香港城市大学吕坚教授研究组近日首次实现了陶瓷的4D打印。8月17日，相关研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”为题发表在Science Advances上。这种4D打印结合了3D打印，自变形组装和弹性体衍生陶瓷在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度、机械强度、制造成本和适应复杂环境能力上实现了突破，有望广泛应用在太空探索、3C电子产品、航空发动机、防弹军事装备和高温微机电系统等领域中。本篇内容由纳米人整理。论文链接http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641研究亮点4D打印，一般是指在3D打印的基础上增加一个时间维度，使得在一定刺激（如热，水，磁场，电流，紫外线等）下，3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中，包括水凝胶，形状记忆聚合物等。 吕坚团队开发了不同系统的硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体，这些弹性体材料的特性使其可以完成从3D打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，逐步实现打印陶瓷折纸结构和4D打印陶瓷 。成果详解1. 3D打印陶瓷在此次研究中，他们先实现了3D打印陶瓷。他们采用墨水直写打印（Directink writing）这种成本较为低廉的打印方式，用二氧化锆（ZrO2）纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷（poly(dimethylsiloxane) ，PDMS）复合材料作为墨水，构建弹性体3D结构，然后在氩气或真空中进行热处理，得到一级陶瓷，然后在空气中进行热处理，进而得到二级陶瓷。开发这两级陶瓷可以丰富材料的外观，譬如这里一级陶瓷是黑色的，而二级陶瓷是白色的。3D打印出的陶瓷前驱体不仅是软的，而且具有弹性，可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度，这为4D打印提供了自变形组装的可能。 最终打印得到的多级结构陶瓷是非晶-结晶双相SiOC基质纳米复合材料，有的系统还会得到孔径小于10nm的超纳孔。2. 打印陶瓷折纸结构然后他们实现了陶瓷折纸结构。3D打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形，经过热处理弹性体转化为陶瓷，然后金属丝可以被硝酸销蚀掉，最后只剩下陶瓷结构。通过例如弯曲、扭转和拉伸等一些基本负载模式，证明了打印弹性体的柔性和可拉伸性，为复杂折纸变形提供了可能。线状比例尺均为1厘米他们3D打印出有周期性三角形纹路填充的长方体预应变前驱体，构建了复杂陶瓷折纸结构，包括蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、和裙子。3D打印的弹性体经历形状转变, 并且被金属丝约束。弹性体中的周期性三角形纹路增强了整体结构的可折叠性，并且保证了金属丝约束的可编程性。根据高斯绝妙定理，高斯曲率在局部等距变换下不变。弹性体的可拉伸性使得可以改变其表面上点与点之前的距离，也就提供了机会可以构建具有混合的高斯曲率的复杂结构，譬如类似圆柱面和圆锥面的零高斯曲率，类似球面和环面的外表面的正高斯曲率，类似环面的马鞍形内表面的负高斯曲率等不同K值的面可以混合出现在同一个结构中。在打印陶瓷折纸结构的基础上，他们开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。3. 4D打印陶瓷：方法一在方法一中，他们设计制造了可编程自动双轴拉伸装置，将3D打印的基底在两个方向进行预拉伸，拉伸的速度由电机编程控制。在拉伸状态下的基底上打印设计好的连接点，用于连接基底和其上的3D打印得到的主结构。等连接点固化后，在电机控制下释放基底中的预应力，主结构就会发生屈曲变形，与基底一起形成4D打印的弹性体结构，热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。以经典的拓扑结构三浦折叠为例，在可编程自动双轴拉伸装置的辅助下，三浦折叠“生长”了出来，实验结果也与有限元仿真相吻合。基于其周期性和对称性，三浦折叠也可以作为基本结构单元来构建更加复杂的结构。4D打印陶瓷：方法二在方法二中，陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，然后预应力被释放时，就会发生4D变形。他们以几个有代表性的拓扑结构作为例子，其中包括弯曲，螺旋，和马鞍面。陶瓷前驱体上的变形，可以通过在其表面所打印的纹路参数来编程设计，譬如纹路的疏密程度，与拉伸方向的夹角等。4D打印陶瓷优点一：当需要制造一系列相似形状的陶瓷时，这种4D打印的概念就会体现出时间上的高效。因为只需要一个相对简单的图纸设计，就可以衍生出一系列的形状上相似且连续可变的结构，而传统的3D打印只能一个图纸设计对应一个结构。这个优点所带来的在时间成本上的突破，将会在定制设计上体现得尤其明显。4D打印陶瓷优点二：此次研究提出了“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷的概念，并举了两种自变形方法作为例子。这种概念可以有更广泛的变体和应用，譬如引入形状记忆变形等。这种4D打印方法上的多样性，可以为设计制造用其他方法很难实现的复杂陶瓷结构提供巨大的自由度。以电子设备行业为例，因为陶瓷材料在电磁信号传输上的优异性能，5G时代的到来将会对陶瓷产品的发展提出更高的要求。另外，相较于金属，陶瓷材料颜值高，质感佳，密度低，而且还有不易变形，耐磨防刮，耐化学腐蚀等优点。但是，陶瓷材料熔点极高，较难加工成型，所以目前陶瓷产品的应用受到了技术和成本上的极大限制。下图是他们打印的陶瓷手机背板，左边是平面板结构，右边是曲面板结构，小图里是平面板结构的另一个表面。相较于传统的陶瓷成型工艺（譬如注塑成型等），他们的技术较易实现个性化定制，尤其在制造类似曲面板这样的陶瓷结构上，而且可以实现超复杂精细结构，成本低强度高，有望应用在包括陶瓷手机背板和中框，陶瓷手表的表壳表圈表链等3C产业中。4D打印陶瓷优点三：作为陶瓷前驱体的弹性体具有强变形能力，可以提高结构材料适应复杂应用环境的能力，譬如太空探索。3D打印的前驱体可以在地面被折叠以节省空间，然后到太空后展开为需要的结构。前驱体转化为陶瓷后，这些4D打印的陶瓷结构可以被用来做耐热结构。4D打印陶瓷优点四：此方法得到的陶瓷结构具有很高的比强度，并且可以兼具高强度和大尺度。下图显示了抗压强度-密度的Ashby Chart，此次研究中的SiOC基质纳米复合材料的晶格和蜂窝结构（红色星号标记），与其他参考文献中报道的结果和市售的SiC、AlSiO泡沫的性能作了比较。此次研究中的打印陶瓷晶格结构的抗压强度可以达到547 MPa（密度约为1.6 g cm-3），其比强度约为传统SiOC泡沫的19倍。下图显示了他们的结果（红色星号标记）攻克了打印陶瓷结构强度与尺度不可兼得的普遍难题。相较于3D激光光刻得到的纳米结构，此次研究中兼具大尺度和高强度的陶瓷材料将有较大机会应用在实验室之外的机械系统中。这些轻质高强多级尺度的陶瓷结构也有相当潜力用于制造机械超材料中。参考文献：1. Eckel,Z.C. et al. Science 351, 58-62(2016)2. Zanchetta,E. et al. Adv. Mater. 28, 370-376(2015)3. Meza,L.R. et al. Science 345, 1322-1326(2014)4. Bauer,J. et al. PNAS 111, 2453-2458 (2014)5. Bauer,J. et al. Nat. Mater. 15, 438-443(2016)6. Colombo,P. et al. J. Am. Ceram. Soc. 84,2245-2251 (2001)4D打印陶瓷优点五：相较于陶瓷增材制造的其他方法，此次研究中开发的“墨水直写陶瓷前驱体+热处理陶瓷化”工艺成本相对低廉，因为这种方法不需要3D光刻法所要求的相对昂贵的激光或者紫外光能源，也不需要一般陶瓷粉末烧结所要求的超高温度（对于SiC和Si3N4，一般粉末烧结温度要超过1600oC，而此工作中热处理1000 oC即可陶瓷化）。结语在此次研究中提出的“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷概念里，用于陶瓷前驱体的硅胶基质纳米复合材料可以进一步推广到其他两相或多相材料系统中，这种方法开辟了做复杂形状的高温合金和陶瓷等高温难熔材料的一个新工艺，有望用在航空发动机上。3D打印方式也可以根据材料特性推广到墨水直写以外的打印技术中，变形过程可以推广到形状记忆变形，多材料打印的热膨胀变形等方式中，热处理工艺上也有相当的优化和拓展空间。总之，这个工作在研发复杂形状的轻质高强、大尺度的结构陶瓷上取得了一定突破，其在高温材料相关领域的广泛应用值得期待。此项研究获国家自然科学基金委员会重大项目、香港大学教育资助会的协作研究金和主题研究计划、香港创新科技署（通过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心）、广东省科学技术厅、和深圳市科技创新委员会等单位的支持。吕坚教授简介吕坚教授现任香港城市大学（研究及科技）副校长及研究生院院长，机械工程学院讲座教授，先进结构材料研究中心主任，香港工程科学院院士，法国国家技术科学院士。2006年及2017年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”，2018年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟，生物与仿生材料力学，航空航天材料与结构预应力工程，3D打印先进材料与产品集成设计等。本文相关成果：1. Guo LIU, Yan ZHAO, Ge WU,Jian LU, Origami and 4D printing of…

本文偏学术流基于逐层堆积的3D打印技术的出现，充分地释放了设计约束和制造柔性，几乎可以成形任何形状的零件。然而与传统制造技术相比，3D打印零件的表面质量稍差，如此会影响零件的强度、耐磨性和抗蚀性，还会影响其配合性质和工作精度。车、铣、刨、磨等传统机加工的粗糙度Ra<2.5μm, 而SLM成形件的Ra通常超过10μm，制约SLM技术的广泛使用，工程师通常会通过工艺优化提升表面质量，然而，气流方向和零件摆放方位也会影响成型件的表面质量。AM400内部结构本文研究人员采用如图Case1所示的扫描方式进行SLM样块加工，发现所加工的样块的表面质量均存在如下特点：后侧面大于前侧面，左侧面大于右侧面。经过初步的分析，这个可能与扫描方式有关，或许与铺粉方向和气流方向也有关，为了进一步验证，研究人员继续进行了Case 2和Case 3的实验。实验中。。。扫描方向对表面粗糙度的影响结论依然是后面粗糙度大于前面，左面大于右面，当然这个差值有所减少，这是扫描方式的影响，此处不具体展开。气流方向的影响实验采用的设备为雷尼绍AM 400，气流从成形腔的右出口进入左入口，形成气流回路，通过监测SLM成形过程发现，在气流的作用下，大量的飞溅落在样块左侧与粉末接触的区域（落在已凝固的样块表面，飞溅也会被吹到这个位置），这些飞溅的颗粒在下一层加工初始，会被半熔化，粘附在零件的左侧面，大大的提高表面粗糙度。如果飞溅落在零件成形区域，还会影响到零件的性能。气流方向对表面粗糙度的影响零件摆放方向的影响雷尼绍AM 400的铺粉方向是从后向前，在铺粉过程中，粉末会被刮刀压实，零件后方的粉末致密性较高。当激光加工下一层时，熔化该位置时，更多的粉末被吸收进熔池，熔池尺寸较大，变得不稳定，另外熔池会渗进粉末，粉末未及时熔化，而快速冷却后导致表面粗糙度的增加。 AM400打印过程结论: 基于以上两条因素，在进行零件打印时须根据零件的特点选择合适的摆放方位。对于具有复杂表面的零件，这些面的摆放应避免位于左侧和后侧；具有较大平面，便于机械加工的零件，可以作为后侧面或者左侧面。联系作者并获取原文「 更 多 精 彩 点 击 下 方 图 片 即 可 查 看 」长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：从气流和零件摆放角度探讨SLM打印表面质量

增材制造工艺的主要特征之一是其制造的部件形状复杂性几乎是无限的。然而，金属部件的高表面质量通常只能通过铣削或磨削精加工操作来实现。然而薄壁零件在进行铣削加工时经常会引起振动，这会对零件精度和加工时间产生不良影响。弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT）和亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）共同开发了一种特殊用途的支撑结构，以消除后处理过程中产生的振动。振动会影响表面质量通常，在选择性激光熔化（SLM）工艺中，金属部件会被设计成比实际需求更大的尺寸，以允许完成铣削操作，这是确保部件尺寸和功能表面的唯一方式。薄壁部件在打印过程中容易变形，清粉操作及后处理加工过程中也特别容易发生振动，导致表面质量差，甚至使部件无法使用。支撑结构解决方案Fraunhofer IPT和ILT增加了增材制造的部件的外围设计，通过添加支撑结构增加了易受影响区域的刚度并减少了振动。在表面精加工操作过程中，可以用相对较少的力量去除这些支撑。支撑结构增加了薄壁零件的刚度支撑结构可以减少铣削过程中的振动这种方式可以稳定部件，也可以在更短的时间内以更低的刀具磨损水平达到更高的质量。欢迎转发延伸阅读：3D打印技术参考，一周年如何选择3D打印树脂材料案例：3D打印如何用于工装夹具生产利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构

当产品确定了设计和工艺之后，随之而来的便是对材料的选择，然而用户往往对此并没有太多的概念，服务商却会执着的问你到底想用什么材料，毕竟，他们面对的树脂材料的种类太多，打印出符合客户需要又不至于返工的产品是他们必须考虑的。客户必须要知道自己的产品需要具有怎样的性能，不同的树脂材料可满足不同的机械性能需求，材料的选择过程不可或缺。原型丙烯酸酯原型丙烯酸酯采用CLIP（或DLP）技术成型，零件表面光滑且具有光泽，强度适中，该材料可用于概念验证和快速原型制作，该材料具有黑色、灰色和白色，也可进行抛光。氨基甲酸乙酯（UMA 90）UMA材料强度很高，它的许多机械性能类似于尼龙12，可以制造功能性和成品部件，也适用于原型制作，例如用于原型叶轮和空心部件的流体回路。这种材料具有良好的表面，不需要抛光工艺，成本低，具有黑色和白色两种。弹性聚氨酯弹性聚氨酯是一种具有高弹性、抗冲击性和抗撕裂性的材料，可以制作缓冲垫圈、抗振或密封零部件。弹性聚氨酯是一种高性能聚氨酯弹性体。实际上，它在压缩载荷和循环拉力下具有优异的弹性性能。目前这种树脂材料只有黑色。柔性聚氨酯柔性聚氨酯不如弹性聚氨酯树脂那样有弹性，是一种半刚性材料。特别适用于要求韧性和抗重复应力（如铰链和摩擦配合）的应用。该材料提供了高冲击强度，是制作外壳类零件的完美选择，目前该材料只有黑色。硬质聚氨酯硬质聚氨酯是一种具有高硬度和高强度的材料，同时它也具有耐磨、耐高温的特性，可制作耐热。耐磨、具有一定刚性的机械部件。VeroWhite树脂VeroWhite树脂是一种不透明的聚苯乙烯树脂，有很多不同的颜色可供选择。采用该材料打印的部件表面光滑且不透明，可用于制造医疗部件，如手术导板或大型原型部件。VeroClear树脂VeroClear树脂是一种半透明材料，打印部件具有自然光滑的表面，可以抛光，也可着色处理，可以用来制造消费品 。以上树脂材料属于高性能材料，从快速原型制造到生产，可以满足各行行业的需求。欢迎转发延伸阅读：3D打印技术参考，一周年案例：3D打印如何用于工装夹具生产利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：如何选择3D打印树脂材料

高强度复合材料3D打印和金属3D打印都是当前较为先进的制造方法，从单独使用的角度来讲，两者从模具、夹具到小批量最终用途零部件，都可以提供突破性的解决方案。然而本文要讨论的是将两者结合起来，利用复合材料和金属3D打印改进制造流程，来解决更多挑战。复合材料打印机可以将碳纤维、玻璃纤维等增强纤维嵌入常规线材中，打印部件强度是ABS的23倍，而金属打印机可以打印不锈钢、铝合金、钛合金等多种材料。通过了解他们的优势，可以最大限度的提高3D打印的实用性。金属和高强度复合材料具有不同的材料特性，它们本身有着不同的应用。复杂金属零件带来了对3D打印的需求零件在制造之前必须先完成设计，但金属3D打印释放了设计极限，可以制造以前难以完成的几何形状。打印的零件可以采用传统的金属制造工艺（如攻丝、抛光或机加）进行后加工。然而随着零件设计自由度的增加，零件越复杂，标准的夹具就越难以满足使用要求。高性能复合材料为定制工装夹具带来可能复合材料打印机可以制造高强度保形工件夹具，这些工具和夹具成本低、高效、耐用，对于小批量的金属零件，由金属和复合材料构成的组合夹具将简化工件夹具设计过程，同时确保完美配合。应用1. 攻丝夹具使用打印的复合材料夹具来对齐和支撑需要后处理（如攻丝）的金属打印件，定位孔垂直以便于攻丝，坚固的复合材料夹具可轻松承受来自虎钳的夹紧力以固定零件。有效固定特殊形状零件其实只要有金属零件模型，便可以设计专属于该零件的复合材料夹具，这个过程简单实用，可有效解决复杂零件的夹持问题，无论是攻丝、QA检查还是其他后加工都能轻松解决。2. CNC铣床软钳口在这个例子中，工人使用定制打印的工件夹具来固定金属打印的轴承座，来保证后加工精度。复合材料软钳口与金属零件的复杂轮廓相匹配，强度高、耐化学腐蚀，使其在机加工车间经久耐用。3D打印异形零件的夹具比零件本身要容易设计的多，只需要将零件模型导入设计软件，进行布尔运算等简单操作，便可以得到夹具的设计模型，大大简化了夹具设计流程。再通过3D打印制造，比传统的编程加工要快速方便的多。3. 为复合材料工装打印金属插件工装工具通常由多种材料制造，以最大限度提高性能和实用性。采用传统加工方式制造工装通常非常复杂和昂贵，而3D打印复合高性能材料与金属打印相结合让流程变得简单且成本大大降低，工程师可以充分利用两种材料的优势来制造特殊工具。定制扳手复合材料的手柄内部填充连续玻纤，增加了其强度和耐用性，保持轻便的同时又复合人体工程学特点，可以分散使用过程中的扭转载荷；安装在复合材料手柄中的金属打印插件提高了零件接触区域的硬度和耐磨性，两者的组合大大提高了工具的实用性。定制打印 多材料工具的益处●可以打印与各种金属嵌件相连接的复合材料手柄或安装件，将工具整合进入一个更紧凑的单元中。●可更换磨损部件并延长工具使用寿命，当外部手柄磨损时可以轻松打印替换件而非替换整个工具。●当金属插件分离开来时可根据其用途快速迭代外部设计。使用合适的材料来满足工具要求金属和复合材料都具有高强度，在工业应用中扮演着不同的角色，但将两者复合使用，两者的其他性能便可以互相补充，生产出坚固耐用、耐磨或坚韧无损的多种高强度工具。此外，金属和复合材料的协同使用还可以支持生产，简化制造流程。欢迎转发延伸阅读：3D打印技术参考，一周年案例：3D打印如何用于工装夹具生产被状告的Markforged打印机是如何工作的从制造特点和产品周期分析3D打印相对于传统制造的意义在使用3D打印的情况下如何进一步降低成本长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战

石墨烯特殊的二维蜂巢晶格单原子层结构决定了其具有独特的物理性能，如质量轻、比表面积大、导电导热性好、力学强度高等，因此可作为理想的结构和功能性填料来制备复合材料。 3D打印是近年来快速发展的成型制造工艺，又被称为“增材制造”。相比于传统的减材制造过程，减少了模具制造的过程。这种无模具自由成形的技术摆脱了空间几何及设计工艺的束缚，可将复杂结构设计转变成实体产品。 将3D打印技术与石墨烯/聚合物基复合材料的制备结合起来，可以实现复合材料的快速制造成型，制造复杂结构的产品。石墨烯的加入，使得3D打印产品具有更好的力学性能和功能特性，同时还可以更方便地制备梯度化功能制品。此外，3D打印逐层制造的方式，抑制了石墨烯在聚合物基体中的大面积团聚，更有利于实现均匀分散。目前用于石墨烯/聚合物基复合材料的3D打印方式主要有以下四种。喷墨打印成型（Inkjet）喷墨打印已在电子电路、柔性器件等方面得到了广泛的应用。在常用的压电式喷墨打印成型过程中，打印材料首先溶解或者分散在溶剂中形成“墨汁”，而后根据打印需要适时将电压加在压电陶瓷片上使其产生变形，挤压腔体中的墨汁使其逐滴喷出，在基板上层层累积形成需要打印的形状，最后通过热处理、光照、冷冻干燥等后处理方式去除溶剂定型。石墨烯高载流子迁移率使得其非常适用于纳米电子器件的制备，喷墨打印便是一种常用的方便高效的制备方法。而聚合物的加入可以稳定墨汁，防止石墨烯沉淀分层，还可以调节墨汁黏度，使其处于便于打印的范围。喷墨打印成型设备简单，成本低，操作简易，非常适用于制备微纳米器件和电子电路。喷墨打印成型实例熔融沉积成型（FDM）熔融沉积成型主要适用于热塑性聚合物的3D打印，是目前最常用的一种3D打印方式。该方法需要将聚合物制备成标准直径的线材，而后通过步进电机将线材输送至喷头处，加热熔融挤出，在基板上根据所需形状层层堆叠粘连，冷却固化后得到所需成型件。 FDM打印演示将通过熔融混合、溶液混合等方式制得的石墨烯/聚合物基复合材料通过挤出机等设备制成3D打印线材，即可进行石墨烯/聚合物基复合材料的熔融沉积成型。石墨烯的加入不仅可以增强3D打印制件的力学性能，还可以赋予制件优异的电学、热学以及摩擦磨损性能等。熔融沉积成型可打印材料广泛，设备成本低，操作简便，打印速度快，并且可以用多喷头同时打印不同种类的材料，因此是最具有工业应用前景的打印方式之一，制备的部件具有用于机械、汽车、航空航天等领域的潜力。熔融沉积成型实例立体光固化成型(SLA)立体光固化成型也称立体平板印刷或立体光刻，是一种以光敏树脂为打印材料的成型方式。激光束按照设计路线扫描液态光敏树脂表面，使得光敏树脂特定区域固化，形成模型的一层截面。而后升降台向下移动一个微小的距离，进行新一层截面的固化，直至形成完整制件。从液体中打印出来的“倒立铁塔”从液体中“拉”出来的“富勒烯”形状的空心球体采用立体光固化方式成型石墨烯/聚合物基复合材料时，一般将石墨烯溶于溶剂后加入光敏树脂中或者直接加入树脂中混合，之后进行光固化成型。立体光固化成型打印精度很高，表面质量优异，可以成型很复杂的结构，是目前高端3D打印市场的主流技术，常用于生物支架、口腔医学等生物医药领域。立体光固化成型实例选择性激光烧结（SLS）选择性激光烧结是一种适用于粉末成型的3D打印方式，主要用于金属和陶瓷粉末的打印，但也可用于热塑性聚合物粉末。 向聚合物粉末中加入石墨烯，可以提高粉末的导热性能，对于减小热翘曲有显著改善作用。同时，石墨烯也可以改善制件的力学性能。目前采用选择性激光烧结成型石墨烯/聚合物基复合材料的报道还相对较少，并且主要集中在尼龙基材料上，今后的研究可向更多的复合材料种类拓展。选择性激光烧结成型实例石墨烯/聚合物基复合材料和3D打印成型方式是两个近年来快速发展的研究方向，将二者结合起来，可为石墨烯/聚合物基复合材料功能性制件的复杂结构成型提供有效的解决途径。采用3D打印成型石墨烯/聚合物基复合材料的很多技术目前还不够成熟，仍处于研究之，但其在电子、能源、生物医药、机械、航空航天等多个领域的应用前景值得期待。（来源：航空材料学报，材料+编辑整理）欢迎转发延伸阅读：高强耐用 PLA 3D打印材料及其设备另一新碳纤维3D打印技术几种碳纤维3D打印技术长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：石墨烯3D打印工艺及其应用

在大多数工业市场，都是在零件生产完成后通过三坐标测量仪来检查制造精度，以及通过X射线来检查内部缺陷，CT扫描来寻找深层次的缺陷。然而，对于粉末床3D打印工艺来说，零件在构建的过程中有50多种因素会对零件的质量发生影响，等生产出来再发现缺陷无疑对于生产商来说太迟了。粉末床金属熔融3D打印过程中，粉末飞溅和微裂纹等缺陷是航空部件等高安全要求条件所不可接受的。上期3D打印技术参考介绍了雷尼绍实时监控功能，相对于该功能，卡梅隆大学将机器视觉和人工智能结合用于金属打印，更为前言，走的更远。金属3D打印实时纠错卡内基梅隆大学工程学院（CMU）的两位研究人员将3D打印和机器学习结合起来创建了一种机器学习算法，该算法对激光粉末床熔融技术进行实时过程监控，并对打印过程中的异常情况自动纠错。机器视觉与人工智能的结合目前，很多研究人员正在使用包括声学、光谱学和温度监测等方法来了解激光熔融过程中每一层发生了什么。但是，这些有限的监测方法并不具备自动分析的能力，只能提供供操作员解读的数据。而上面提到的技术跟其他方法不同，它应用的是计算机视觉算法。人工智能对层进行分析在打印过程中摄像头会拍摄粉末床图像并提取特征，这些特征自动进行分组并在不同层次的分析中进行比较，直到完成创建图像所需要的所有信息，研究人员称之为指纹。人工智能可以通过计算机内置的数百个预标记的训练图像识别不同的缺陷，通过比较接收到的新图像指纹和已知指纹来识别打印层是否存在异常。六种粉末床异常训练图像研究人员在题为“使用训练过的计算机视觉算法用于激光粉末床增材制造过程中的异常检测和分类”的论文中演示了智能检测算法如何识别打印缺陷并对缺陷进行分类和确定位置。实时控制系统包含了原位监测和粉末床图像分析部分，使用计算机视觉算法来自动检测和分类在粉末熔化阶段发生的异常，自动校正功能可以在检测到异常时向操作员发送警报从而及时的人为解决问题，也可以进行自动化的简单修复，允许机器识别关键缺陷并做出相应反应，只是后一种功能要复杂很多。从数千个图像分析中对零件进行三维重建自动修复的最高级别功能是可以识别复杂缺陷，例如翘曲、变形和造成零件大部分损坏之前作出反馈，当然这非常困难，但这项工作将使金属3D打印在成为工业生产中具有高可靠性的工艺的发展道路上向前迈出一大步。金属3D打印的目标是融入到世界的主流制造过程中，如航空航天部件、生物医学植入物以及高性能汽车，在此方面，研究如何控制金属内部结构与金属3D打印的质量息息相关。针对粉末床金属熔融3D打印技术，卡内基梅隆大学正在从粉末筛选、过程控制、检测等多个方面发力，以推动金属3D打印融入到世界的主流制造应用过程。除了过程控制，在粉末筛选方面卡内基梅隆大学工程学院的研究人员在2017年就开发了机器视觉技术，可以自动识别和分类不同种类的3D打印金属粉末，准确度达95％以上。据称该技术在五年内会获得广泛推广。关于机器视觉机器视觉是人工智能快速发展的一个分支，简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。在没有手动监督的情况下通过计算机视觉来识别和分类粉末，计算机可以看出，金属粉末是否具有零件要求的微观结构质量—强度、抗疲劳度、韧性等。如果是这样，一旦进行3D打印，金属粉末就不太可能带来零件裂纹或发生加工故障。其他此外，在检测方面，卡内基·梅隆大学材料科学与工程系还在通过巨大的同步X射线辐射机，足以看到百万分之一米的金属内部细节。X射线扫描金属3D打印的数据被送回匹兹堡来分析金属打印结果与打印参数之间的关系。在卡耐基-梅隆大学的Next Manufacturing中心，作为全球领先的增材制造研究中心之一，该中心将大量的数据用于分析，以获得更好的理解增材制造过程以及质量控制的能力。卡耐基-梅隆大学的Next Manufacturing中心正在实现他们设定的目标，包括：像设计零件的几何形状一样设计加工过程；监督和控制增材制造过程；在同一个零件的不同位置体现不同的材料，不同的微观结构和机械性能；用广泛范围内的金属粉末；内部孔隙度的消除或设计。（本文部分内容来自3D科学谷，笔者进行一定编辑使技术内容通俗易通）欢迎转发延伸阅读：增材制造实时监控与工艺过程仿真金属粉末与激光作用过程为什么要仿真长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属3D打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法

增材制造那么多国家都在做，为什么只有中国实现了“钛合金大型复杂整体构件的打印”，是因为中国掌握了金属粉末熔融凝固及微观结构的的控制方法。金属粉末熔化过程相当复杂，充满挑战性，金属的相变、冷却速度以及其他工艺参数都将影响金属粉末的熔凝过程及组织结构。如今，金属3D打印产品变得越来越复杂，诸如开裂、变形等工艺问题日益常见，这些问题需要深入研究，而且只能渐进式的一点一点克服。很多时候，设备商也无法给出合理的解决方案，多数时候需要大家合作。近些年很多金属打印机厂商给设备安装上了摄像头，用以实时监控，确保打印质量；也有为数不少的仿真软件不断面试，帮助工艺人员提前仿真，尽量避免零件打印失败，这对于降低风险有重要帮助。雷尼绍实时监控打印过程雷尼绍打印机配备有两个被称为LaserVIEW和MeltVIEW的模块，前者使用光敏二极管测量激光能量强度，后者则通过红外线感知熔池温度，两个数据通过其InfiniAM Spectral软件得到反馈，可以了解整个加工中的零件质量，同时以高分辨率检测激光和熔池特性。 实时监控打印过程可以使用户和研究人员深刻理解打印工艺，随着建造的进行，数据将以3D形式呈现，工程师可以比较每个传感器的数据并比较任何可能的变化，从而对缺陷进行原因分析。在零件打印期间实时监控会带来庞大的数据量，如果没有合适的解析工具也很难有效利用实时监控这一手段，雷尼绍InfiniAM Spectral软件使制造商能够轻松解读数据并更加详细地了解增材制造过程。访问实时数据为过程控制的未来发展打开了大门，实时监测有利于及时发现并解决问题。同时，也可以利用来自LaserVIEW和MeltVIEW的数据与零件X射线或断层扫描（CT）数据进行比较，以判断零件质量和一致性。工艺过程仿真在金属打印过程中，影响质量的变量众多，面对复杂的增材制造工艺，无论设计师、工艺师有多么丰富的经验，也无法考虑到金属增材制造设计与过程中可能存在的所有问题，通过经验和试错来优化增材制造零件的设计，是十分低效和昂贵的方式。增材制造仿真软件的诞生为工艺探索开辟了新的道路，零件在打印之前通过仿真软件计算最终零件可能产生的变形，便可以确定零件的最佳摆放方向，尽量减少残余应力，避免变形；也可以对热源、熔池、微结构等进行仿真，研究成型机理，加速材料工艺开发过程；除此之外还可以进行拓扑优化分析，设计轻质、高强的结构。通过仿真可以加速金属增材制造的发展，提升3D打印的品质，是一种更加高效的方式。增材制造和工程仿真技术的融合，可以帮助降低风险，提高打印的可靠性。END从以上两方面看来，把雷尼绍的实时监控和工艺过程仿真结合在一起，似乎又会得到一些新的发现。欢迎转发延伸阅读：金属粉末与激光作用过程为什么要仿真基于增材制造的模拟仿真到底接不接地气？长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：增材制造实时监控与工艺过程仿真

2018年7月26日，在杭州举办的2018中国增材制造产业发展高峰论坛上，中国工程院院士卢秉恒做了《智能制造与3D打印》的主题演讲，本文由南极熊3D打印网发布，3D打印技术参考转发，以下是本次演讲的实录：各位嘉宾、各位领导，我来给大家介绍一下关于增材制造技术和产业的发展。增材制造对于中国制造来说是非常需要的，因为中国在制造方面还是很强的，但是在产品的开发能力严重不足，而增材制造给我们补足了这个短板，它可以先把我们的设计利用很短的流程进行迭代，作出样机，评价、分析，确定了设计之后再进行生产。这是被世界各国都采用的技术，美国奥巴马政府就提出，怎么样用一半的时间和一半的费用来去完成新产品的开发。增材制造最近几年发展非常快，几乎年增长率20%几到40%几，FDM尤其是迎合了创客的需要和教育的需要，发展非常快。SLA在产品开发中发挥了重要作用，近几年金属3D打印机发展非常快，2017年比2016年设备的销售量增加了80%，占据了3D设备的51%。对大型结构件来说，用丝材来进行熔化可以是更好的方法，它的能源可以是激光的，也可以是电子束的，也可以是电弧的，就像传统的电焊一样。这个技术已经可以做到尺寸大于2米、5米，甚至已经做到8米，用电子束进行熔融堆积的，也有用电弧堆积的，我们实验室已经做到2米，在做5米6米的装备。还有把更多传统技术用于3D，因为这是用了层层堆积的概念，例如铸造，可以进行一层层铸造来形成3D新的技术。当然在每一层铸造中可以采取锻打的办法，来提高它的强度，增加结构材料的致密度，来提高它的性能。我们也做了很多实验，认为是大型结构件高效的制造方法，可以达到每小时5公斤甚至10公斤。在金属3D打印中一个最重要的问题是我们怎么样能够使结构件强度能够提高，这里面有很重要的问题需要进行研究。我们知道，无论是铸造还是锻压，人们都一直在研究凝固学理论，尤其是铸造，但是铸造和焊接中熔融规模比较大，所以在宏观的体积内来进行冷却和凝固。在3D打印中无论是激光束还是电子束，它的熔池比较小，所以从理论分析，小的熔池产生的缺陷肯定要小的多，所以材料结构的强度能够得到提高。但是怎么样控制它的一些晶粒的生长，晶粒增长的幅度影响了大小，影响了结构强度。所以实际上它是一个在强非平衡态凝固学理论，但可惜现在还没有能够完全认识到这样的科学问题。所以无论是对热应力的分析等等还处于实验阶段，还不能形成很好的理论来指导这个事情。最近几年增材制造一些创新不断涌现，像面曝光的技术，用光固化的原理，材料像拉拔一样快速上升，这样使效率提高了50倍到100倍。像金属打印，用一体技术打印的概念也出来了，虽然是用光固化的材料加上粉末，也可以把陶瓷粉末用于这个办法进行打印。打印过以后需要进行脱脂、烧结。所以3D是一个崭新的概念，但是在这个崭新的概念中可以把传统的制造技术进行融合，来产生一些新的创新技术。功能梯度的材料也越来越引起人们的高度重视，就像刚才弗朗恩霍夫研究院教授讲的一样，用两种技术、三种技术甚至更高的技术。还有一种是把材料分层，不同材料在不同层出现，我们就可以知道在表面是耐磨的、耐腐蚀的，里面的是强硬的，韧性好的，再里面就像人体的骨头一样，是一个疏松的结构，是一个蜂窝状结构，这是增强刚性来减轻重量的。这些东西在航空航天都有了很重要的用途，当然还有复合材料的应用，也是一个非常重要的方面。在这些方面我们需要关注的是，在材料腐蚀中界面会发生什么样的变化，界面的作用力以及3D结构形成的过程不一样，温度环境和其他物理环境不一样，这样会不会引起界面内应力的增加而影响性能，这都是需要研究的问题。我们在这方面应用前景还是非常广的，像汽车、飞机和航天结构，都需要减轻重量，但需要高的强度或高的刚度，就需要复合材料。当然纤维复合材料中有长纤维的复合材料，像碳纤维的汽车车身，当然也可以用短纤维的复合材料去制造，这里面是有优势的。长纤维复合材料车身的制造可能技术上还有很多的难关，在表面比较展开的一些曲面上是比较容易制造的，但是在曲力变化比较大的一些凹凸结构的比较难以实现。但我们也可以用短纤维或树脂复合解决这个问题，也可以达到很好的强度。所以综合我们所获得性能的改善以及经济性和工艺可实验性，之间要平衡。这在汽车制造中，我认为可能是前景比较大的，短纤维复合材料可能更容易实现，因为它仍然可以用模具制造，所以能够适应汽车大批量生产。当然，长纤维的也可以用来制造样车，在样车制造中我们可以花费比较大的代价来完成一些更好的性能。所以3D打印在应用中要发挥它更好的效应，必须和传统的制造相结合，来综合平衡它的性能和成本。3D打印最近在各种高端制造，在航空航天得到了很大的发展。由于3D打印对复杂形状零件的适应性，它可以把很多零件集成在一个零件上，这样是传统制造没法儿实现的，所以在航空中，火箭发动机零件个数就减少了80%，可以把很多焊缝用3D打印来实现，甚至有说法提出3D的出现会不会使焊接变得没有用了，当然这不是绝对的，但是很多方面可以用3D打印来代替，这样来减少焊缝带来的强度的破坏以及一些可能发生的故障。3D打印用于建筑，现在也开始了很多探索，目前打印低层建筑日渐成熟，用的越来越广泛了。高层的建筑还有一定的难度，这方面有待于材料的改进和材料打印工艺的发展。西安交大从上个世纪九十年代就开始3D打印，但主要是完成以3D打印为核心产品快速开发的技术，这方面和传统的制造技术相结合。例如我们做家电设计的时候可以用硅橡胶去复制模具。我们在做汽车覆盖件的时候可以用技术喷涂法覆盖模具，我们曾经用100天时间做了两款车全部外覆盖的模具，成本就是100万人民币，如果我们正规制造模拟的办法投入要几个亿甚至是10亿以上，要一年多的时间，所以这样以来就大大节约了产品开发中所需要的费用和时间。所以3D打印可以应用的领域越来越宽广，各种民用的消费品、文化创意产品、建筑的设计。可以直接用于航空航天的结构，这方面国内很多研究单位做了大量的工作，已经用在飞机结构件的承载件，用在C919很多零件上。现在中国民用飞机也有自己的目标，像上海商发准备80%的零件都用3D打印来支持研发。像GE公司也已经有三分之一的飞机发动机零件用3D打印进行生产。所以这方面越来越显示3D打印一些技术颠覆性。充分发挥3D打印个性化的特征，用于下额骨个性化的替代，2000年我们就做了这个实验，也是国内做的最早的，去年得到了国家药监局的批号。同时3D打印用于医疗，在牙科的修复方面，在矫形方面，还可以用于癌症的靶向治疗，通过3D打印导航模板，能够使药物沿着准确的路径送到癌细胞那里去，来实行精准的化疗。也可以用于矫形，20几个脊椎骨在矫形定位的时候怎么打孔。3D打印和传统铸造技术相结合，可以形成一些精密铸造，一次性的铸造好燃起机的涡轮盘，我们铸造出来的涡轮盘已经在压缩机上运行一年多了，安全可靠，速度达到400。用于柴油机精密铸件的3D打印。为了推动3D打印的发展，工信部支持13家企业联合成立了增材制造业创新中心，目的是填平技术研究和产业化之间的鸿沟，来为行业提供一些共性技术，像一些标准方面的技术，也提供一些关键元器件的制造，也包括一些优化的工艺方面的服务。平台建设方面，我们建立了共性技术研究平台、公共测试平台或制造服务的平台和一个教育培训基地，这方面的工作正在进行中。同时3D打印的云服务，也使3D打印可以发挥它的重要应用的平台作用。我们准备建立一个软件平台，能够使全国几百家3D打印服务企业和制造业的很多用户能密切联系起来。因为中国3D打印的一些企业都比较分散，比较弱小，有的有几台设备，有的甚至有一两台设备，但是他们平时接不到单，接到单又来不及完成，我们用云平台去沟通3D打印业务的需求和大批中小企业，这样使他们的资源能够得到优势的发挥，又能够使制造需求得到最快的响应。同时我们用云服务平台也做工艺的优化工作，能够解决中小企业在3D打印，在工艺方面的一些困惑问题，帮助提升我们这方面的水平。目前我们建设了100多台设备，到19年底将拥有80多台增材制造设备和50多台测试设备。3D打印面临的挑战是怎么样从控形到控形控性，从宏观到微纳，现在做智能制造需要很多的传感器，传感器以前是微电子工业制造的，它必须有很大的批量才划得来，例如要上百万件。但是制造业所需要的一些量非常小，批度非常多，就适合用3D打印来制造。3D打印按照我们能够制造复杂形状的优势和对产品结构进行改造，进行再设计，再设计的结果可以使很多零件结合一个零件。这是一个。第二，使热交换效率得到很大提升，可以使我们用很少的材料达到非常强的刚度和硬度。以后还会从地球发展到太空，我们把很多制造任务能不能放到太空中去？因为太空虽然有很多不利的条件，但是也有很多有利的条件，它没有重力，我们可以用一个小的设备去制造大的设备。它接近真空，所以就不会像钛合金的打印必须在氩气保护下去做。同时中国3D打印在应用领域做的还是不错的，但是我们在自己原创的装备、原创的技术方面有相当大的差距，我们希望能够通过多学科的交叉，和材料领域、信息领域，和医疗生物领域进行交叉，来推动技术的创新。这是增材制造发展的路线图，它从技术发展、从3D走向4D，从4D走向5D，所谓5D就是生命可降解组织和生长因子的结合，打印出来的东西能够成为器官再创技术，像人工的心脏、人工的肝脏。在应用方面的发展逐渐从上个世纪的产品原形走向3D打印的产品开发，下面走向批量生产的手段。成形材料，从树脂走向金属材料、复合材料到生物活性材料。产业的发展，从装备到各领域应用，到尖端科技。参与者，我们正在从科技界走向企业界，现在金融机构也都在追捧3D打印的创新技术，希望能够合作，社会上很多创客来用3D打印技术实现他们的创新梦想。再给大家发一次邀请，9月6号和7号在西安也要开这么一个规模的大会，包括设备的展览，包括学术的交流，包括3D打印大赛，这是中国工程院、中国科协共同支持的，是一个国际的高端论坛，邀请在座的企业家、学者、专家能够到西安进行交流。欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：杭州增材制造峰会：卢秉恒院士《智能制造与3D打印》主题演讲

Makerbot是桌面机厂商中的优秀代表，它老老实实的打印ABS和PLA，高大上的PEEK、尼龙和碳纤维似乎它都瞧不上眼，傲娇的脾气源于它在设备稳定性和材料方面的良好表现。本期来了解一下Makerbot的tough系列PLA材料以及它的智能打印头。 TOUGH PLA从上面我们了解到这款材料强度很不一般，MAKERBOT TOUGH PLA专为工程师和设计师而设计，冲击强度是ABS的2倍，而拉伸和弯曲强度与ABS相匹配，可打印耐用、高冲击强度的原型和固定装置。材料性能数据Tough系列PLA旨在克服 ABS 3D 打印中常见的翘曲、卷曲等缺陷，材料经过测试和优化，可通过Tough PLA智能喷头稳定输出，无需加热建造平台和做过多调整，轻松打印。此外，开发人员还测试了多种机械应用和功能，从抗冲击组件和张力弹簧到攻丝和螺纹。与ABS相比，Tough PLA可进行CNC或钻床加工，也可以在钢支架上打磨出层纹或打磨表面，对成型的产品进行上色，适用于广泛的后处理技术。智能喷头打印 FDM打印机经常遇到的一个问题就是喷头堵塞，makerbot为此不断优化，推出了smart extruder系列，来了解一下其加强版。 Makerbot采用加长的聚四氟乙烯导管，可以有效减少耗材堵塞，保证超过700小时的连续打印，这相当于打印2310米长的耗材。应用多轮系统，用于横向移动和无约束移动在装配之前，典型的原型设计需要对轮毂和齿轮进行加工，而MakerBot Tough原型可以很好地模拟最终车轮，该材料具有高弹性和高变形性，使设计师能够将主滚珠轴承嵌入压配件，抗冲击的齿用于重复测试，润滑的触点便于装配和滚动。卡扣从工业固定装备到消费者背包，卡扣会经常被用到，该部分需要具有弹性和高张力的尖头，能够直接卡入到位，但同时又必须像减震器那样弹性适中，防止变形失效。传统的PLA用于制造这些原型时，由于材料原因设计师还必须重新设计卡扣厚度，而Tough PLA则可以直接生成最终产品，不必改变任何主要设计参数。知名汽车制造商Local Motors使用3D打印技术开发了第一台3D打印车Strati，去年推出了其自驾车Olli，而Olli的零部件便是采用Makerbot Replicator+打印。Local Motors产品开发总监介绍，他们需要快速把零件制造出来，根本没时间等待，而MakerBot Replicator+已经成为在生产和原型设计方面的理想工具，他们所使用的材料也正是Tough PLA。最后，关于makerbot的系列产品，京东自营有售，如果普通的FDM无法满足您的需求，高性能的打印机又太贵，这一款倒是可以考虑。欢迎转发延伸阅读：多激光系统下金属机的集成特点从制造特点和产品周期分析3D打印相对于传统制造的意义看波音如何在集成机械设计中应用增材制造空客为未来航班生成仿生设计长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：高强耐用 PLA 3D打印材料及其设备