随着电子设备小型化趋势的发展，过热问题也随之增加。为了应对这一挑战，通过改进散热器设计来提高散热性能比以往任何时候都更加重要。尤其是如今AI技术正在飞速发展，芯片散热问题一直困扰着工业界。指甲盖大小的芯片却是个300瓦的热源。但实际上，芯片远远不到这个功耗时便已经烫得不行。 芯片的小型化和高度集成化，会导致局部热流密度大幅上升。算力的提升、速度的提高带来巨大的功耗和发热量。制约高算力芯片发展的主要因素之一就是散热能力。未来，人工智能行业会因为算力散热问题被“卡脖子”吗？ 中科创星董事总经理卢小保指出，“超过55%的芯片失效，都是源于热量传不出去，或是由温度升高而引起。芯片在70℃以上时，温度每升高10℃，其可靠性就会降低50%。” 芯片液冷技术由此变得更受关注。2023年，中国电信等国内三大运营商联合发布了《电信运营商液冷技术白皮书》，规划到2025年开展规模应用，50%以上数据中心项目将应用液冷技术。 3D打印技术在热交换领域的作用已经显现，对于芯片级别大小的散热问题，该技术亦能发挥作用。3D打印技术参考注意到，一家名为ToffeeX的公司使用自主开发的软件设计了一款CPU液冷热交换器，并使用电化学3D打印技术制造，使散热器的压降降低了60%。 电化学增材制造 （ECAM） 工艺在纯铜制造方面创造了奇迹——它实现了33微米的体素尺寸，这是令人难以置信的分辨率，而且能够在室温下使用低成本的水基原料进行打印。 3D打印技术参考曾经介绍过，电化学沉积增材制造(ECAM)是一种完全不同的金属3D打印技术，可生产出高质量零件，具有优秀的特征分辨率和经济性，且可在高分辨率下实现可扩展大规模生产。 由于金属是以逐个离子的形式沉积的，这使得该工艺能够产生极其精细的特征，目前典型的层厚在10至50微米范围内。该工艺尤其适合于打印纯铜，因此成为小型、精细的冷却板，热交换器、射频天线和类似设备的有前景的新增材制造工艺。 如今，半导体行业依赖于通常锻造或车削工艺制造的冷却板和其他冷却装置。这些工艺仅限于生产规则的翅片，这些翅片只能在一个方向上制作，并且在可以填充这些特征的几何形状方面受到限制。 但除了制造挑战之外，以传统方式制造的热管理设备的表面积和可提供的冷却量也受到限制。3D打印不仅提供了一种增加表面积和粗糙度以实现更好散热的方法，而且还为复杂的液冷板和热交换器制造提供了一条途径，可显著提高性能。 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： 1.3D打印纯钛性能媲美TC4！华南理工杨永强教授团队新突破 2.3D打印纯铜：电化学沉积增材制造的原理，潜在应用非常可观 3.LPFB金属3D打印，不同行业应用对刮刀材质的选择有不同效果 4.取得商业化最成功的3D打印Science研究

近日，华南理工大学杨永强教授的增材制造团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM，2023年JCR影响因子14.7，位列工程/制造学科领域第一）上共同发表题为《In-situ additive manufacturing of high strength yet ductility titanium composites with gradient layered structure using N2》的研究文章，通过增材制造改变传统的均质材料实现纯钛材料打印性能与TC4合金相当。论文第一作者是华南理工大学机械与汽车工程学院的博士生肖云绵，宋长辉副教授为通讯作者。 研究背景 钛及其合金因其优异的生物相容性、低密度和高比强度而广泛应用于医疗植入物。然而目前广泛应用的医用钛合金（Ti6Al4V）中V元素可以引起恶性的组织反应,对人体产生毒副作用，存在一定的争议性。因此，开发无Al和V的高性能钛材料一直受到许多研究人员重视与关注。医用纯钛一直存在强度低、硬度低等问题，使其应用受到了很大的限制。为了提高商用纯钛的强度和硬度，在钛基体中添加陶瓷颗粒（如TiB、Mo2C和B4C等）作为增强相是常见的手段。然而，常用的增强相分散技术（如球磨或机械混合）通常不会在基体中产生非常均匀的分布，这将严重降低钛基复合材料的延展性。特别是，当增强相的尺寸减小到纳米级时，由于巨大的比表面积和范德华力，增强相容易发生团聚。此外，它还可能会导致可加工性的恶化和裂纹倾向的增加。 贝壳珍珠层由天然材料的硬层和软层组成，从纳米尺度到宏观尺度不等，组装成复杂的层状结构。层状结构可以通过在刚性层和柔性层之间的边界处延伸裂纹和耗散能量来实现优异的力学性能。基于其自然构型创建层状结构可以提高其整体力学性能，包括抗裂性、抗拉强度等。因此，为了实现高性能纯钛增材制造，华南理工大学通过在激光选区熔化加工期间在层内或层之间注入不同浓度的N2，通过激光原位化学反应合成具有TiN陶瓷相增强的刚性层，并通过刚性层（硬陶瓷相）-韧性层（软金属相）分布的梯度层状结构方法来强化性能。论文中详细分析了N2浓度对TiN/Ti层状结构的显微组织、合成机理以及复合材料的力学性能的影响，强调了增材制造与原位合成的适用性，以促进具有梯度层状结构的钛基复合材料强度和塑性协同匹配。 研究内容 纯钛在不同N2浓度下，激光选区熔化原位合成物相变化。随着N2浓度的变化，激光选区熔化成形纯钛的物相组成变化。在Ar下激光选区熔化成形的样品与钛粉末的XRD结果几乎一致，未有其它物相发现，均为α/α'-Ti峰。此外，在5%N2（其余气体为Ar）的混合气氛条件下也只发现α-Ti物相，并未发现有TiN相。N2浓度大于10%时，开始检测有TiN峰，进一步佐证N2>10%时激光选区熔化原位合成物相组成为TiN和α-Ti。 图2 激光选区熔化原位合成钛基复合材料的XRD结果：（a）在不同的N2浓度下结果，（b）显示TiN峰结果 纯钛在不同N2浓度下，激光选区熔化原位合成显微组织差异。激光选区熔化在Ar+0/5/10/15%N2下形成样品的EBSD织构和晶粒尺寸，随着N2浓度的增加，晶粒形态逐渐发生变化。如图3所示，与在Ar下激光选区熔化的纯钛晶粒相比，在低（5%）N2浓度下，观察到更细的针状α′-Ti晶粒，具有更明显的分级结构。此外，在10%N2和15%N2样品中观察到大量低角度晶界（图3(c-d)），这与在5%N2下激光选区熔化或传统技术中制造的纯钛形成鲜明对比。根据钛晶格中的伯氏矢量关系：{110}β//(0001)α和<111>β//<11-20>α，可以肯定的是，在Ar中通过激光选区熔化成形的的母相β晶粒形状更加规则（图3(e)）。相反，对于N2下样品，由于母相β晶粒的形状变得不规则，α/α′板条晶粒变成了平行的小板状（图3(g)），从而影响了生长过程。在15%N2条件下，连续的柱状晶粒生长被打乱，在搭接区出现了更粗的柱状晶粒（图3(h)）。这可能表明，在成形Ar保护气中引入N2会对熔池周围产生更显著的热影响，原位合成的TiN成为成核点，从而导致母相β晶粒外延生长较少。总体而言，EBSD结果表明，在N2下通过激光选区熔化生成的纯钛显示出连续的取向变化和部分交叉取向，表明形成了亚微结构。此外，晶粒尺寸分布表明激光选区熔化成形纯钛的平均晶粒大小随着N2 浓度的增加晶粒尺寸逐渐减小。然而，进一步增大N2浓度，晶粒尺寸没有再显著减小。 图3 在Ar、5%N2、10%N2和15%N2下激光选区熔化打印的纯钛及钛基复合材料的EBSD结果：（a-d）IPF图，（e-h）相应重建的母体β晶粒的IPF，（i-l）相分布和（m-p）晶粒尺寸 层状结构和梯度层状钛基复合材料样品钛层和含TiN层界面EBSD如图4所示。在20%N2时，层状结构复合材料的钛基体为针状α/α′-Ti晶粒，这些晶粒与母相β晶粒平行。引入N2后，较高的冷却速率可导致较快的成核速率，从而细化α′-Ti晶粒。当梯度层状钛基复合材料在从N2成形层转换到下一个Ar层时，界面层顶部（即钛熔池底部）的一小部TiN转变为N并固态溶解在钛基体中，形成致密细小的针状α/α'-Ti晶粒。此外，由于采用逐层旋转 90°的扫描策略，热输入方向不断变化，亦中断了β晶粒的外延生长。图4（f-g）显示层状结构样品的细晶粒区（FGZ）和粗晶粒区（CGZ）的晶粒大小分别为2.7 μm和5.6 μm。梯度层状钛基复合材料样品的FGZ和CGZ晶粒大小分别为1.8 μm和3.5 μm。显然，与单层结构相比，具有更多梯度分层结构的N2原位合成复合材料具有更良的晶粒细化效果。 图4层状结构钛基复合材料EBSD：（a-b）层状结构钛基复合材料和（d-e）梯度层状钛基复合材料样品的IPF图，（c）相分布，（f-g）晶粒尺寸 纯钛在混合气体下激光选区熔化原位合成材料的力学性能：一般来说，对于激光选区熔化成形纯钛及其合金，如果间隙元素（N、O）含量较高，可能会引起固溶和脆性沉淀，导致力学性能（塑性）下降。但是，在这项研究中，低浓度N2中的激光选区熔化成形纯钛表现良好。尤其5%N2整体打印样品的极限拉伸强度（UTS）、屈服强度和塑性分别比Ar下纯钛样品的拉伸强度（696.48±2.95 MPa）和屈服强度（599.19±9.57 MPa）分别高出37.7%和47.9%。高浓度N2下（15%N2）的机械性能仅略有提高，但塑性几乎不存在（图5）。这是因为当N2浓度达到10%及以上时，熔融Ti和N原子间的原位合成程度增加，样品产生了更多的N固溶体，甚至过量的TiN颗粒使钛基体延展性变低。 然而，层状复合材料不仅强度上比钛基体高许多，还表现出良好的延展性。如图5所示，激光选区熔化原位合成的层状TiN/Ti复合材料性能大多居图右上位置，特别是在15%N2下，层状TiN/Ti复合材料强度能够提高36%，而塑性仍然可以保持20%的伸长率。此外，梯度层状TiN/Ti复合材料性能比其它外加颗粒强化钛基复合材料更优异，高强度的同时伸长率可能与纯钛基体的伸长率几乎相同。主要是对于层状结构复合材料样件，软相纯钛层中的几何必要位错(GND)在硬质TiN区域边界附近堆积和积累，在软层产生背应力，在硬质TiN层形成前向正应力，共同产生异质变形诱导(HDI)应力。因此，HDI增强和良好界面的结合协同提高了梯度层状结构复合材料的强度。 图5层状钛基复合材料与其他激光选区熔化成形纯钛或钛基复合材料的性能比较 在N2下激光选区熔化原位合成了TiN/Ti层状复合材料，并对其微观组织、力学性能进行了系统研究。实验表明，复合材料显微组织呈现Ti-TiN-Ti周期性的层状结构分布特征，TiN层与Ti基体界面结合良好。并且TiN/Ti梯度层状复合材料实现了比激光选区熔化均匀原位合成TiN/Ti复合材料的强度和塑性更均衡的调控，强度比纯钛基体的提高30%，同时塑性甚至可以达到钛基体相当的延伸率。 纯钛打印的极致性能在哪里，在TiN/Ti梯度层状复合材料基础，是否可以充分发挥SLM点线面三维空间成形优势，成形出具有空间非均质性强化的材料呢，进一步研究结果，我们也将持续跟踪。 注：本文内容由作者团队供稿。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.王华明院士团队：激光定向能量沉积与锻造制备超高强度钛合金组织与力学性能的对比研究 2.大连理工：激光定向能量沉积法制备熔体自生氧化铝/钛酸铝的开裂机理研究 3.3D打印成功制备无裂纹、高性能超高温碳化钛陶瓷 4.Nature最新：超越TC4，3D打印获得更高强韧性钛-氧-铁合金

对于LPBF金属3D打印技术，铺粉装置通常有金属刮刀、陶瓷刮刀以及橡胶刮刀几种选择，业界也一直存在着是使用软刮刀还是硬刮刀解决方案的争论。3D打印技术参考注意到，从事该技术的增材制造专家EOS，对此进行了详细解读，并最终给出了选择刮刀材质的原则。 1. 硬刮刀 EOS设备的标准选项是硬刮刀，因为它在零件质量和可重复性方面具有优势。硬质刀片可确保层厚一致，并可清除部件表面的飞溅物，这些飞溅物在曝光过程中从熔池中喷出，是导致后续层熔合不充分的高风险因素。 由于其形状和硬度，硬质刀片可在铺粉过程中压实粉末，从而提供密度更高的粉末床层。所有 EOS 标准工艺参数都是使用硬刮刀开发的，因为它们对不合适的工艺参数非常敏感。因此，可以很容易地将工艺窗口缩小到稳健的工艺参数上，从而提供稳定的工艺。 与软刮刀相比，硬刮刀具有更强的耐磨性，即使在长时间的生产过程中也能确保铺粉稳定。因此，整个部件的性能更加稳定。尽管硬刮刀通常比软刮刀昂贵，但在进行成本分析时，也必须考虑到硬刮刀的使用寿命更长，所需的维护量更少。 ▲ 采用HSS硬刮刀制造的涡轮叶片，以确保最高的零件性能 由于磨损可能会造成粉末污染并导致夹杂物，因此受严格监管的行业对软刮刀持保留意见。例如，航空航工业尤其希望在发动机应用中避免硅夹杂物。不过，这并不是排除在外的一般标准。 受益于硬刮刀优势的典型应用是在机械性能或尺寸精度方面对可重复性质量要求最高的零件，以及体积较大的零件。 硬质刮刀的主要挑战在于其刚性。如果零件与刮刀接触，就很有可能导致工作中断，而软刮刀可以适应零件的变形。零件与刮刀之间发生接触的原因包括残余应力导致的支撑失效或不合适的工艺参数导致的过热。 不过，对于高质量零件或批量生产而言，这一缺点也可以被视为优点。即使使用软刮刀完成制造工作，损坏或瑕疵最终仍会存在，如果损坏在工序下游被发现，会造成更高的成本。虽然使用硬刮刀时工作会暂停，但 AM 工程师会得到直接反馈，说明设计、支撑或工艺参数出了问题，零件必须进行下一次迭代。 另一个缺点是，由于刀片的硬度，铺粉过程中的所有摩擦力都会传递到零件上，这一事实限制了高纵横比的可制造性。在铺粉过程中，摩擦力可能会使零件弯曲或引起振动，从而影响粉末床。这一难题可以通过调整工艺参数（考虑零部件的热状况）得到部分缓解，但对于高而薄的设计来说，这仍然是一个限制因素。 ▲ 采用HSS硬刮刀制造的带有晶格结构的髋臼杯 然而，用于医疗应用的晶格结构等精细物体表明，在调整工艺参数时，使用硬刮刀可以相当容易地制造出易碎部件。髋臼杯就是一个很好的例子，它的结构精细，但质量要求高，硬刮刀可以证明它的优势。 EOS设备有两种不同类型的硬刮刀：HSS（高速钢）和陶瓷。根据所用材料的不同，必须选择不同的刮刀配置。对于大多数材料来说，使用高速钢刀片是因为即使刀片经过硬化处理，仍具有一定的延展性。因此，与陶瓷刮刀相比，与零件接触后出现缺口的风险较低。不过，如果在粗加工后出现缺口，例如由于支撑失效，则不必更换刀片，只需仔细打磨即可。 ▲ 陶瓷刮刀 如果材料是可磁化的，则必须选择陶瓷类型的刮刀。否则，粉末会粘附在刀片上，并在铺粉过程中产生条纹。EOS 产品系列中的此类材料包括 CX、PH1、17-4PH 或 MS1 等钢材。与高速钢刀片不同的是，由于陶瓷的脆性，无法磨削潜在的缺口。不过，这种材料非常耐磨。 2. 软刮刀 软刮刀的主要优点是在于铺粉过程中减少刮刀对零件的作用力。由于软刮刀更加灵活，因此如果摩擦力过大，刮刀可以让位；如果零件变形并粘连在粉末床中，刮刀可以在一定程度上适应零件的轮廓。因此，软刮刀的优势主要体现在两个方面： 1）能够更轻松地制造高纵横比零件和易碎特征； 2）降低因刮刀堵塞而导致工作中断的可能性。特别是在原型制造中，短期效果往往比确保零件质量更重要。这就是为什么许多服务提供商通常使用软刮刀，以满足紧迫的交货时间表。 之前在与硬刮刀的比较中已经简要提到了软刮刀的主要缺点。由于无法确保在整个成型高度上都能保持稳定的铺粉效果，刮刀的磨损增加会影响长时间成型作业的零件性能。此外，在零件变形的情况下，例如由于与基板的附着力不足，虽然工作仍在继续，但零件的尺寸精度很可能不符合规格。因此，工作的成功完成并不一定意味着零件符合规格要求。 不过，软刮刀是一种有用的工具，其需求是由应用驱动的。对于某些具有上述特点的应用，它可以成为最经济的解决方案：高纵横比、易碎特征或需要短期效果。 EOS 提供三种不同的软刮刀，一个是碳纤维刷刮刀，另一种是用于 EOS M 290 的上述两种聚合物刮刀：硅树脂和丁腈橡胶（NBR）。 碳刷刮刀配备了一组短碳纤维，安装在一个支架上。与聚合物刀片相比，它可能略有优势，但价格更贵。在与零接触的情况下，由于碳纤维可以在一定程度上向一侧弯曲，因此刮刀永久损坏的概率略低于聚合物选项。此外，摩擦力的影响更加局部化，因为零件只与一定量的纤维发生作用，这使其更适合制造易碎零件。 用于 EOS M 290 的两种聚合物刮刀也可用于大型框架系统 EOS M 400 和 EOS M 400-4。最简单的区分方法是看颜色：硅胶刀片是透明的，丁腈橡胶刀片是黑色的，但在性能和使用条件方面也有区别。NBR 材料的指定使用温度不超过 80 °C，而硅胶材料则适用于温度较高的构建工作。 ▲ 硅胶刀片（透明），丁腈橡胶刀片（黑色） 为了展示新型聚合物软刮刀的能力，EOS制作了一些高纵横比部件，并在其上印上 EOS M 290 字母，以进一步增加挑战性。该公司使用 Materialise Magics 制作了树支架，其最大纵横比为 66（直径 2.5 毫米，高度 165 毫米）。上面的 EOS M 290…

近日，3D打印技术参考注意到，墨尔本理工大学马前教授团队采用3D打印技术开发了钛合金晶格拓扑超材料，由此制造的结构具有镁合金同等密度（1.85g/cm³），但屈服强度大大提高。研究人员于2023年12月31日，在Advanced Materials在线发表了题为“Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength”的文章。需要指出的是，马前教授领导的团队于2023年还发表了Nature重磅研究(点击)。 DOI:10.1002/adma.202308715 机械金属超材料由互连的支柱、板、片或壳组成，其空腔或孔径范围为亚毫米到毫米级，通常以重复单元排列。它们是一类新兴的多功能材料，具有固体材料或传统多孔材料无法实现的多功能性。然而，很少有金属晶格超材料能够实现明显优于镁的机械性能，例如密度相似（≤1.8g/cm³），但屈服强度能超过200MPa。这使得这些新型轻质材料无法用于更广泛的应用，如需要显著承载和耐热或耐腐蚀特性的应用。 具有亚毫米至毫米通道直径的空心支柱晶格（HSL）金属超材料是机械超材料家族的新研究方向。粉末床熔融 (PBF) 增材制造技术的出现让制造挑战逐渐消除，其可以大大简化并能制造更为复杂化的拓扑结构。其中一个例子是通过LPBF技术3D打印具有复杂空心支柱晶格的Ti6Al4V超材料。此类结构表现出出色的结构效率，其机械性能超过了同等密度的固体支柱晶格（SSL）材料，使其成为高效的基于支柱的晶格拓扑。 3D打印的常规晶格结构与空心支柱晶格  但其仍然存在严重的结构缺陷，这些缺陷源于复杂的空心节点区域应力集中。这些应力集中会导致局部椭圆化和裂纹，造成晶格结构过早失效。引入节点加固可以有效减轻节点区域的应力分布，但研究发现这种策略仍然会导致负载未对齐的空心支柱中出现显著的接近零应力区域。 传统的固体支柱晶格（SSL）比相同密度的空心支柱晶格（HSL）弱，它不适合用于基于HSL的多拓扑设计以进行强化。最近的研究发现，薄板型格子结构（TPL）可以有效分布应力。为了在不妨碍其多功能拓扑的情况下提高空心支柱晶格（HSL）的机械包络，研究人员建议将TPL拓扑集成到HSL拓扑的内部中空空间中，创建协同薄板空心支柱晶格 (TP-HSL) 拓扑，以利用每个格子的结构优点。该策略与以前的多拓扑晶格设计不同，它是在晶格设计空间中随机或确定的放置各种晶胞单元。它创建了一个两级相干架构，提供高机械强度，同时是开孔的，以保留HSL拓扑的多功能，例如用于流体控制或混合、增强的仿生学和热导率控制。 研究人员提出的多种拓扑集成策略 研究人员提出多种拓扑集成策略，其中由亚毫米厚的Ti-6Al-4V片层组成的简单立方TPL单元嵌入到简单立方Ti-6Al-4V空心支柱晶格HSL的中空空间中，形成单一Ti-6Al-4V薄板集成空心支柱晶格（TP-HSL）。通过选择一致的晶胞设计（例如简单的立方晶格单元），可以轻松实现协同拓扑，因为支柱和板遵循一致的方向，无需晶胞操作。此外，这种TP-HSL拓扑结构旨在将所有负载未对齐的水平支柱牢固的互连到负载对齐的板，从而确保有效的应力分布，进而实现高结构效率。 HSL（左栏）和 TP-HSL（右栏）连续体模型进行各向同性线弹性分析 Ti-6Al-4V之所以被选为TP-HSL材料，是因为它具有中等密度、高强度、优异的耐腐蚀性以及在各种腐蚀性介质（海水、氧化酸、氯化物、火箭推进剂）中具有成本效益，同时它可以被用来使用LPBF工艺打印，还具有丰富的数据库，适合各种应用条件。这些特性使其成为许多关键应用的首选材料，也是金属增材制造领域研究最广泛的合金。 LPBF工艺制造的Ti-6Al-4V TP-HSL试样 不同密度Ti-6Al-4V TP-HSL和HSL试样对单轴压缩的机械响应及其失效模式 与现有金属晶格的性能比较 最终，由Ti-6Al-4V 3D打印的集成空心支柱晶格超材料的密度分布在1.0–1.8g /cm³之间，其相对屈服强度远远超过了所有蜂窝金属的经验上限，包括由各种金属合金制成的空心支柱晶格（HSL）和固体支柱晶格 (SSL)超材料。此外，它们的绝对屈服强度大大超过具有相当密度的镁合金，同时继承了Ti-6Al-4V的高耐腐蚀性、生物相容性、耐热性和其他独特属性。总的来说，钛多孔晶格拓扑超材料拓展了轻质多功能金属材料的边界。 本研究中设计的Ti-6Al-4V TP-HSL材料由于其密度低和高屈服强度（>250 MPa），再加上Ti-6Al-4V的固有特性，如良好耐热性（高达350 °C）、显著的耐腐蚀性和生物相容性，它们可以用作高超音速飞行器等要求严格的热防护系统的核心结构。特别是，当用高温钛合金Ti-SF61打印时，它们可以进一步在高达600°C的温度下使用。这些重要的特性也使它们成为钛无人机的潜在选择材料，用于近距离和延长飞行时间监测或扑灭丛林大火或严重工业火灾。其他应用包括用作植入材料以及在国防和航空航天领域替代镁合金部件的轻质结构（更轻、更强、更耐热、更耐腐蚀）。然而，对于需要高效流体流动的应用，这些TP-HSL设计可能不是最佳解决方案，因为它们会损害流体流动性。从设计角度来看，当前TP-HSL架构的结构效率可以进一步提高。 注：本文内容转自增材制造技术前沿。 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： 1.2023年国内3D打印领域被广泛关注的十大重要事件 2.四千字！2023年国内(准)工业级聚合物、陶瓷、砂型3D打印技术发展成就 3.五千字！2023年国内金属增材制造技术发展成就总结 4.汇总：2023年3D打印《Science》《Nature》正刊文章，共11篇

如今，权威学术杂志Science和Nature每年均会发布十几篇关于3D打印技术的研究，但真正取得商业化应用的却并不多。目前商业化最成功的3D打印Science级别研究，是2015年3月20日发表的“Continuous liquid interface production of 3D objects”一文。 这篇文章讲述的是连续液面成型技术。紫外光固化液态树脂3D打印被描述为已经历了三代产品发展：第一代是立体光刻技术（SLA），采用激光逐点扫描单一材料液态树脂；第二代被称为数字光投影技术（DLP、LCD等），使用投影实现图案的层曝光成形；第三代为连续液面制造技术（CLIP等），通过不同的窗口配置实现高达3000毫米/小时连续不间断制造，比传统光固化技术高25-100倍。此外还有树脂喷射技术，也属于光固化技术的一种。 CLIP技术是对传统DLP技术的发展。普通DLP的打印过程，要经历曝光、平台抬起、树脂填充以及平台下降再次曝光四个步骤的循环；而CLIP的打印过程要简单的多，它只有持续曝光和上拉过程。两者的区别一目了然，DLP打印过程中平台上升下降繁复，原因在于DLP成型时每一层成型完必须抬起足够的空间以流入树脂，再下降一定的距离保证分层厚度，而且新曝光的一层又极容易与树脂槽底部粘接（导致树脂槽寿命有限）。 传统DLP与CLIP技术的打印过程比较 CLIP技术依赖所谓Dead Zone的氧阻聚效应，可避免成形层与树脂槽的黏连，因而可以连续无间断打印，同时具有极高的制造精度。当年的论文指出，这项技术适用于打印软弹性材料 、陶瓷 和生物材料，并认为其有潜力将增材制造的实用性扩展到许多科学技术领域，并降低复杂聚合物的制造成本。 论文指出CLIP技术具有极高的细节制造能力 实际上，CLIP技术的开发公司Carbon3D也确实取得了巨大的商业成功。其打通了影响3D打印技术落地应用的几乎所有关键环节：软件设计、材料性能以及生产级别的打印速度，因此其不仅仅是一家3D打印设备制造商，还是一家材料商和软件公司。其开发出了影响至深的晶格设计和优化软件以及一系列可编程树脂，为商业化应用铺平了道路，获得多轮数亿美元的融资。 在商业模式方面，Carbon采取只租不卖的模式，按年收取费用。这一方面降低了终端用户尝试Carbon技术的初期投资压力，另一方面也使得终端用户在面临Carbon后期设备技术更新的时候，能更轻松的切换到更新版本的设备。 帮助其取得商业化最成功的助力无疑来自与阿迪达斯的合作，双方也可谓是互相成就。而如今，Carbon3D依赖Clip技术已经将3D打印应用覆盖至消费品、汽车、牙科、运动、工业等多个领域，在17个国家/地区拥有客户，合作伙伴多为国际大牌，并持续在全球范围内扩张。 Adidas 3D打印运动鞋底的成型过程 尤其值得注意的是，该公司在取得商业化成功后并未如同当年的其他独角兽一样进行一系列收购，而是专注于这项技术的商业发展。而Desktop Metal就是典型的反面案例。 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： 1.3D打印新突破！2024年第二篇Science研究！ 2.国金证券：消费电子钛合金打造百亿蓝海，3D打印进入“2.0时代” 3.工人就业会影响建筑3D打印的未来发展吗？ 4.2024年13份重要的增材制造科研期刊

Fraunhofer ILT正在使用Cailabs公司开发的CANUNDA波束整形系统开展粉末床激光3D打印研究。其使用光斑直径均为180μm的高斯光束和环形光束，均以1800mm/s和1kW的速度在Aconity机器上打印镍基合金。 通过将光束整形为贝塞尔环形光束，实现了以下效果： 允许粉末在打印过程中获得更好的热分布，速度大于10米/秒的粒子减少了4倍； 通过环形整形向保护窗喷射的颗粒明显减少； 由于光束整形，可以在不损坏保护窗的情况下在整个平台上打印； 同时，环形光束使打印速度可以进一步提升，使生产效率更高，从而提高机器的投资回报率。 双方正在开发能够兼容更大功率激光器的设备，目标是到2024年实现比当前技术水平快10倍的打印速度。 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.光束整形+优化球形粉末质量，使3D打印速度提升9倍 2.航天增材专家：超大尺寸、超多光束SLM 3D打印设备的应用场景、前景及问题分析 3.光束整形技术对提高金属3D打印质量、获得定制组织、降低成本具有重要价值 4.2024年13份重要的增材制造科研期刊

2023年度，DED技术科研成果丰硕，不仅登上《Nature》，更有69篇刊发在增材顶刊《Additive Manufacturing》。本期盘点让我们一起来回顾2023年这些颇具前瞻性和创新性的DED领域技术进展和突破。 ●合金设计与增材制造结合，实现钛合金强韧性新突破 2023年5月，皇家墨尔本理工大学、悉尼大学与香港理工大学合作，将合金设计与DED-LB工艺相结合，成功制备出了具有出色拉伸性能的钛合金（α-β Ti-O-Fe合金）。该研究结果可以开拓包括航空航天和能源在内的各个领域的应用前景，并通过从工业废料和低品位材料中生产这些合金来促进可持续性，对经济和环境的影响将是巨大的。相关论文以“Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing”为题发表在《Nature》上。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6 ●异质多丝间接电弧增材制造原位合成Al-Zn-Mg-Cu合金 2023年6月，河北科技大学、河北省材料近净成形技术重点实验室、电子科技大学和里斯本新大学团队联合在《Additive Manufacturing》期刊发表题目为“A novel heterogeneous multi-wire indirect arc directed energy deposition for in-situ synthesis Al-Zn-Mg-Cu alloy: Process, microstructure and mechanical properties”的论文，研究了新型异质多丝间接电弧增材制造原位合成Al-Zn-Mg-Cu合金构件的工艺、显微组织和力学性能。结果表明，送丝速度、电流和两丝之间的角度对多丝间接电弧增材制造工艺有显著影响。 论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042300252X ●通过丝材定向能量沉积制造钢墙的环境和经济评估2023年1月，NOVA 科技学院在《Additive Manufacturing》期刊发表题目为“Environmental and economic assessment of a steel wall fabricated by wire-based directed energy deposition” 的论文，使用生命周期评估（LCA）和生命周期成本计算（LCC）方法来评估电弧增材制造的环境和经济效益，本文使用的方法可以扩展到其他制造工艺。这项研究结果可以帮助制造商根据环境影响和生产成本选择制造工艺。论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422007059?via%3Dihub ●DED制备SS316L/IN718 功能梯度材料的综合研究2023年1月，德克萨斯大学和美国爱达荷国家实验室合作，在《Additive Manufacturing》期刊发表题目为“Comprehensive studies of SS316L/IN718 functionally gradient material fabricated with directed energy deposition: Multi-physics & multi-materials modelling and experimental validation”的论文，通过建立一种新颖的多物理场和多材料热流体模型，来预测材料成分梯度、金属功能梯度材料的几何形状和构建过程，并使用该模型模拟了SS 316L/Inconel…

此前，3D打印技术参考报道了3D打印机制造商BCN3D推出的一种新型高粘度树脂立体光刻制造Viscous Lithography Manufacturing(VLM)技术，它能够打印的树脂年度是传统DLP、SLA工艺中使用的高粘度树脂的100倍。 自推出以来，已有500多家公司签署了VLM技术采用计划。这些公司横跨多个行业，包括汽车、航空航天、制造业、消费品、鞋类、听力学、医疗保健和国防。 低粘度与高粘度树脂对比 高粘度树脂具有更高的机械性能 高粘度树脂为生产高强度零件创造了条件，根据报道，该技术打印的零件具有高达三倍的抗冲击性和两倍的抗撕裂强度。此外，随着对传统环氧树脂的安全限制可能增加，更多的制造商可能会关注VLM技术加工的粘性树脂。VLM技术还支持双材料3D打印，允许用户将两种不同的树脂组合成一个结构。 VLM依赖于紫外光和LCD屏幕。但与大多数其他LCD 3D打印机不同，该技术利用了一种特殊的机械系统，首先将树脂层压到薄膜上，然后该薄膜会被运送到树脂固化的构建区域，再通过曝光实现切片层的成型。虽然高粘度树脂可以通过加热来改变粘度，但BCN3D认为，加热会影响树脂中的光引发剂，从而导致性能发生意外变化。事实上，VLM过程依赖于低温来确保打印成功，因为树脂需要始终保持粘性。 高粘度树脂层压与打印过程由于VLM树脂可以在两种不同的薄膜上（左右两个树脂槽）层压和固化，因此可以加快打印时间，甚至可以将两种树脂组合用于多材料部件和可溶性支撑结构——这是当前树脂3D打印市场上未曾见到的功能。对于VLM工艺，只需在层与层之间的薄膜之间切换，就可以实现多种材料，从而实现多种颜色甚至多功能组件。零件的一部分可以设计得更坚固，而另一部分可以打印得更柔性。树脂将存储在打印机两侧单独的墨盒中，而用于附着树脂的薄膜则是易耗品，每张薄膜支持数百小时的打印。VLM零件仍需要清洗和固化，并且通过内部清洁方法避免树脂之间的交叉污染。 两个树脂槽可同时用于层压 此外，BCN3D的VLM工艺在室温下使用单组分树脂配方，因此无需担心适用期限制。层压机制还意味着机器理论上可以避免浪费。通过使用由UV灯和LCD屏幕，无论一次打印1个部件还是100个，VLM都能提供恒定的每层打印时间，从而具有极高的吞吐量。此外，由于它不受树脂槽尺寸、复杂温度或其他组件的限制，因此按比例放大所需的只是更大的LCD屏幕。这种快速成膜和大表面积成型的结合使VLM成为市场上使用高粘性树脂的最高效的增材制造解决方案。 赛车运动公司Prodrive是最早利用VLM的公司之一，使用该技术3D打印直接集成到其越野车中的最终用途零件，这种材料的耐用性是其在Prodrive取得成功的关键因素。Prodrive的设计工程师Callum Harper表示：“VLM使我们能够继续使用我们所熟悉的工程材料，但在所有三个方向上的分辨率都要高得多，而且材料更均匀，使成品零件的行为更像传统的注塑零件。”在与一家汽车玻璃制造商的合作中，使用新的3D打印工艺在7天内制造了7000个定位夹具，每个零件的成本仅为0.79欧元，可每年为这家公司节省70000欧元。VLM技术3D打印的应用产品 3D打印技术参考于近日注意到， BCN3D已将该技术的开发部门剥离，成立了独立品牌Supernova，BCN3D则将专注于基于挤出技术的核心业务。 根据Supernova的说法，VLM提供的独特性能使该技术能够比当前其他3D打印树脂更接近注塑塑料。因此，该公司声称可以解锁“真正的生产应用程序”，提供一种结合质量、生产力和每个零件具有竞争成本的技术。 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： 1.3D打印行业经济展望：大多数业内领导者对2024年实现增长保持乐观 2.年后第一大展！AM CHINA增材技术/粉末冶金/先进陶瓷，要对比着看！ 3.2024 TCT亚洲展预约参观通道正式开启！ 4.2024 SAMA增材制造大会详细报告名单公布！挖掘增材制造多领域应用潜能

熔池是金属的液态。在电子束粉末床熔融工艺中，当电子束的能量击中金属粉末的表面，电子的能量转化为热量。这种产生的热量融化了靠近光束位置的金属颗粒，随后将金属变成液体熔池。当光束从熔池中移开时，液体再次凝固成固体金属，这样粉末颗粒就熔合在了一起。在增材制造中，粉末床上的熔池(以及随后的熔合)面积非常小，通常深度小于0.5mm，面积小于1mm2。当电子束在粉末床上移动时，熔池也以同样的速度移动。当电子束移动时，可以实现点、线、面的熔，电子束通常以1米/秒或更高的速度移动。熔池尺寸不会因打印而有很大的变化，但根据不同的设置，可以在不同的材料和不同的工艺设置中获得不同的熔池尺寸（如改变层厚度）。 01熔池大小如何影响最终零件的质量 工程师通常希望根据需要的最终零件性能来优化熔池的大小。如果对熔池控制不好，优化的过程可能会失败。如果熔池太小，如小于粉末颗粒，那么一次只能熔化一个粉末颗粒，粉末颗粒之间甚至不能彼此熔合在一起，便无法得到致密的零件，这会导致零件内产生孔隙和不完全熔化的区域增加，从而导致较差的机械性能。如果熔池太大，会导致表面质量不好，或者零件微观结构不佳。当熔池非常大时，会产生液体波，当该区域冷却时，会产生波浪状的表面。此外，如果熔池太大，熔化的粉末太多，在零件下表面将非常糟糕。电子束3D打印工艺的优化要兼顾零件性能、表面质量以及系统的生产效率。 EBM制造的汽车零件展示典型的支撑结构 02冷却速度如何影响零件的微观组织  冷却速度非常重要。当光束击中熔池时，熔池处于液态，当光束离开时，液体冷却并凝固成为固体金属。熔池的大小、形状和凝固是由能量束的能量分布和用于熔化零件的扫描路径控制的。通过优化光束参数和扫描路径，可以获得致密的材料。如果熔体冷却得太快，那么液体就没有足够的时间来填充所有的空间，从而导致裂缝、易碎的材料或错误的微观结构——例如，不希望的枝晶微观结构。如果熔池太大，它将需要很长时间来冷却，微观结构将变得太粗大。越快的冷却会得到越精细的微观结构，所以需要优化冷却速度来得到想要的微观结构。 电子束一次熔化多个区域的纯铜粉末 电子束3D打印的铜结构 对于不同的材料来说这是不同的，因为有些材料对如何冷却熔体非常敏感，而其他材料则不然，通过改变熔体的冷却来实现不同的微观结构对于某些应用来说是有益的，因为每种类型的微观结构给零件带来了不同的机械性能。 03熔池对使用的材料有影响  EBM技术的熔池与其他增材技术有所不同。尽管原理相似，但基本的物理原理是不同的。这是因为电子被用作能量源——它们几乎可被任何材料吸收，可以与通常反射光的材料一起使用（与其他工艺不同），并且电子被吸收的深度比其他3D打印工艺略深。 EBM唯一不适用的是打印非导电材料。所以，物理原理是不同的。在EBM中可以将熔池控制在比其他方法更高的温度，这有利于设计用于高温应用的材料，如飞机发动机叶片。对于Ti64来说，因为可以在更高的温度下控制熔池，所以不会因为快速冷却而在零件中产生热应力——但这更多地是基于整体构建温度，而不是熔池本身。此外，熔池会影响零件的微观结构以及零件中孔隙和裂纹的水平。由于整体构建温度较高，EBM中的熔池冷却速度比其他3D打印技术慢一些，而且通常会获得稍微粗大的晶粒结构——这对某些应用有利，但有时却也不利。跟其他增材制造工艺一样，EBM技术的熔池应根据应用进行定制。 04熔池对EBM打印TiAl合金的影响 对于像TiAl这样的高温材料，熔池的控制并不是唯一需要优化的部分。在整个构建过程中保持高且均匀的温度是非常重要的。否则，熔池的冷却速率和随后形成的显微组织可能在整个零件中不同。这可能导致不均匀材料特性。对于TiAl合金，必须考虑的另一个方面是，熔池会影响构建的性能，合金中的铝达到了沸点，从而减少了零件中的铝含量。这会影响零件的材料性能，但这可以通过从一开始就在合金中添加更多的铝来防止。 EBM 3D打印的TiAl合金叶片 EBM使用磁线圈来控制光束轨迹，光束可以在任意方向上偏转，并在粉末床的不同区域进行跳跃。因此，可以使用EBM创建许多不同的“熔池策略”。例如，可以用图案填充来熔化零件的内部区域，可以用线熔化策略熔化轮廓。 每一种策略都集中在控制熔化上。如果在一个特定的方向熔化，也在那个方向移动熔池(并且在一个特定的方向凝固)；如果你在一条线上熔化，可以在一个方向上有一个拉长的熔体池，或者也可以有一系列较小的“点”熔化。 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.光束整形+优化球形粉末质量，使3D打印速度提升9倍 2.光束整形技术对提高金属3D打印质量、获得定制组织、降低成本具有重要价值 3.盘点：2023年值得关注的3D打印新材料、新工艺和新应用突破 4.发表于Nature：通过增材制造获得高强、高延展高熵合金

随着金属3D打印装备做的越来越大，为打印更大尺寸的零件提供了可能。但目前遇到的问题是，大尺寸的零件数据量很大。从原始设计，到转化为可3D打印的数据格式，还存在转换误差；对零件模型添加支撑或者进行打印过程监控，所产生的数据量已经到达了新的高度，影响到了用户当前的便捷使用。这也是当前诞生出很多新的数据格式的原因之一，但其依然依靠数据格式转换，在应用过程中并不便捷。 01数据流转3D打印面临的现实问题航空航天领域零件3D打印已经成为增材制造服务的重要来源，增材制造也已成为火箭推进器和发动机的完美制造方法。对于太空应用的发动机部件，重量是一个重要因素，增材制造为设计空间带来了无限的可能性，它使用户能够大幅减少质量并快速迭代新设计。 借助于3D打印技术，用户可以在几周内完成从设计、制造到组装和热火测试的整个过程。而传统上，完成一次设计迭代需要数年时间。3D打印带来的效率提升无疑是革命性的，这也是航空航天领域大力发展3D打印技术的重要原因。 但采用3D打印技术制造零件，仅打印部分就涉及到多个环节，如数据格式转换、修复、摆放、添加支撑，为后续的机加工添加预留以及设计夹具等等。所使用到软件可能不止一个。数据在流转过程中，容易出现各种问题。行业内仅有少数公司关注到了该问题，使这些流程能够在一个软件内完成。 其中一个例子是美国太空推进解决方案提供商Agile Space Industries，其提供从设计、3D 打印服务、减材制造到测试能力的多种服务。通过使用Oqton的工业 3D打印软件3DXpert为其生产流程带来了极大便利。 02数据转换与切片造成高精细特征失真 在3D打印制造的过程中，工程师通常需要将数据文件转化为STL文件才能进行切片，这实际上存在很多问题，如修复错误，其中最大的问题之一是对原始几何形状的转换误差。 Agile Space Industries增材制造总监Kyle Metsger表示，“我们的每一个组件都具有精细的通道、精细的特征和严格的公差。当采用CAD数据转换为STL模型时，精细的原始几何形状会转换为近似值，从而会带来误差。由于打印打印数千的孔和通道，因此尺寸变化很难控制。” 该公司增材制造高级工程师也表示，"转换为STL会导致几何图形出现偏差，这也意味着我们正在以未知的方式重新定义特征，这是一种风险。我们所有的产品都是性能驱动的，但性能本质上来自于功能。我们越忠实的进行数据准备，越精细的分辨率越能体现最终设计。” 修复STL是可能的解决方法，但根据经验，编辑客户的几何数据很难确保完全满足法规要求。在这种情况下，Agile Space Industries选择使用3DXpert进行数据处理，其增材制造总监指出了3DXpert为其切片流程带来的多项优势——节省时间、消除可变性和降低硬件要求。这些源于一项功能：使用3D打印机指定格式，对三维模型进行切片计算。 03快速数据准备不必考虑计算机内存 采用3DXpert最大的改进之一是切片时间、硬件要求和文件大小。 由于许多内部功能和高分辨率，航空航天领域制造的许多组件的CAD模型数据量都非常大。复杂的CAD几何形状会产生大型STL文件，计算机在运行过程中需要大量内存。 当将航天领域的一个CAD模型转换为STL时，它可能会达到1GB或更大。该大小的文件的硬件要求逐渐增加。上述用户曾经遇到过这样的情况：在其他数据准备软件中移动文件，加载就需要20分钟；对于一个4英寸的推进器喷射器组件，数据准备需要14小时，并且STL文件中存在1到5微米的偏差。这对他们的工作流程产生了重大影响。 在3DXpert中，可以对原生CAD模型进行切片，并且对电脑内存的要求要小得多。“我们过去常常在工作日进行数据准备，然后让计算机通宵运行来对文件进行切片。我们无法在同一天打印该零件，借助3DXpert，我们发现从数据准备准备到机器的总时间减少了60%到70%。”Metsger 补充道。 04一个数字线程防止产生传输错误 3DXpert的另一个重要优势是可以轻松为在不同位置运行的项目创建单个连续的数字线程。Agile Space Industries在宾夕法尼亚州芒特普莱森特和科罗拉多州杜兰戈的两个工厂生产零部件。两个站点之间的顺畅通信和文件传输是其运营不可或缺的一部分：“当创建关键任务组件时，即使是数字线程中的小错误也是不能容忍的。我们需要在整个制造过程中建立一条无懈可击的数字主线。” “3DXpert软件减少了数字线程中的痛点和瓶颈。将我们所有的数据准备工作集成到一个软件中，简化并减少了转换过程或团队之间简单交接中发生错误的可能性。”Graybill 补充道。 END 事实证明，该软件对于保持数据准备之间的一致性至关重要。当开发工程师将零件交给生产工程师进行数据准备准备时，最好的做法是“锁定”一组参数并限制可以更改的内容，以确保零件保持不变。 总结来说，3DXpert节约了60%-70% 3D打印数据处理的时间，通过直接从CAD模型进行切片来避免设计误差，同时该软件极大压缩了模型数据的大小，这对于航空航天领域大尺寸零件3D打印制造来说至关重要。  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.白皮书：美国国防中如何使用3D打印技术 2.橡树岭：原位中子衍射揭示3D打印「受控」应变演化的机制 3.2023年国内3D打印领域被广泛关注的十大重要事件 4.视频：3D打印被列入《2024产业结构调整目录》重点鼓励技术