增材制造行业正以超过20%的复合年增长率增长，到2030年，全球将有超过270万台3D打印设备。医疗、航空航天和汽车均是利用增材制造技术快速增长的热门行业。随着这些行业不断寻找3D打印技术的新应用，打印材料的物理性能正在被推向极限。 汽车增材制造市场的各个方面都将不断增长，到2029年该行业的产值将达到100亿美元 金属3D打印的工艺种类多种多样，由于许多实际原因，如高精度、高制造质量，易于后处理及原材料回收等，激光粉床熔融 (LPBF) 是最广泛使用的技术。为了实现具有高传热性能零件的精确打印，选择最合适的打印粉末至关重要。因并非所有金属粉末都能应对热交换器的恶劣环境，材料的热导率、耐腐蚀性和强度等均是影响因素，3D打印技术参考此前曾详细介绍了可用于热交换器3D打印的金属粉末种类。 Conflux是全球领先的采用3D打印技术开发热交换器的企业，该公司增材制造工程师Ian Fordyce博士强调，““对于高性能热交换器，我们一直在努力使壁和翅片尽可能薄，我们处理的厚度与粉末的粒径和激光光斑尺寸处于同一数量级。因此，小至10微米的误差对我们来说意义重大。这可能会减少我们可以放入热交换器中的翅片数量，并影响表面粗糙度并增加壁厚，所有这些都会降低热交换器的热性能。” 精确的构建可实现紧密封装的组件并轻松组装最终产品 高性能金属打印粉末的特点 选择材料的第一步是了解其可打印性，不同粉末的可打印性可能存在巨大差异，可打印性定义为材料物理打印几何形状而不导致构建失败的能力。例如，硬钢和镍合金在打印过程中会产生残余应力和翘曲，导致它们脱离打印平台并与铺粉机构相撞。即便完成打印，材料的密度也会较低，携带可能导致故障的孔洞。 实现高质量构建的关键是使用具有一致粒度分布和最佳成分的粉末。为了保证这一点，Conflux遵循严格的质量控制程序，使用光谱分析和拉伸棒的机械测试来跟踪新粉末和回收粉末的成分。这不仅可以监测粉末中每种成分的含量，还可以监测回收过程中形成的氧化层的量。 使用具有一致粒度分布和最佳成分的粉末可以实现复杂的翅片设计 一旦粉末被认为是可打印的，重点就会转移到分析打印材料的物理特性。用于某些热交换器的合金需要应对800°C以上的温度。除此之外，由于汽车、航空航天和能源应用中使用的冷却剂种类繁多，它们还需要具有高疲劳寿命和耐腐蚀性。 Ian Fordyce博士表示，“当谈到热性能时，对我们来说最重要的特性是强度。如果我们可以使用强度更高的材料，那么就可以让壁厚设计的更薄，从而缩短传热路径，最终使热交换器的性能更高。大多数人认为导热率也很重要，但我们发现，对于我们正在处理的壁厚，导热率变得不那么重要。例如，铜的导热率比铝更高，但如果我们必须使壁更厚以使铜部件足够坚固，则会导致整体预成型热交换器性能更差。因此，如果能让壁更薄，则可以牺牲导热率。“ 可用于热交换器3D打印的粉末类型 热交换器的3D打印制造材料有多种选择，需要考虑的主要特性包括密度、导热性、增材制造的加工性能以及最后的成本。最合适的材料要根据组件要求、工作环境和边界条件进行选择。 01不锈钢 Conflux所使用的材料之一是316不锈钢，它是一种相对稳定的合金，适用于需要高耐腐蚀性的高温和低温恶劣环境。这使其非常适合制造石油和天然气行业的工具和机械部件以及与腐蚀性物质接触的发动机部件。 然而，它相对较重，因此不适合航空航天或赛车运动中的轻量化应用。与铝合金相比，它在打印过程中还会经历更高的翘曲和残余应力。 02钛合金 钛是一种强度极高且轻质的材料，非常适合航空航天和赛车应用，特别是钛合金，例如Ti64。自2017年以来，空客已在A350客机的机门上安装了3D打印钛零件，最近还在德国开设了增材制造中心，为直升机和轻型城市飞行器生产零件。它还具有高耐腐蚀性，可以通过氧化物涂层进一步增强。 03铜合金 铜的高导热性使其成为散热器和热交换器等热应用以及母线和感应线圈等电子元件的理想选择。不幸的是，使用大多数3D打印机中使用的激光波长类型进行打印可能很困难。材料制造商已经认识到这一点，现在正在添加合金元素来制造高比例的铜合金，例如铜锆和铜铬。这些材料更易于打印并保持高导热性，除此之外，目前具有更高吸收率的绿光3D打印机商业化也正在快速发展。 04铝合金 AlSi10Mg等铝合金是3D打印行业最常用的材料之一。这主要是因为与其他合金相比，铝凝固后产生残余应力开裂的可能性较低，这是它几十年来一直用于铸造的原因。 铝是钛的更便宜的替代品，因此经常用于航空航天、汽车和赛车运动。空客和波音等公司继续为其飞机、直升机和卫星制造3D打印铝部件，后者通常具有 500多个增材制造部件。铝还可用于打印一级方程式热交换器和汽车活塞，如保时捷911 GT2 RS车型的活塞。最近，在改善比AlSi10Mg具有更高强度和耐腐蚀性的铝合金的可打印性方面取得了很多进展。 05镍基合金 Inconel和Monel K500等镍合金在极端温度下仍能保持强度，并且耐高腐蚀性液体，使其非常适合火箭应用、燃气涡轮发动机零件和其他航空航天涡轮机械。然而，可打印性可能是一个问题，因为镍合金在打印过程中往往会产生残余应力和开裂。这些构建失败的风险使得这种材料的打印成本昂贵，因此通常仅用于非常特定的应用。 当今的增材制造技术可以打印比以往更复杂的几何形状。然而，只有为正确的应用选择最合适的粉末，这些零件才能真正实现高性能。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请联系授权。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.干货综述：3D打印制造热交换器的五种材料选择及性能差异 2.综述：热交换器与3D打印、拓扑优化、晶格结构以及航天应用 3.电化学3D打印纯铜CPU热交换器，为AI芯片散热带来新机会 4.AMCM为自家3D打印机批量配备3D打印的热交换器

开发具有中空通道的3D打印超材料是墨尔本理工大学马前教授团队的重要研究方向，并在钛合金空心支柱晶格（HSL）超材料方面取得重要研究进展，其表现出比实心支柱晶格 (SSL) 高得多的结构效率，拓展了轻质多功能金属材料的边界。但研究人员指出，所开发的钛合金超材料并非一直都是最佳的选择，因为钛合金粉末仍然很昂贵。 铝合金在机械强度、较低密度和降低成本之间提供了折衷，同时还具有高耐腐蚀性，从而也能成为超材料开发的重要备选材料。3D打印技术参考注意到，该课题组于近日新报道了复杂AlSi10Mg空心支柱晶格超材料的3D打印制备及其力学性能研究。 然而，由于三个基本原因，铝合金的激光粉末床熔融 (LPBF) 比Ti-6Al-4V等常见金属合金更具挑战性。首先，铝合金被观察到从高熔池温度到室温事存在大体积收缩；其次，高反射率和导热率需要更高的激光能量；此外，铝合金还具有低液相线温度（557°C），导致产生动态熔池。这些因素意味着AlSi10Mg很可能存在几何缺陷和粉末堵塞中空通道。马前教授团队新发表的论文“AlSi10Mg hollow-strut lattice metamaterials by laser powder bed fusion”，研究了AlSi10Mg空心支柱晶格（HSL）的 LPBF可制造性及其机械性能。确定了高保真LPBF制造的AlSi10Mg空心支柱通道直径、壁厚和扫描策略。 (a) FCC 和 (b) FCC拓扑空心支柱晶格模型。(c) FCC_1B、(f) FCCZ_1B、(d) FCC_2B、(g) FCCZ_2B、(e) FCC_3B 和 (h) FCCZ_3B。蓝色代表空心支柱墙，而浅红色代表内部轮廓 内部横截面的 μCT 表征，取自每个 AlSi10Mg 空心支柱晶格的第一晶胞层的中心 (a) 相对屈服强度和 (b) 相对弹性模量与相对密度：AlSi10Mg 空心支柱晶格与 Ti-6Al-4V、Inconel 625、SS316L、CoCr 和 AlSi10Mg 实心支柱晶格的比较 研究发现，使用简单高效的双边界扫描策略，可以通过LPBF技术制造具有高保真内部和外部轮廓以及可忽略不计的容留获粉末的复杂AlSi10Mg空心支柱晶格结构。然而，若要实现完整打印且不会残留粉末，最小壁厚为0.4毫米，最小内径为0.7毫米。 压缩测试表明，所制造的AlSi10Mg空心支柱晶格结构（HSL）达到了Gibson-Ashby模型相对屈服强度的经验上限，与实体支柱晶格结构相当。而具有相当相对密度的Ti-6Al-4V、AlSi10Mg和SS316L的固体支柱晶格(SSL) 通常低于该上限。此外，空心支柱晶格在绝对密度低得多的情况下，绝对屈服强度、弹性模量均与实体支柱晶格相当，从而开发出了基于AlSi10Mg空心支柱晶格的具有轻质和高效结构的超材料。 研究团队3D打印的AlSi10Mg空心支柱晶格 此外，AlSi10Mg空心支柱晶格的屈服强度与此前报道的等效拓扑Ti-6Al-4V空心支柱晶格比较时，会观察到几乎完美的相关性，表明空心支柱晶格的高结构效率取决于拓扑结构而不是材料。考虑到材料成本低、耐腐蚀性好和密度低，AlSi10Mg空心支柱晶格有望找到良好的潜在应用。 潜在应用领域分析 铝合金超材料因其独特的性能和优势，在多个领域具有应用潜力。 首先，铝合金晶格超材料的高强度、轻质化特性使其成为航空航天领域的理想选择。它可以用于制造飞机、火箭和卫星的结构件，提高飞行器的整体性能和效率。 其次，在汽车制造中，铝合金晶格超材料的应用有助于提高汽车的性能和安全性。可以用于制造汽车的车身结构、底盘和悬挂系统，实现汽车的轻量化。 第三，在电子领域，由于铝合金晶格超材料具有良好的导电性和热导性能，在电子领域的应用逐渐增多。可以用于制造电子设备的散热器、导线和其他关键部件，进一步提高设备的散热性能，并增加其可靠性和稳定性。 第四，在高性能运动器材制造领域，铝合金晶格超材料的高强度、轻质化特性使其在高性能运动器材制造中备受青睐。例如，它可以用于制造自行车框架、高性能滑雪板、帆船桅杆等，提高器材的性能和耐用性。 第五，在微机电系统领域，铝合金晶格超材料在微机电系统领域也有广泛的应用。由于其微小的晶格结构和良好的机械性能，为微机电系统的发展提供有力支持。 需要注意的是，铝合金晶格超材料的具体应用还取决于其晶格结构、制备工艺以及性能优化等因素。随着科技的不断进步，铝合金晶格超材料的应用领域还将进一步拓展，为各个行业带来更多的创新和发展机遇。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请联系授权。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.史玉升教授&吕坚院士团队：3D打印微晶格超材料！实现突破性的结构-功能一体化 2.重磅研究：3D打印轻质高强钛合金超材料 3.3D打印功能晶格结构对力学性能和失效性能的影响 4.史玉升教授团队：高能量吸收梯度仿生超材料的设计和3D打印

3DXpert中文版为增材制造工程师提供了强大、全面、方便、高性价比的工艺工具套件，快速有效地将3D模型编辑为可成功打印的部件。无论在科研教学、还是批量生产的制造场景下，3DXpert都能协助用户将3D打印技术的潜力发挥到极致。 据3D打印技术参考了解，3DXpert 24.1版本现已上线。通过此次更新，正式开启了打造最易用的打印准备及增材制造设计软件的征程。部分改进已在本版本中实现,更多优化将陆续推出。除此之外，软件方还带来了40多项功能优化，旨在提高用户从增材制造设计、优化、打印准备、仿真到切片的整个工作流程的生产效率。 此版本的部分亮点包括： 优化的用户体验： 通过屏幕底部的选项卡轻松管理多个文件。现在可以通过工具提示更方便地获取屏幕上项目的信息。 增材制造设计优化： 灰度纹理- 通过新的灰度纹理选项，可将任何图像转化为细致入微的纹理。 隐式建模- 新的隐式建模框架提供了大量新工具。生成和偏移隐式结构。轻松创建基于的极坐标、球坐标和UVW坐标的隐式对象。 管道设计中的法兰- 单击一个按钮,即可为不同排列的通道自动创建翼法兰。 打印仿真- 洞悉零件内部： 不仅可查看零件外表面，更可查看内部任意点的仿真结果。通过零件中移动剖面平面,可评估应力、塑性等信息。 全新打印成型检查： 打印检查允许用户分析打印过程中实时生成的图像集合堆栈。该解决方案采用基于人工智能/机器学习的模型，识别不同异常或变形，并将它们与托盘基板上的零件关联。 点击图片链接，了解相关内容！ 了解更详细更全面的产品新功能，欢迎扫码报名4月18日举行的网络研讨会。 扫码预约： 3DXpert着力打造更符合市场发展趋势的一站式软件解决方案。 • 优化设计结构—— 通过创成式设计、隐式结构、晶格设计和拓扑优化， 最大限度地发挥增材制造的作用，减轻重量，增强功能性 • 保证打印质量—— 成熟的数据准备和先进的成型仿真功能，提高打印成功率和成品质量 • 面向智能制造—— 考虑增减材制造的需求，提供丰富的面向制造的编辑功能；自动化设计和准备，优化大批量生产工作流程 • 减少制造成本—— 灵活的扫描策略设置，优化打印效率并减少材料消耗和后处理 3DXpert添加支撑功能 3DXpert添加支撑功能与设计扫描路径 快捷的晶格结构设计 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.国产3D打印数据准备软件——VDA5.0新版来了！ 2.新方案解决3D打印过程中数据量过大的问题 3.TCT亚洲3D打印展：铂力特相关看点 4.TCT亚洲3D打印展：华曙高科相关看点

近年来，随着制造业的发展和技术的进步，砂型3D打印技术正逐渐在各个领域展现出独特的应用价值。特别是在超大型铸件制造领域，该技术的应用受到了国内外相关领域头部厂商的关注和青睐。 为满足大型铸件制造的市场需求，3D打印装备及快速制造服务提供商北京三帝科技股份有限公司新推出自主研发的超大尺寸3DP砂型打印机3DTEK-J4000，该设备突破传统加工尺寸限制，最大可成型4米的砂型。 砂型3D打印获政策支持 铸造是制造业的根本，铸造业的发展更是国家强国战略的关键一环。国家非常重视铸造产业的发展和布局，“十四五”规划明确了要数字化转型发展的目标：到2025年，采用3D打印技术生产的铸件要超过50万吨；三部委还联合发文，要推动一体化压铸成形、无模铸造、砂型3D打印等先进工艺技术实现产业化应用。 大型铸件制造在航空航天、船舶、泵阀、汽车（新能源）、能源动力（电气）、工业机械（机器人/无人机）、轨道交通、雕塑、教育科研等领域具有广泛应用需求。 资料显示，特斯拉、宝马、比亚迪等车企已经在采用粘结剂喷射砂模3D打印技术。特斯拉采用3D砂型铸造技术快速、低成本的验证巨型模具设计和工程规格；奔驰某概念车型采用3D砂型铸造实现了后副车架、悬挂支架等结构的单体大尺寸零件铸造；国内比亚迪新电池公司正在探索3D打印技术在新能源汽车整车试制、汽车零部件和热管理系统等领域的前瞻性应用开发。 特斯拉、奔驰与小米汽车一体化压铸和借助3D打印技术开发的大尺寸构件 在航空航天领域，3D砂铸技术可用于制造发动机零部件、航天器结构件、动力装置等重要部件。可有效解决超大尺寸、多维曲面、复杂结构工件的成型难题，在小批量大尺寸模具制造以及特种行业的模具迭代升级研发上有着传统制造工艺无法比拟的优势。 在能源动力领域，3D铸造技术可被应用于大尺寸耐压复杂型腔结构件、大型薄壁轻量化零部件等的制造。GE正在资助voxeljet开发制造尺寸突破性的3D砂型打印机，以用于增材制造10吨至60吨以上铸件砂型。 美国能源部正在借助砂型3D打印开发海上涡轮机机舱部件 砂型3D打印弥补铸造行业短板 然而，传统铸造方法面临诸多挑战，特别是在新产品的研发试制阶段。例如，由于铸件尺寸巨大，通常需要拆分成部分进行分体铸造，再通过焊接集成，这不仅增加了设计负担、时间和成本，还容易导致焊接缺陷，影响产品质量和一致性。同时，修改模具也是个难题。而砂型3D打印技术则可针对大型铸件的诸多特点给出更优的解决方案： 1. 复杂结构设计优化。3D打印技术能够制造出传统工艺难以实现的复杂形状结构，进一步拓展了设计空间，提供了更多的创新可能性。 2. 产品轻量化。3D打印技术可以实现材料的局部优化和镂空设计，使得零部件既能够保持足够的强度，又能够减轻重量。 3. 功能集成一体化。在汽车行业，3D打印技术已经大量应用在一体化设计上，同一零部件实现多个零件、多种功能的集成。 4. 批量定制化。大型铸件批量定制化采用传统工艺开模费用高、周期长，3D打印可省去开模时间和费用，提高效率、节省成本。 三帝科技4米砂型3D打印机 三帝科技4米级新设备创造性的采用了无砂箱柔性区域成型技术，破除了设备成型尺寸越大，设备价格越昂贵的现象。经济、灵活，以更低的单位成本和更短的交付时间，经济高效地实现超大尺寸的砂型制造，并可根据用户需求按需定制扩展打印平台，满足10米+级的生产需求（6米/8米/10米设备已在同步接受预定），帮助用户最大限度地提高生产力。 该设备采用国际一线高精度、高通量喷头，配合高性能成型工艺和智能算法技术，可为用户提供卓越的成型精度、平衡可控的铸造性能和优良的可靠性。配备高速振动式铺粉系统、自动粉料循环系统及自研设备控制软件等，砂型尺寸精度好、强度高、发气量低、表面质量出色；设备操作简单、运行稳定可靠，具有打印预警提示功能，“视觉监控智能化系统”可实现加工全过程的实时监测和记录可追溯；开源材料工艺，可针对用户按需调整；配套高性能树脂粘结剂、固化剂、清洗剂，保证成型质量和稳定性。 面对某用户巨型、大平面、薄壁结构部件，传统焊接和铸造工艺难以满足要求，三帝科技科技借助3D打印技术在45天成功交付2件成品。三帝科技还为新能源客户交付了具有大曲面、薄壁结构的轻量化优质铝材T6061副车架，该零件若采用传统铸造方式仅模具制造就需要1-2个月，且费用高昂，三帝科技采用3D铸造工艺2周即完成成品交付。在另一个关于巨型铝铸件的应用中，传统制造方法存在成本高、周期长的问题，且无法实现所需的复杂结构，采用三帝科技3D铸造工艺仅15天就完成了交付，为客户节省了大量时间和成本。 总的来说，三帝科技深入铸造产业，致力于补足该行业的制造短板。其公司产品可咨询010-84638842-1026/13811566237。 关于三帝科技 北京三帝科技股份有限公司(3D Printing Technology, Inc. )是一家3D打印装备与快速制造服务提供商，国家高新技术企业，专精特新企业，工信部增材制造典型应用场景供应商。同时拥有“SLS+SLM+3DP+BJ”3D打印技术的创新者，业务涵盖3D打印装备、3D打印原材料的研发及生产、金属成品件快速制造服务、3D打印工艺技术支持服务等，建立了完整的3D打印快速制造产业链，广泛应用于航空航天、船舶、泵阀、汽车（新能源）、能源动力（电气）、工业机械（机器人/无人机）、轨道交通、3C电子、雕塑、教育科研、康复医疗等行业。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.西空智造拟发布重磅3D打印设备，有效解决增材制造疲劳寿命和变形开裂等问题 2.限时领票！TCT亚洲3D打印展，400家展商名单公布，倒计时26天 3.新方案解决3D打印过程中数据量过大的问题 4.联合综述-增材制造超高强度钢后处理技术

西安空天机电智能制造有限公司(简称：西空智造）源于西安交大航空发动机所成果转化，是一家针对空天动力、新能源动力（车）等零部件从事智能增材制造的科创型企业，致力于成为金属及多材料智能增材制造整体解决方案提供商。公司将智能增材制造特称为“i-3D”（intelligence首个字母），强调3D打印从数字制造发展为智能制造。 西空智造以智能化激光面区域3D打印、“D”打印技术为发展重点，打造速度“更快”、性能“更好”的工业增材制造技术升级版，服务于航空航天、国防、新能源等装备制造、维保重大需求。 3D打印技术参考提示，“D”打印技术是一种特殊技术，即将在2024年TCT 3D打印展推出，该设备着力解决打印件变形开裂的难题，可全面提升打印件性能、提升疲劳寿命，保障批量生产的质量一致性问题。 为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，西空智造已经推出了一款国产激光增材过程监控系统，并推出有将激光粉末床熔融智能监控系统、净打印和飞秒减材有机结合的“三合一”设备——超快激光复合净打印设备。该公司当前主要业务为智能化激光面打印和“D”打印设备研制与应用服务。公司研发了国际上首台智能化激光粉末床“D”打印设备、激光熔覆复合设备，国内首台智能激光面区域打印设备。 公司使命是“i-3D创新，让制造和维保更高效”，并以“成为有国际影响力的智能增材制造技术解决方案提供商、中国自主创新示范类企业”为愿景。 西空智造目前拥有一支由数十名博士、硕士等组成的优秀技术和管理人才队伍，有多位院士、杰青、卓青等国家级专家技术咨询和指导。已在青岛成立了全资子公司，并在重庆设立西南办事处。牵头承担了国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点项目，已通过国家高新技术企业、陕西省“专精特新”企业认定，两个项目入选工信部2023年度增材制造典型应用场景，获国军标和国标质量管理体系认证、CNAS实验室认可，是中国增材制造产业联盟理事单位，已经申请专利90余项。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.限时领票！TCT亚洲3D打印展，400家展商名单公布，倒计时26天 2.深入解读：高精度电解加工，提高3D打印零件表面质量的有效手段 3.消费品领域：聚合物3D打印技术将长期占据主导地位 4.华曙高科：面向金属3D打印批量生产的解决方案

铝的熔点为660℃，故而常用的3D打印铝合金的熔点要低于该温度，即便是耐热铝合金。在近几年的铝合金3D打印应用中，有两个典型案例： 铝合金为主要重要材质的奥运火炬能耐800℃ NASA成功测试3D打印的铝合金火箭发动机 很明显，这两个应用场景的温度环境均会超过铝合金的熔点，而其为何能够保持材料性能呢？首先是使用了纳米陶瓷涂层，其次是借助了再生冷却结构。这两种方式是保护低熔点金属实现高温应用的重要手段。目前在航空航天、轮船、能源等领域有重要应用。 纳米陶瓷材料具有较低的热导率，能够有效地阻止热量的传递。其次，纳米陶瓷涂层具有反射热辐射的能力，热辐射是物体通过电磁波传递热能的一种方式，而纳米陶瓷涂层可以反射掉一部分热辐射，使其无法穿透到另一侧；第三，纳米陶瓷涂层能够吸收和储存热量，当温度升高时，纳米颗粒会吸收热量并变得更加活跃，从而起到缓冲温度变化的作用。 以2022年冬奥火炬为例，内外飘带使用铝合金3D打印制造，经过坯件打磨、抛光之后，进行表面糙化、除尘、预热、涂敷、烘烤等一系列流水线工序。最后在其表面均匀的薄涂纳米级陶瓷涂层，最终使火炬能够耐受800-1000度高温5-10分钟。 除此之外，热障涂层还被广泛应用在飞机发动机、涡轮机和汽轮机叶片上，保护高温合金基体免受高温氧化、腐蚀，起到隔热、提高发动机进口温度和发动机推重比的作用。采用3D打印技术制造还有内部流道的叶片结构，也提供了极大便利。 再生冷却是另一种保护低熔点金属实现高温应用的手段。以火箭发动机为例，燃烧室喉部燃烧温度高达3500℃，内壁温度超过1000℃，任何金属材料在此温度下都已接近熔化，而且材料还要经受腐蚀性高压高速燃气的侵蚀。很显然，铝在该温度如果不进行结构保护很快会失效。 在火箭发动机制造领域，再生冷却结构是重要的冷却技术。火箭发动机推力室结构由内、外两层壁构成冷却夹套，约有360个冷却槽。发动机工作时，内衬一侧为高温燃气，另一侧为装载液氢液氧的冷却管道，通过液氢液氧降低火箭发动机燃烧室内壁温度保持在熔点以下，以保证材料能正常服役。推进剂组元流经冷却套冷却壁面，自身受热升温后流出冷却套，再经喷注器进入燃烧室，使通过内壁传出的热量又回到燃烧室得以“再生”，故称再生冷却。 然而，传统的推力室再生冷却结构制造动辄数月甚至更长时间，并且容易导致不同部件的质量水平不同。高昂的制造成本以及漫长的等待时间让航天发射对增材制造的关注越发迫切。3D打印制造火箭发动机的优势已经不必多说，如今，民营航天公司极为重视增材制造技术的使用，采用3D打印制造的再生冷却一体结构发动机已经投入使用。 NASA马歇尔太空飞行中心与Elementum 3D公司合作，在2023年开发了一种可焊接铝，其耐热性足以用于火箭发动机，且成功进行了测试。与其他金属相比，铝的密度较低，可用于制造高强度、轻质的部件。 实际上再生冷却结构很像模具中的随形冷却流道，同样起到快速将热量带走的作用。 总的来说，本文介绍了两种保障低熔点金属实现高温应用的手段，这些技术在遇到3D打印之后正在迸发新的生机。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.重要进展：NASA开发出新型铝合金，3D打印制造火箭喷嘴并成功测试！ 2.2024年首篇Science，3D打印应用突破！ 3.视频：大国制造，步履铿锵！金属3D打印激光数量大战！ 4.图表：8类金属3D打印材料，市场应用程度排名

航空航天和医疗行业对金属零件的使用都有着较高的使用标准，金属3D打印制造的零件表面质量往往达不到最终的使用要求。 随着航空航天领域发动机、燃气轮机部件所需要的叶盘、光盘、涡轮叶轮等金属部件向高强、高硬、高韧方向发展，机械产品中复杂整体构件日益增多，去毛刺的难度也随之增大。 在医疗行业，3D打印已越来越多的用于生产髋关节和脊柱关节定制金属或 PEEK植入物。金属增材技术的优势在于允许更快的设计迭代，通过拓扑优化最大限度减少重量，并允许可定制的植入物符合患者的解剖结构——达到改善骨整合的主要目标。但不佳的表面质量却成为影响骨整合的重要因素，例如： 限制或消除细胞毒性分子从植入物中排出（例如，从钴铬髋关节植入物中排出的钴离子）； 零件接触骨骼的地方具有粗糙、多孔的骨整合表面质量，可实现更高的接触比并改善“骨锚定”； 零件几何形状（和材料）可产生均匀的负载分布，避免随着时间的推移，零件的特定区域出现孤立负载，从而导致零件故障。 对金属3D打印的零件进行高精密电化学抛光（来自Voxel Innovations） 传统去毛刺作业很难满足上述发展中对去毛刺的要求，于是各种机械化、自动化去毛刺新技术、新工艺应运而生。在《3D打印后处理 | 决定零件能否使用的最后关卡（全干货）》一文中，3D打印技术参考已经介绍了各种零件后处理手段。高精密电化学加工作为高刚硬金属领域的特种加工磨削与切削、去毛刺、抛光以及表面精密处理的方法，以小博大，以柔克刚，在航天航空领域得到又快又广的应用，助力人类将航天宏图化为正在实现的梦想。该技术能够缓解大批量增材制造零件的一些制造挑战，提高较大体积的金属零件的分辨率和表面质量。 高精度电解加工的工作原理 EBM工艺打印的IN738经过后处理（来自Voxel Innovations） 精密电解加工（PECM）是一种非接触式、非热材料去除工艺，它利用电化学（而不是摩擦或热）来去除工件材料。该工艺在工具（阴极）和工件（阳极）之间的微小间隙内冲洗带电电解液，工具和工件的接近程度与工件的去除率相关。为此，阴极的形状与工件上所需的几何形状相反。 这种电解液同时执行两个关键功能。首先，它充当发生电化学反应的导体。其次，流体充当冲洗剂，去除反应中残留的废物，并消除任何可能影响电解质局部电导率的残余热量。 高精密电化学抛光原理（来自Voxel Innovations） 该工艺的独特性质赋予其独特的优势。例如，该工艺能够同时进行机械加工和精加工，因为缺乏热量或接触消除了与其他工艺相关的任何表面不规则的可能性，例如打印的层纹或毛刺。 由于不存在热量或接触，该过程还可以在很大程度上消除工具磨损。因此，精密电解加工非常适合使用单个定制阴极来串联加工大批量零件。 精密电解加工主要用作能源、航空航天和医疗器械行业复杂金属部件的后处理加工，通常加工最初为棒料或近净形状的工件。然而，该工艺也可以用作增材部件的二次加工或后处理操作，其独特的功能对于增材医疗植入物尤其有利。 定制制造，具有更好的性能 3D打印的一大优势是能够制造出个性化、定制化的产品，无论对于医疗还是其他行业。 以医疗为例，利用现代增材技术，工程师和外科医生可以生产出一种零件，该零件可以同时最大化植入物和椎骨终板之间的接触面积（均匀分布负载），同时避免植入物太大而影响患者的活动能力。2022年加拿大的一项研究提供了这一点的证据，评估了定制3D打印和传统加工脊柱融合器各自的负载分布，最终发现与患者解剖特征相匹配的定制制造的融合器具有更好的功能、耐用性和骨整合。 在航空航天制造领域，定制化主要体现在极小批量零件的生产上，借助拓扑优化大量减除零件质量，可以大幅提高整体效益。然而，尽管有这些好处，增材制造仍具有固有的局限性，可能会破坏制造这些零件的经济性及其功能，而其中许多限制都集中在表面质量上。 3D打印制造的表面质量限制 然而，现代增材技术有很大的局限性。如果没有二次加工过程，它无法在大多数医疗设备部件上产生超精加工的表面质量。表面不规则的一些原因可能包括层纹本身、重新熔化的材料、支撑结构残余物或粉末颗粒。此外，大多数增材制造工艺无法在某些特征上实现足够的分辨率。 当金属增材制造商利用更大的粉末、更快的激光扫描策略、更大的层厚或更快极的铺粉速度来降低大批量零件生产的成本时，这些限制会进一步加剧。 PECM技术可对金属3D打印的零件进行局部表面质量改进 局限性也可能是特定于该部位的，例如前面提到的腰椎椎间融合手术中使用的脊柱笼。虽然融合器的某些方面必须具有多孔的表面，但其他方面必须具有更光滑的表面质量，而这些组合特征对于增材制造工艺来说可能难以以更高的零件体积生产。 高精密电解加工——有效的后处理手段 幸运的是，精密电解加工可能能够缓解许多这些限制，充当大容量金属增材制造零件二次加工和精加工的后处理手段。 首先，精密电解加工可以作为二次加工操作，使增材零件能够实现更高的分辨率，尤其是在薄壁和下表面等困难特征上。由于大多数金属增材工艺只能实现约0.3-0.5mm的最小壁厚，定制工具可以轻松将壁厚减小至<100µm。 此外，根据Voxel Innovations的数据，精密电解加工可以将金属3D打印零件的表面质量从5-10µm的粗糙度提高到小于0.5µm，甚至达到0.1µm。该技术 通常也比传统工艺更快，并且可以复制这些薄壁、高分辨率的特征数万次，而不会导致工具磨损。 由于该工艺优先考虑给定材料的导电性而不是其硬度，因此精密电解加工能够加工金属增材中常用材料的复杂特征，如钴铬合金和钛合金。精密电解加工可以实现高分辨率、高表面质量的特征，能够消除毛刺、层纹或表面不规则现象，并且能够同时进行精加工，从而节省制造商的时间。它还可以利用定制阴极来选择性的完成增材制造医疗部件的后加工。 尽管金属增材工艺呈指数级增长和普及，并且在航空航天和医疗器械市场中的应用不断增加，但制造商仍应注意其局限性。因此，他们应该考虑一种替代后处理技术，可以补充增材制造的优势并减少其劣势。脉冲电化学加工(PECM) 可能是一种能够提高零件分辨率并在大量零件中创建超精加工表面的有效手段。注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.在线研讨：聚焦SLA 3D打印技术的最新发展、材料和应用 2.8月，传统工艺&增材制造：现场碰撞！ 3.结构、功能一体：增材制造GRCop-84铜合金晶格结构的力学行为 4.干货分享：间接陶瓷增材制造裂纹的形态、产生原因及应对策略

亚稳态和近β钛合金具有高强度和优异的耐腐蚀性等特点，因此在航空航天应用中备受青睐。然而，添加较为经济的β稳定元素如铁Fe可能导致钛合金部件中发生偏析和β斑的形成，从而对力学性能产生不利影响。工业上最常见策略是通过真空电弧重熔（VAR）工艺维持陡峭的温度梯度和快速凝固，以防止其形成。针对这种缺陷，后续的均质化热处理也是一种有效的消除方法。激光金属沉积（L-DED）在制造部件时，具有较高的凝固速度。由于其逐层制造部件的特点，每次制造新的沉积层时，已制造的层也会受到加热，从而达到了对旧层进行均质化热处理的效果。L-DED工艺为制造TiFe亚稳态和近β钛合金提供了可能性。 3D打印技术参考注意到，墨尔本理工大学马前教授团队陈东泽博士等人于3月发表了题为“In-situ elimination of β-flecks in additively manufactured Ti-3.5 wt% Fe alloy”的文章，开发出了原位消除增材制造Ti-3.5 wt%Fe 合金中 β相斑点的方法。 https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.01.153 研究策略 在这项研究中，研究人员采用激光金属沉积（L-DED）工艺制备了一系列二元模型合金Ti-3.5wt.% Fe的50层单道薄壁样品，并对其中β斑的演变进行了全面的研究。他们发现，在制备的Ti-3.5wt%Fe薄壁样品中可以实现较大的无β斑点区域。 研究人员使用扫描电子显微镜结合能谱分析（EDS）技术对样品中的铁含量进行了测量，并设计了一个无量纲参数“偏析指数（SGI）”来评估铁的偏析情况。后续研究人员通过ABAQUS仿真模拟薄壁样品的制造过程，获取其温度场分布。通过结合温度场模拟结果和一维动态扩散模型，研究人员对β斑的消除进行了合理解释。 研究发现 整个薄壁样品横截面BSE图像显示，其可以清晰地识别出三个区域。顶部区域是熔合区，记录了当顶层被沉积时的凝固微观结构。沿着构建方向的厚白色条纹是富含铁的β斑，在相邻β斑之间可以观察到马氏体，在β斑内几乎不观察到马氏体，这是由于铁偏析产生的额外β稳定效应。熔合区之下存在两个受热影响区（HAZs），靠近融合区的一个被标记为HAZ-I，而下方的另一个被标记为HAZ-II。HAZ-I在度BSE图像中对比度较低，它由全马氏体组成。HAZ-II的颜色比HAZ-I要暗得多，在HAZ-II中的显微结构由（α+β）构成。 a横截面BSE图像; b第45层放大BSE图像；c 第35层放大BSE图像；d第20层放大BSE图像；e 第45，35，20层沿水平方向铁浓度变化。 为了系统地研究整个薄壁样品沿构建方向的铁偏析变化，从顶部到底部，研究人员每五层进行一次水平EDS线扫描。线扫描数据明显显示薄壁样品自顶部到底部的偏析减少，但直接从线扫描数据中量化偏析程度却相当困难。因此，在本研究中定义了一个无量纲的“偏析指数（SGI）”，其表达式为： 其中，C0是铁的总浓度；SR和SL表示给定铁浓度峰值的右侧和左侧的铁浓度差。对于垂直排列的β斑，在一层中，水平线扫描会穿过多个峰值。因此，该层的SGI由该层所有扫描的峰值的平均SGI表示。SGI从第45层急剧下降到第40层，然后变得相对稳定，并始终保持在HAZ-I的较低部分和整个HAZ-II中始终小于10%。这种SGI变化与BSE图像的对比度变化完全一致。除了偏析水平外，α相的体积分数是识别β斑的另一个常见度量标准。但在本样品中，α相仅出现在HAZ-II中，因为HAZ-I完全由α’马氏体组成。计算显示整个HAZ-II的平均α相体积分数差异在1.3%到4%之间波动，远低于European Titanium Technology Committee （ETTC）对于β斑的α相体积分数差异的标准（20%）。因此，整个HAZ-II定义为无β斑区。另一方面，HAZ-II中的SGI也保持在10%以下。因此，可以定义一个SGI阈值，即10%，来识别 “无偏析区”无论在微观结构中是否存在α相。 a SGI 定义的图形说明；b 50层薄壁样品中心区域不同高度处的 SGI；c 第20层中心区域 α 相体积分数变化；d 50层薄壁样品不同高度处的 α 相体积分数变化。   在HAZ-I的顶部，SGI急剧下降。这表明在凝固完成后的前几个热循环中发生了有效的原位均质化。为了更深入地理解这种原位均质化效应，进一步在中心部分的第44层到第40层进行了横向EDS线扫描。计算发现，SGI从第44层的15%下降到第42层的3%，后续几层的SGI稳定在3%左右，这与上图中的SGI分布一致。由于无法观察刚刚凝固时的第40层，结合L-DED逐层制造的特点及ABAQUS温度场模拟结果，假设第40层在刚刚凝固时与第44层的最终微观结构相同。使用第44层测量的铁浓度EDS结果来描述第40层的初始铁浓度。将ABAQUS模拟获得的温度历史曲线输入动态扩散模型进行迭代，结果显示随着经历的热循环次数增加，Fe浓度差异逐渐减小。扩散模型计算得到的SGI变化与从EDS线扫描数据所测得的SGI值变化进行对比，展现了良好地一致性。 a 第44层至第40层之间的EDS线扫描位置；b第40层中心位置的ABAQUS模拟热历史；c在b中标记的五个不同时间点附近的典型β斑附近铁浓度剖面的变化；d 基于EDS线扫描（蓝色）和动态扩散模型（橙色）的第44层至第40层之间SGI的变化。   通过使用不同的激光加工参数，包括激光功率、扫描速度和激光斑大小，研究人员制备了一系列Ti-3.5Fe薄壁样品（能量密度范围从28 J/mm2到92 J/mm2），发现原位均质化在这些不同加工参数的样品中都有发生。通过计算其SGI数值发现，对于这种L-DED Ti-3.5Fe合金，无β斑区的形成相当宽容，对于全局能量密度的敏感性很低。 研究讨论 1. 3D打印中，β斑体积的减小  β斑的尺寸取决于固化过程中的冷却速率。鉴于垂直排列的β斑主要分布在相邻的树枝晶之间，β斑的宽度，应与主要树枝晶臂间距成正比，而主要树枝晶臂间距与冷却速率存在如下的幂关系。由此可以推导出β斑的尺寸与冷却速率之间的关系：   λβ 是β斑的宽度， n为幂项，T ̇为冷却速率，k为常数。在本研究中，通过文献中的SLM、L-DED和WAAM制造的三种含钛合金的β斑来确定上式中的幂项n和常数k，结果公式如下： 选定的Ti合金中β斑尺寸与不同制造工艺的冷却速率。虚线为基于WAAM、L-DED和SLM数据的拟合曲线   后续，带入文献记录的直径为70毫米的Ti-10-2-3轧制棒中的β斑尺寸，计算得其冷却速率约为0.46 K/s，这是在大型铸锭处于炉冷条件下的常见冷却速率。这表明了在当前研究中确定的β斑宽度与冷却速率之间的关系在广泛的凝固条件下仍然有效，并可以作为估算给定冷却速率下β斑尺寸的指导。值得注意的是，当前研究中所研究的三种Ti合金具有不同的成分，这可能会影响本研究的严谨性。 2. 通过3D打印制造过程中的原位均质化消除β斑  在3D打印制造过程中，减小β斑在原位凝固微观结构中的尺寸通常有助于在后续热循环期间进一步减少偏析。但更小的β斑并不保证它们会被完全消除，局部的温度历史对于触发足够的扩散活动至关重要。在金属增材制造过程中，最终微观结构中残留的β斑取决于高冷却速率的正效应（较小的初始β斑）和负效应（热激活扩散的较短时间）之间的竞争。 3. 动态扩散模型描述3D打印中多次热循环期间的扩散行为 与基于恒定温度假设的传统扩散模型相比，本文中这种动态扩散模型有利于反映β-Ti基体中溶质Fe的扩散行为，它可以更精确的描述特定位置的偏析减少。需要注意的是，测量值和计算值之间仍然存在一些小差异，这可能归因于以下几个方面。首先，假设β斑的厚度是恒定的，与扩散过程无关，无论是在传统还是动态扩散模型中都是如此。然而，在随后的原位热循环过程中，β斑的厚度会减小。其次，将溶质浓度剖面描述为周期（三角）函数，以表示β斑的连续分布。然而，在现实中，β斑的厚度可能比贫Fe区域的厚度小，因为晶间树枝区域通常比树枝主干或分枝更薄。最后，在高温条件下，应用的Fe扩散系数可能不够准确，因为大多数已发表的数据并未涵盖固相温度以下的整个温度范围。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读：…

2023年，聚合物增材制造技术在消费品市场的总收入，包括硬件、材料和服务，达到约7.74亿美元，大大高于金属增材制造技术在该领域的1.74亿美元。 这一显著差异表明，基于聚合物的3D打印技术在今天的消费者应用中得到了更广泛的采用。更广泛的用途、成本优势、更易用性或材料可及性等因素正在推动聚合物增材制造的更大市场增长。 增材制造行业（硬件+材料+服务）与消费者市场相关的总收入（2023-2033） 1. 聚合物、金属增材制造市场规模和增长速度 目前，有更多的消费品可以使用塑料3D打印。此外，金属3D打印零件的价格与大多数消费品行业的价格要求不匹配，进一步加剧了差距。虽然聚合物3D打印已在鞋类、眼镜、运动装备及配件，甚至自行车和摩托车零部件等多个领域得到应用，但金属3D打印主要在珠宝和奢侈品产品设计、消费电子产品和自行车等一小众消费领域被采用。然而，随着更高效的金属增材制造技术获得更广泛的市场采用，这种情况预计会发生变化。 VoxelMatters的最新报告预测表明，消费产品中聚合物增材制造技术的收入将从2023年的7.74亿美元增加一倍多，到2026年接近19亿美元，并在此后继续快速增长。到2033年，聚合物增材制造收入预计将达到约67亿美元。相比之下，金属增材制造预计到2033年将达到约27亿美元，2027年约为8亿美元。聚合物增材制造市场的年复合增长率约为24%，而金属增材制造的年复合增长率约为31.4%。尽管聚合物增材制造的市场规模较大，但金属增材制造的增长速度要快得多。 2. 用于消费品领域的增材制造硬件市场 如今，在消费品领域产生最多单位销量和收入的增材制造机器是用于模具（主要是 SLA）和最终零件生产（主要是 DLP）的立体光刻系统，以及也用于原型制作的所有PBF系统。在金属增材制造领域，唯一真正可行的生产机器是激光粉末床熔融 (L-PBF) 技术，但仅限于独特和奢侈的产品。粘结剂喷射技术正开始受到关注，并瞄准了更广泛的产品，但它仍需要一段时间才能得到广泛采用。 2023年，聚合物增材制造硬件的价值开始达到3.8亿美元，而金属增材制造硬件的收入开始达到1.18亿美元。聚合物增材制造硬件收入预计将大幅增长，到 2033年将达到32亿美元。届时，金属增材制造硬件收入预计将达到19亿美元。 金属增材制造硬件的复合年增长率为32.3%，表明与聚合物增材制造硬件相比，其基数较小，但增长迅速，而聚合物增材制造硬件的复合年增长率较低，为23.7%。尽管金属增材制造的复合年增长率较高，表明年增长率更快，但聚合物增材制造硬件在过去10年中保持了较大的市场规模，并且也显示出收入的大幅绝对增长。 从这些洞察中我们可以看到，这两个行业都在经历稳健的增长，但聚合物增材制造硬件较大的初始基数和整体收入表明其在消费领域占据了更主导的市场地位。金属增材制造硬件尽管起点较低，但仍显示出非常惊人的增长率，表明市场采用率不断扩大，技术进步推动其在消费领域的使用增加。 3. 用于消费品领域的3D打印的材料市场 由于应用的成本和附加值较高，与金属增材制造硬件相比，金属增材制造材料产生的收入比例更高。总体而言，消费产品领域的金属增材制造年收入从2023 年的1300万美元开始，每年稳步增长，到2033年达到1.86亿美元。聚合物增材制造材料的收入从2023年的3900万美元的较高基数开始，并且逐年增长，最终达到2033年将达到2.85亿美元。 2023-2033年消费应用产生的增材制造材料收入 金属增材制造材料的年复合增长率约为30.8%，显示出在较小基数下的强劲增长。聚合物增材制造材料的年复合增长率约为22%，表明初始收入数字较大后持续增长。金属和聚合物材料在过去十年中都呈现出稳健的增长趋势，其中聚合物在此期间保持了较高的收入。但从相对年增长率来看，金属材料的增长率更高，复合年增长率快于高分子材料。 4. 消费品领域的3D打印服务市场 金属增材制造服务机构的收入在2023年开始为4300万美元，并遵循稳定增长模式，到2033年将达到5.48亿美元。另一方面，聚合物增材制造服务机构的收入在2023年开始时为3.56亿美元，并且逐年增长。到2033年，这一数字将达到32亿美元。金属增材制造服务机构的年复合增长率约为29%，而聚合物增材制造服务机构的年复合增长率约为24.6%，这表明在较大的初始收入基础上持续增长。 根据VoxelMatters的数据，消费增材制造领域的服务机构目前代表的商机相对较小，但它们正在扩大。聚合物增材制造技术在收入方面仍保持较高份额，巩固了其在市场上的主导地位。眼镜、运动服和鞋类等聚合物产品为实施专业增材制造生产线的增材制造服务提供商提供了巨大的机会。 金属3D打印技术服务机尽管总收入较低，但仍在以稳定的速度扩张，这表明对金属增材制造服务的需求不断增长。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.标志性事件：MIM生产商收购间接金属3D打印技术开发商！ 2.Wohlers最新报告：2023年全球3D打印市场破200亿美元，增长11.1%！ 3.全球主要3D打印上市企业现状：中企势头凶猛，外企陷增长困境 4.最新：国内航天首次实现一体化3D打印贮箱在轨应用