伸阅读：医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活3D打印如何辅助医生手术，如何宽慰患者中国科学家如何采用干细胞实现血管3D打印 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：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