当前，增材制造与人工智能(AI)技术都已独立掀起了应用革命，重新定义了各自领域的可能性，但正两者的融合正在为制造带来更多潜力。本文将从优化设计到质量控制需求，探讨人工智能和3D打印技术的交叉点，特别阐述生成式人工智能如何增强增材制造的能力。最后，将讨论两者结合面前所面临的挑战。   01人工智能如何增强增材制造 随着3D打印领域的不断发展，人工智能(AI)的集成已被证明是一股变革力量，引入了增强功能和无数专为增材制造定制的方法：  1. 衍生式设计：人工智能在设计优化方面的能力非常出色。考虑到最初的限制，人工智能探索了无数的设计变化，产生了比人类所能设计出来的更轻、更坚固和更高效的零件。 2. 流程优化：人工智能能够对制造流程进行微调，保证打印质量的一致性。根据传感器反馈调整打印速度、层厚或温度等参数，确保最佳打印条件。 3. 用于质量控制的机器学习：增材制造的质量保证受益于人工智能的分析能力。先进的机器学习模型，例如卷积神经网络(CNN)，可以评估打印组件的图像以识别缺陷或设计偏差。 4. 预测性维护：利用人工智能分析运行数据，可以提前进行设备维护。这减少了计划外停机时间，确保制造过程顺利高效。 5. 材料创新：人工智能的实力已延伸到材料选择和创新。它有助于挑选合适的材料，并建议针对所需特性量身定制新组合。神经网络模型可以预测新型材料的特性，甚至在生产之前就可以提供见解。 6. 强化学习促进流程细化：持续改进对于增材制造至关重要，不断强化学习通有助于实现更好的材料特性或表面质量。 7. 通过NLP进行文档记录：人工智能采用自然语言处理(NLP)技术来自动更新或创建与设计更改保持一致的文档。  人工智能会影响3D打印的多个环节02生成式人工智能的兴起及其影响 生成式人工智能是一种能够根据学习到的数据模式生成新内容或设计的人工智能，这项技术给增材制造领域带来了多方面的影响。近期，ChatGPT展示了其在各个领域的影响力，凸显了生成式人工智能在制造业的变革潜力。  生成式人工智能最显著的优势之一是其快速促进设计进化。该技术无需延长开发周期，而是可以快速生成针对特定约束的多种设计选项，从而简化从初始概念到最终设计的过程，并减少多次原型设计迭代的需要。设计处理的加速伴随着创新的冒险。生成式人工智能不受人类偏见或传统设计范式的限制，使其能够探索独特的设计途径，乍一看似乎违反直觉，但有可能带来创新的解决方案。   除了单纯的设计之外，生成式人工智能的能力还扩展到前所未有的定制规模。无论是根据个人独特的生理机能精心定制的假肢，还是设计在特定环境条件下发挥最佳性能的工程汽车组件，生成式人工智能都将个性化置于制造的中心。这种对精度的承诺不会以牺牲可持续性或效率为代价。通过优化设计，生成式人工智能可确保使用尽可能少的材料来制作产品，将强度和功能结合起来，不会造成浪费。这种资源效率不仅支持可持续制造实践，而且被证明具有成本效益。 与3D打印流程的无缝集成是生成式人工智能的另一个特点。其本质上的数字优先设计可以顺利过渡到增材制造世界，确保产品的物理表现与其数字蓝图完美契合。更有趣的是，生成式人工智能并不是静态的，而是动态的。它在不断发展，通过每个反馈循环，从用户响应到性能指标和新发现的材料特性，它都会完善其设计建议，使它们更加复杂并与现实世界的要求紧密结合。 如今，生成式人工智能和增材制造的结合带来了一个设计高效、可定制、不断发展的未来，重塑了制造业的结构。 03应对挑战 虽然生成式人工智能和增材制造的融合有望带来革命性的设计和生产方法，但它也并非没有挑战。认识到这些挑战并制定解决这些挑战的策略将是充分发挥这种整合潜力的关键。  1. 计算需求：生成式人工智能模型可能需要大量计算，特别是在处理复杂几何形状和约束时，使用者可能需要投资高性能计算集群或利用云平台。 2. 数据质量和可用性：生成式人工智能的有效性通常取决于其训练数据的质量和数量。数据不足或有偏差可能会导致设计不理想甚至有缺陷。 3. 解释人工智能输出：有时人工智能生成的设计可能是违反直觉或非常规的，工程师和设计师必须严格评估这些输出，确保它们符合安全标准和实际考虑。 4. 与现有系统集成：引入人工智能驱动的设计流程可能需要对现有设计和制造工作流程进行重大改变，无缝集成对于避免中断至关重要。 5. 材料限制：虽然人工智能可能会产生复杂而新颖的设计，但当前适合3D打印的材料范围可能会限制它们在现实世界中的适用性。 6. 知识产权问题：确定人工智能生成的设计的所有权和专利性可能是一个法律灰色地带，使用者需要应对这些挑战以保护创新。 7. 可靠性和测试：人工智能设计的产品需要严格的测试，特别是在航空航天或医疗设备等关键应用中，传统的测试协议可能需要调整或扩展。 8. 成本影响：虽然生成式人工智能可以节省材料和设计优化的成本，但人工智能基础设施、培训和集成的初始投资可能会很大。 9. 人机协作：生成式人工智能的最佳用途不是取代人类设计师，而是增强他们的能力。建立人类和人工智能共同工作的协作框架可以产生最佳结果。 10. 监管和认证挑战：产品，尤其是受监管行业的产品，必须符合特定标准。监管机构可能需要调整其框架以适应和验证人工智能生成的设计。04结论 展望未来，生成式人工智能和3D打印的结合预示着设计和生产的边界会不断扩大并将重新定义未来。人工智能和增材制造之间的协同关系具有变革性，象征着技术与创新制造错综复杂的未来。然而，当我们在这一创新之旅中前行时，我们必须以战略远见来应对挑战，确保这种技术共生不仅是创新，而且是维持和发展，不断推动走向无限创新的未来。 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 2.将碳纤维增强3D打印用于第22届全国大学生机器人大赛 3.为量产而生！峰华卓立粘结剂喷射金属3D打印技术重大升级 4.颜永年教授：发展大型高效激光金属熔化3D打印装备，助推我国航天航空制造发展

光束整形在金属3D打印领域偶有提及，关注不多。但知名的研究机构如德国Fraunhofer IAPT以及美国LLNL国家实验室均在该技术领域进行着深入研究，甚至已经有打印机制造商的参与。金属3D打印要成为重要的工业化生产技术，必须稳定可靠，而多方均已认识到光束整形对于金属增材制造的价值。 Fraunhofer IAPT的光束整形研究可将金属增材制造生产率提高2.5倍，并将工艺稳定性提高40%。该机构的负责人表示，光束整形技术能够实现最佳的熔池能量输入。实际上3D打印技术参考此前也报道过，另一家知名的研究机构劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员也在探索高功率激光打印中常用的高斯光束的替代形状，以规避打印过程中出现的缺陷，颜永年教授也曾在演讲中提到过该技术。 01什么是金属增材制造的光束整形？ L-PBF技术当前所使用的光斑呈现高斯分布，但这种光束的能量分布并不完美。高斯分布是指根据高斯函数形成的分布或曲线，通常称为正态分布或钟形曲线。高斯函数的形状是对称的，许多激光器在能量强度分布方面都符合这种分布。 高斯分布导致能量分布不均匀，因中间能量过多，一些低熔点合金元素会发生汽化，这会造成“熔池行为不稳定”并损害工艺的稳定性。同时，高斯分布的外边界通常能量不足，导致熔化不彻底。在L-PBF 3D打印过程中使用高斯光束，会导致激光与金属粉末相遇处产生较大的温度梯度和复杂的熔池不稳定性，产生强烈的蒸气，并在构建过程中在金属基底中形成一个深腔，即形成钥匙孔。匙孔会在熔池中产生气泡，形成气孔，导致成品零件的机械性能下降。不同激光形状的温度分布以及所得横截面 在这种本身就不稳定的情况下，去优化工艺，本身就充斥着各种不确定性。平顶轮廓被认为可以解决这些问题，但这带来了热量不均匀的挑战。Fraunhofer IAPT则引如了“环形轮廓”的想法，它可以实现更一致的温度分布。实验证明，光束整形可以增强“工艺稳定性”并显著提高生产率。 激光束轮廓与相应应用的匹配越高，能量输入和相关工艺稳定性就越好。这最终会带来更高的工艺效率和生产率，并降低制造成本。 02为什么汽化会严重影响3D打印过程 如果熔池稳定性下降，就会出现飞溅效应。过多的能量输入导致局部汽化增加，因突然膨胀而产生反冲力，将材料垂直推出熔池。当与激光束相互作用时，这些飞溅粒子会独挡激光，从而削弱到达粉床表面的能量，而且这些飞溅可能落到粉床表面导致零件内产生夹杂或者未熔合。以上这些现象无疑都会造成缺陷的产生，而且循环往复，导致更加严重的缺陷甚至事故。   熔池周围的压力梯度也会导致飞溅产生，伯努利效应引起的湍流可能是另一个需要考虑的因素。在激光加热过程中，光束路径周围会产生湍流，湍流能将半烧结颗粒拉回到熔池中。总的来说，飞溅的来源有两种情况——熔池内和熔池边沿。  03L-PBF技术中的光束整形有哪些选择？ 激光光束整形是将激光光束转换成特定图案、形状或强度分布的过程，以针对特定应用优化其性能。为了提高激光的能量利用率，常常需要把高斯分布或其他非均匀分布的光束整形成均匀分布，以满足特定的结构或应用要求。激光光束整形技术在激光领域中发挥着极其重要的作用。 使用激光粉末床熔融(L-PBF)进行光束整形有多种选择——直接在光纤激光器内进行整形，另一种方法是在光路中使用光学元件进行整形。 对于前者，一家名为nlight的公司面向金属增材制造市场推出了所谓可编程的激光器，可以在单模光束和其他光束轮廓之间切换而不需要在光路上使用光学元件。它所提供的环形模式几何形状光斑可稳定大型熔池，减少灰尘和飞溅，提高打印质量。离散光束轮廓可以每秒快速选择30次，为控制熔化和凝固速率、物理微观结构和热应变提供了新的自由度。   Fraunhofer IAPT使用nlight公司的AFX-1000可编程激光器获得的不同激光光斑 Nlight激光剖面图及不同情况下的打印情况 但是目前流行的做法还是通过光学元件进行整形。例如，LLNL的研究人员将激光穿过两个锥形透镜及其他光学器件和扫描器，在中心光束周围形成环状，从而获得了贝塞尔光束形状。研究人员使用实验室的商用3D打印机，用该实验装置从不锈钢粉末中打印出了立方体和其他形状。为了研究激光束整形实验的效果，研究人员使用了高速成像。对熔池动力学的观察表明熔池湍流和飞溅显著减少。与此同时，研究发现使用贝塞尔光束比传统高斯光束制造的零件更致密，拉伸性能更高。 LLNL研究人员对光束进行整形获得贝塞尔光束原理图 高斯光束和贝塞尔光束熔融过程中的高速快照 通过结合简单的光学元件进行光束整形来提高L-PBF 3D打印金属部件的质量，具有更高的成本效益。实际上这是光束整形技术选择的权衡问题，每种选择都有其独特的优点和挑战。而对于L-PBF未来潜在的发展，稍微偏移的环形轮廓可能有利于熔池的加热和冷却动态。 04减少飞溅、稳定打印，定制微观结构 Fraunhofer IAPT研究人员指出，通过光束整形，L-PBF打印过程中的飞溅减少了30%至40%，从而减少了构建失败的几率。与此同时，还可以对同一零件的不同位置定制所需微观结构，从而无需热处理或其他表面处理就能使零件获得诸如内部高韧性而表面硬化的特性。这无疑是通过其正在研究的可编程激光而获得的优势，因其可以在制造过程中切换光束形状来得到所需的能量分布。 除该机构之外，滑铁卢大学的研究人员也指出，光束整形被认为是一种修改打印部件微观结构的新方法，研究发现，椭圆光束可获得更细的等轴晶粒、更高的泰勒因子和机械性能。 05可提高整体制造效率 除可定制微观结构外，光束整形还可带来打印效率的提高。在近似打印参数条件下，光束整形后打印效率可以提高1.5-2.5倍。Fraunhofer IAPT研究人员指出，如果最大限度减少后处理，提高金属生产的打印效率，可以将成本降低三倍。 LLNL研究人员同样指出，L-PBF技术若若进行光束整形后则无需像使用高斯光束构建的部件那样进行昂贵且耗时的后处理。 END 通过光束整形，可以减少高斯光束制造零件通常需要的后处理技术所涉及的费用、缩短时间，比交替扫描成本更具明显优势。坚固且无缺陷的零件生产以及以经济高效的方式打印大型结构是大势所趋。为了使3D打印真正与工业标准兼容、超越传统制造方法、避免交替扫描技术带来的集成性挑战，需要不断探索光束整形，使其广泛应用于各种金属的打印，并将其纳入商业3D打印系统。 实际上，光束整形技术的研究与商业化都在加快。根据Fraunhofer IAPT的说法，其正在多家金属3D打印设备制造商共同研究，也许不久会有能够进行光束整形的金属3D打印机面世。 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.美LLNL国家实验室：通过光束整形，3D打印更光滑、孔隙率更低的超高密度零件 2.「3D打印态」钛合金具有均匀且不间断的柱状晶，获得良好的抗蠕变和抗疲劳性 3.为量产而生！峰华卓立粘结剂喷射金属3D打印技术重大升级 4.颜永年教授：发展大型高效激光金属熔化3D打印装备，助推我国航天航空制造发展

2018年，峰华卓立基于砂型3DP技术的多年积累开始探索金属和陶瓷3DP技术装备。2020年推出了自主研发的第一代下送粉的粘结剂喷射金属打印装备BJM430，2022年推出第二代上送粉BJM460机型。至2023年，随着市场需求的不断扩大，峰华卓立面向批量化生产客户推出了第二代升级款BJM460金属打印装备。相比于之前，在结构上进行了优化和改进，在性能和功能方面进行全面的提升和完善，配置了全产业链的附属设备。 第二代升级款BJM460展示图 升级款BJM460，是面向批量生产客户的而设计的高效金属增材制造装备，凭借其大小缸配置、产线优化、开源策略等优点，已经在汽车、粉末冶金、机械模具、教育科研等行业获得了良好的工业应用。 01全面优化，高效生产 喷头负压管理+在线监控+多层压实 第二代升级款BJM460在上一代的基础上进行了优化； 升级打印系统矩阵式布局，喷头分辨率为400/720/1440dpi，客户可以根据精细度、打印速度、不同应用场景等需求选择不同分辨率的喷头。 配置喷头独立负压管理系统，打印自动纠错优化算法，喷头系统可单独工作也可以联合工作，避免打印系统因单个喷头损坏而导致工作终止，提高了设备的稳定性和可靠性。 提供在线监控功能，实现实时打印过程中自动纠错、喷头自保湿和自清洁功能；水基低碳粘结剂的成功使用，喷头使用寿命可超过2年，售后维护成本更低。 粉末多层压实功能，生坯打印致密度提高10%，可达68%左右。 02大小双成型缸 研发与批量生产兼备 秉承创新理念，BJM460拥有大小缸配置，集研发与批量生产一体，成型缸为大小缸（160*125*80mm & 460*375*300mm）设计，能满足多种材料打印测试需求，也能满足航空航天、汽车、医疗、科研、模具等行业大尺寸和批量打印成型需求。 在科研行业和制造领域，用户可使用小成型缸进行工艺、材料开发，有效降低用户的开发和工艺验证成本；当成型大尺寸零件或批量生产时，则使用大成型缸，减少了设备重复投入的经济成本，降低了不同设备带来的工艺风险。总的来说，用户可以利用大小成型缸技术，完成从样件到批量生产的快速导入，从而更好地满足市场需求。 03一体化集成解决方案 产线定制+模拟仿真+烧结控制 客户可根据需求，选配自动送粉装置、除尘循环系统、转运小车、固化炉、清粉及粉末回收装置、真空脱脂烧结炉等辅助设备，从而提高整个生产流程的安全和效率。辅助设备的配置能够减少对人力的依赖，改善工作环境和劳动强度，确保粉末回收利用率超过95%。此外，峰华卓立为客户提供定制化的高真空脱脂烧结一体炉，可以用来适配多种金属材料烧结，特别是氢气还原系统，可以用于钛合金的烧结。通过定制化，该公司可以快速的帮助客户完成烧结和工艺测试。 BJM460产线配置及工艺流程方案 生坯烧结过程中的收缩变形是当前金属3DP技术面临的主要挑战之一。由于不同材料的热膨胀系数不同、升温和降温速度不同、结构复杂等原因导致生坯会发生不同程度的收缩变形。这种变形将直接影响产品的精度、尺寸和表面质量，可能导致打印件无法达到客户所需的精度要求，甚至无法正常使用。为了解决这个难题，峰华卓立采用烧结模拟仿真软件，对材料进行热分析和流体分析，模拟烧结过程中的变形情况，并在打印之前通过校正和补偿来消除收缩的影响，有效控制产品收缩，其收缩率偏差可控制在±1%以内。 目前，3DP技术的发展确实面临着许多技术和工程难题，其中如何保证在高速打印过程中仍能保持较高的产品精度和质量，以及使打印后的生坯密度分布更加均匀并达到较高的强度等问题尤为重要。 峰华卓立一直致力于技术创新和产品研发，不断地探索和应用新的方法和技术来解决这些问题。目前，该公司自主研发的第二代升级款3DP金属打印装备BJM460在这些问题上取得了显著的进展：生坯尺寸精度±0.1mm，2 Pass打印平均速度20s/layer，这意味着它能够在较短时间内完成复杂的3D打印任务。同时，在生坯的强度问题上，也做了深入的研究，并采用了一系列先进的方法和新材料来提高其强度，经过实验和测试，BJM460打印出来的生坯强度可以达到3Mpa以上，远高于一般3D打印设备的水平。 粘结剂喷射技术BJM460产线布局规划  面向研发以及定制化批量生产的不同需求，峰华卓立将始终致力于为客户提供高质量、高效率和低成本的金属增材制造解决方案，以满足客户不断变化的需求。峰华卓立期望能够与更多的合作伙伴沟通交流（产品开发总监 张唯18673163568 zw@fhzl.co），共同推进粘结剂技术在3D的打印行业的应用与发展。 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.干货分享：陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战 2.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 3.Apple Watch 9或使用粘结剂喷射金属3D打印生产表壳 4.烧结，影响粘结剂喷射金属3D打印零件控形控性的重要因素

陶瓷3D打印一直备受关注，如今业界已经开发出了多种基于不同3D打印工艺的商业化设备，并适用于不同领域的陶瓷应用，3D打印技术参考在往期文章中也进行过详细介绍。但需要指出的是，陶瓷3D打印技术并没有像金属和聚合物那样成熟，在应用领域也远未有后两类材料那样广泛，所能制造的材料种类也多局限于氧化物陶瓷。 非氧化物陶瓷（碳化物、氮化物和硼化物）具有非常理想的特性，包括高导热性和导电性，以及对长时间暴露于高温、化学、辐射、应力和机械磨损的适应性。非氧化物陶瓷中的超高温陶瓷具有所有二元化合物中最高的熔点（超过3000°C），并且在2000°C以上的空气中具有热和化学稳定性。由于其极端的耐火特性，受到了航空航天、火箭推进和高超音速领域的关注，该材料可用于制造这些领域的热保护系统、喷管、喉管以及天线罩，这些应用通常在高热通量、腐蚀性氧化环境和快速加热/冷却速率场景下使用。 导弹上的陶瓷天线罩 应用航空航天的陶瓷3D打印产品：高温合金涡轮叶片熔模铸造二氧化硅基陶瓷芯、氧化锆离心叶轮和由氮化硅制成的燃烧喷嘴（来自Lithoz） 使用增材制造或传统陶瓷加工技术生产具有复杂结构的超高温陶瓷既困难又昂贵。这些材料中的强共价离子键和金属键抑制了足够的原子流动性以减轻加成过程中的热诱导应力，并且在加热到产生流动性的温度时可能导致分解，因此需要高后处理温度和压力辅助技术来生产致密部件。这些方法通常将几何复杂性限制为简单的轴对称形状（如圆柱体）或没有内部特征的组件。当使用 3D打印技术成形耐火陶瓷时，颗粒材料的高温固结（烧结）需要结合相或有机添加剂（分散剂、粘结剂、增塑剂、润滑剂等）以在非反应性材料上提供所需的流变和内聚特性原料。对于超高温陶瓷材料的3D打印，需要高温（＞ 2000 °C）、缓慢加热（0.1–2°C/h）和热等静压，缓慢的原子扩散阻碍了非氧化物颗粒的固结和烧结。 3D打印技术参考注意到，约翰霍普金斯大学的一组研究人员使用商用系统成功制造了超高温碳化物陶瓷。这是一种被称为两步反应的3D打印技术，制备出了具有亚毫米分辨率的碳化钛 (TiC)立方体和晶格结构。而碳化钛是一种类似于碳化钨的坚硬耐火陶瓷，具有高熔点 (3067°C)、高硬度、极高的抗压强度、耐化学侵蚀、低摩擦系数以及高导电性和导热性。该材料通常被作为金属基复合材料的增强成分使用，作为单独材料进行3D打印则未看到过报道。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103318 本文研究打印完未清理的晶格结构 该研究主要包括两个重要步骤： 将钛粉与酚醛树脂混合，使用粉末床激光烧结（SLS）工艺打印成生坯，期间使用氩气保护； 将坯体在甲烷（CH4）气氛中进行原位等温气固转化，经两步反应得到超高温碳化物陶瓷TiCx；为反应生成TiC，需要进一步处理。 研究发现，与不发生气固反应的其他间接增材制造技术相比，钛粉在与甲烷发生反应时释放的大量热量促进了粒子间的键合；同时，Ti转化为TiC会产生体积膨胀，弥补了酚醛树脂分解产生的孔隙，从而减少了材料收缩，获得无裂纹试样。 立方体和晶格结构生坯 生坯部分和完成转化的结构对比 温度控制和加热持续时间可用于改变生坯微观结构并调整转化率和碳化物的量，在生坯致密化之前进行气固反应，直到气体扩散率受到限制，这种两步后处理程序可能被证明在创建致密、坚固的 超高温陶瓷组件方面最有效。在此反应合成过程中，必须仔细控制温度、气体成分和加工条件，确保同时发生放热反应、反应结合和致密化，从而生产出结合良好、致密性更高的TiC部件。 该技术制造的立方体块体和晶格结构细节 对晶格结构进行热冲击实验 研究人员使用该技术打印了立方体块体和金刚石立方晶格结构，其中晶格结构的分辨率达到50μm，具有足够的强度且无裂纹。经过快速、高温加热，晶格结构能够在1300°C的峰值稳态温度保持2分钟；经过热冲击测试的晶格保持了机械性能并能够支撑800g的氧化铝耐火砖。 总的来说，这项研究为实现非氧化物超高温陶瓷的增材制造开创了一种可行的方法，进一步的研究将能推进该技术在火箭推进、高超声速热防护及其他极端环境中的应用。 参考：Reactive two-step additive manufacturing of ultra-high temperature carbide ceramics 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; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 2.为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案 3.2300万！燕山大学陶瓷增材制造课题获科技部国家重点研发计划支持 4.陶瓷3D打印面临的挑战，一种增韧解决方案与未来市场

3D打印技术参考注意到，NASA于10月19日发布消息称，其最近成功测试了由3D打印制造的铝合金火箭发动机喷嘴。此前由3D打印制造的火箭发动机喷嘴材料通常为镍基高温合金、铜合金或不锈钢，由铝合金制造喷嘴是第一次报道。材料的改变使喷嘴更轻，可携带更多有效载荷，从而为深空飞行奠定基础。 根据该机构的合作机会公告，NASA马歇尔太空飞行中心的工程师与Elementum 3D公司合作，开发了一种可焊接铝，其耐热性足以用于火箭发动机。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。 然而，由于铝对极热的耐受性较低且在焊接过程中容易破裂，因此到目前为止，铝通常不用于火箭发动机零件的增材制造。此前，NASA发起了名为Reactive Additive Manufacturing for Fourth Industrial Revolution Exploration Systems (RAMFIRE-ACO，用于第四次工业革命探索系统的反应增材制造)项目，以期为发动机、运载火箭和栖息地提供重要的新设计机会。该项目下，NASA与 Elementum 3D合作，通过工艺开发、表征和测试来推进高强度铝合金的大规模定向能量沉积 (DED)工艺制造，并使供应链可供更广泛的航空航天、汽车和其他行业使用。 先进铝合金是具有高强度、高导热性和低重量的理想组合，使其成为许多复杂运载火箭结构的理想选择。高强度铝合金的使用受到这些合金较差的可焊性和可打印性的限制。Elementum 3D利用获得专利的反应增材制造 (RAM) 技术开发了一系列用于激光增材制造的可打印高强度铝合金。这些原料的强度等于或超过可比的高强度锻造铝合金，同时与锻造铝合金不同，它们还可以焊接和3D打印。这些铝合金目前被用于太空、航空航天和汽车行业，并为新的创新设计铺平了道路。RAMFIRE项目将把这些铝合金发展至大规模DED工艺，为发动机、运载火箭和栖息地提供重要的新设计机会。  带有整体通道的大型气动塞式演示喷嘴的制造工作正在进行中 NASA和Elementum 3D将所开发的变体铝合金命名为A6061-RAM2，并使用其进行喷嘴打印。火箭喷嘴具有小的内部通道，基于再生冷却原理防止熔化。使用传统的制造方法，喷嘴可能需要多达一千个单独连接的零件。RAMFIRE喷嘴采用一体式设计，所需的连接大大减少，并显著缩短了制造时间。  NASA的月球到火星目标需要能够向深空目的地发送更多货物，这种新型合金可以在制造能够承受高结构载荷的轻型火箭部件方面发挥重要作用。STMD先进制造首席技术专家John Vickers表示：“质量对于NASA未来的深空任务至关重要。像这种成熟的增材制造和先进材料项目，将有助于发展新的推进系统、太空制造和月球、火星及其他任务所需的基础设施。” 铝合金火箭喷嘴成功测试 今年夏天早些时候，两个RAMFIRE喷嘴使用液氧和液氢以及液氧和液甲烷燃料配置完成了多次热火测试。由于压力室超过825磅每平方英寸 (psi)（超过预期的测试压力），喷嘴成功累积了22次启动和579秒（接近10分钟）的运行时间，这表明喷嘴可以在最苛刻的深空环境中运行。 NASA工程师在成功进行热火测试后检查RAMFIRE喷嘴 “这个测试标志着喷嘴的一个重要里程碑，在对喷嘴进行一系列严格的热火测试后，我们证明了该喷嘴能够承受月球着陆器规模发动机的热、结构和压力负载。” 除了成功建造和测试火箭发动机喷嘴外，RAMFIRE项目还使用RAMFIRE铝材料和增材制造工艺来建造其他先进的大型部件用于演示目的。其中包括直径为 36英寸（914mm）的气动塞式喷嘴，其具有复杂的整体冷却通道和用于低温流体应用的真空夹套罐。 采用A6061-RAM2 铝材料开发真空夹套制造演示罐，该组件专为低温流体应用而设计，设计有一系列壁厚约为1.5mm的整体冷却通道 NASA和行业合作伙伴正在努力与商业利益相关者和学术界共享数据和流程。多家航空航天公司正在评估这种新型合金和LP-DED增材制造工艺，并寻找将其用于制造卫星和其他应用部件的方法。 与标准生产技术相比，增材制造的零件可以提供复杂的几何设计，并大大节省成本和进度，为推进系统的设计开辟了新的领域。材料选择在系统设计、性能和重量方面也发挥着重要作用。 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.ORNL和NASA合作，3D打印一体式月球车车轮，减少组装 2.NASA投入新资金启动25项太空探索3D打印项目 3.62页成果下载：ASTM发布由NASA支持的增材制造现场监控技术战略指南 4.NASA着力开发火箭发动机的多合金和多工艺增材制造

增材制造技术基于离散-堆积的独特成形原理，相较传统制造技术，在降低生产成本、提高生产效率以及制造复杂结构零件方面具有较大的优势，已经在航空航天、核能和医疗等高度定制化领域逐渐代替传统制造技术。传统的增材技术仅限于成形单一均质材料，已无法满足特殊性能零件的生产要求，如火箭隔热罩、热交换管、发动机腔等热端部件，这些零件在工作区域要保持高耐热和高导热性，而在非工作区仅需要保持一定的强度，同时还要求降低生产成本。 多材料增材制造技术是将多种材料按照结构和功能要求集成在一个零件上，在材料成分、形状结构和宏观性能上具有更高的设计自由度，能够通过精确调整将不同的材料沉积到构件的任意位置上，根据环境或结构要求对零件进行特殊定制生产，突破了传统多材料制备技术的诸多限制，适用于制备功能和结构复杂的零件，生产成本低且性能优异，是高性能零件最理想成形方案。 典型多材料体系的组合和应用 由于传统L–PBF设备的送粉系统是通过刮刀/辊式在同层均匀铺粉，难以实现同层或不同层点对点精确沉积多种材料，这成为限制L–PBF成形多材料的主要问题。因此，如何设计传统粉末床的送粉系统成为制备多材料的关键，现有多材料送粉系统分为刮刀送粉系统、超声辅助送粉系统、电子照相送粉系统和刮刀 +超声辅助送粉系统。来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究人员发表了题为“激光多材料增材制造技术研究进展和展望”的文章，介绍了多材料增材制造技术影响界面结合强度的主要因素及消除缺陷的方法；介绍了目前不同的送粉方法和每种送粉方法的优缺点；讨论了工艺参数对多材料增材制造的影响规律；最后总结了该技术目前的瓶颈性难题，展望了未来的主要研究方向。 多材料 L–PBF 送粉系统示意图 01刮刀送粉系统 刮刀送粉系统是最早实现多材料打印的装置，两个或多个粉末容器可以分别储存和输送两种或多种粉末。但是这种送粉系统仅可制造沿沉积方向上的多材料构件，难以实现同沉积层的多材料沉积，可适用的材料体系有限，因此不具备发展潜力。新加坡的研究人员升级了标准 L–PBF 的送粉系统，使用双粉末仓成功实现了铜 –不锈钢双金属的成形，这种成形制件存在尖锐的材料界面，材料突变极易在材料界面处产生孔隙、裂纹和分层等缺陷，难以实现商业应用。  多材料构件打印过程02超声波辅助送粉系统 超声波辅助送粉系统最早是在选择性干粉输送中得到广泛研究，该装置可以以均匀的送料速率送粉，其精度可以达到微米级水平，但是逐点超声波送粉的效率较低，限制了该送粉系统在粉末床中的应用。曼彻斯特大学的研究人员使用超声波振动按照不同的几何模型将多种材料的干粉颗粒输送到粉末床上，成功激光成形了二维的多材料组件。  03电子照相送粉系统 电子照相技术在工业印刷行业的应用非常成功，它是利用静电力将材料选择性地转移到基材上，因此，有学者提出将电子照相技术应用在3D 打印中来实现多材料选择性增材制造。虽然该系统能够快速、精确地输送多材料粉末，但是堆叠成三维零件仍存在一定难度，因为电场会随着沉积厚度的增加而减小。Stichel等开发出一款基于粉末床的电子照相送粉系统，证明了该送粉系统制造多材料具有可行性，并且在印刷粉末层的表面和光电导体之间实现恒定电势，降低了沉积层厚度相关性。电子照相技术目前仍存在不足，如工艺参数不当会导致粉末意外掉落，极易造成粉末污染，此外还需要对沉积的粉末进行材料和粒度上的分类。  由FraunhoferIGCV系统创建的多材料3D打印部件 04刮刀 + 超声辅助送粉系统 刮刀 + 超声辅助送粉系统是目前比较理想的解决方案，该系统由曼彻斯特大学的研究人员提出，集成了刀片和超声粉末分配器，并且使用真空粉末抽吸装置，能够精确去除粉末。通过超声波振动激励信号精确控制粉末流的开始和停止，使用超声波振动可以改善干粉流动，破坏粉末团聚，确保实现稳定且连续的粉末流动。使用该装置成功制备出一系列的316L不锈钢和Cu10Sn铜合金组成的多种金属材料制品，证明了该系统不仅具备可行性，还提高了粉末沉积效率，但送粉效率仍需进一步提升。 多材料 L–PBF 送粉系统示意图 曼彻斯特大学打印的多材料零件 与传统单一材料的设计不同，多材料成形软件应具备对材料力学性能、空间分布和几何形状进行设计的功能，基于体素建模的3D CAD软件可以实现这些功能，但是需要建立完备的材料学资料库来匹配，目前仍不具备多材料增材制造成形的专业性。而市面上仅有的几款软件，如ParaMatters和Monolith等多材料增材制 造工具软件主要用于成形聚合物，对于金属材料的应用较少，因此今后需要对多材料增材制造软件进行深入探索和设计。 作者介绍 韦超，博士，正高级工程师，博士生导师。现任激光极限制造研究团队负责人，研究领域包括：多材料增材制造、难加工材料激光复合加工。已获中国科学院、浙江省等人才项目支持，已被纳入中国科学院特聘研究岗位。任《极端制造》国际期刊青年编委、中国机械工程学会极端制造分会委员、英国机械工程师学会特许工程师/会员、英国激光用户协会青年委员会委员。 激光极端制造研究中心（隶属于中国科学院宁波材料技术与工程研究所），成立于2022年6月，英国皇家工程院院士李琳教授担任中心主任。现有研究团队百余人。前沿科学研究聚焦于揭示激光与材料作用新机理，具体研究方向包括：单原子材料物化反应机理及调控、奇异光场与物质作用机理及调控、复合能场相互作用机理及调控；工程应用研究重点针对难加工材料激光制造工艺与装备，具体研究方向包括：脆硬材料激光加工、复合材料激光加工、高端合金激光加工、纳米材料激光调制、极端环境材料加工。 注：本文内容来自《激光多材料增材制造技术研究进展和展望》，已获作者团队授权。 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.数十激光+米级幅面！2023年国内重量级SLM金属3D打印新品装备一览 2.SLM-可进行多金属3D打印的材料体系，制造潜力、难点与要点 3.SLM-3D打印一体化多金属材料散热器，揭示未来应用潜力 4.调查研究：金属增材制造技术行业应用差异及释放潜力的条件

研华科技（以下简称“研华”）是全球知名的工业物联网厂商之一，其业务分布全球28个国家，在全球拥有约8,900名员工。2023年是研华成立的40周年，也是其在江苏昆山扎根的23个年头。作为工业物联网的实践者与赋能者，近些年来研华科技大力投入数字化工厂的建设，不仅利用自身AIoT（人工智能物联网）技术，也积极引入外部的创新技术，3D打印技术便是其中之一。 ▲昆山研华园区 研华工厂生产过程中需要大量使用非标定制件——PCB定位治具。过去，这些治具主要采用委托外加工，并使用电木材质，通过CNC加工的方式完成。然而，随着时间的推移，在使用CNC外协过程中的问题逐渐增多了起来。 01加工成本增长趋势下的挑战 首先，加工成本不断推高——随着上海经济辐射圈的逐步扩大，昆山当地的房价和物价水平不断升高的同时，老的CNC操作人员不断流失，而愿意从事CNC加工的年轻人在减少，导致近两年CNC加工的费用逐年增长。 其次，委外生产的生产周期往往较长，通常需要1-2周时间。当面对需要快速响应的客户需求，往往无法及时响应并影响交付计划。 第三，灵活性受限，传统的委外形式，一旦图纸发出就很难更改，无法灵活应对产品设计的迭代，遇到紧急且设计变更频繁的需求，往往只能重新制作。 02改变思维，利用3D打印技术 面对这些挑战与困难，研华昆山工厂MPM栗经理一直在寻找新的技术与方案进行改善。一次与总部同事的技术交流时，谈到了这个问题，总部同事当时就给他推荐了3D打印技术。 在横向对比了多家3D打印设备之后，研华购入了Raise3D Pro2 Plus的设备，对于当时的这个决定，栗经理还是比较满意的：“当时别人给我推荐的是另外一款国外的设备，我们前前后后做了多项调研，最后选择了Raise3D Pro2 Plus。”对于为何选择，栗经理进一步补充解释道：“首先是精度，我们做了多轮的样件测试，也在内部做了比较，测试下来令我们啧啧称奇的是Pro2 Plus的高精度。” “确保精度的同时，打印尺寸比较大。虽然大部分我们的夹具都比较小，大概都是20cm以下的小件，但是偶尔也会打一些大的零件，305×305×605 mm尺寸足够大，能够满足这些制件需求的同时，你又不用为这个额外多花大几万，那就非常具有性价比了。” ▲研华昆山工厂在用的Pro2 Plus “另外，还有很多细节的地方，如同我说的一样，这台设备有很多的设计逻辑和思考，都是基于制造业企业端来思考的，像我们看到的外在的丝杆、喷嘴、拖链，内在的很多像RaiseCloud这样的‘团队管多台’逻辑的云管理平台、像ideaMaker这种脱机、封闭且安全的切片软件，甚至是这个设备的重量——你真的很难想象这样的小小一台桌面机居然有100斤！” 033D打印定位治具，轻松实现降本增效 “我们的设备安装在工厂工程师的工作室，操作简单，工程师会用UG，SW软件，所以很快就可以上手操作。原来我们用CNC外发需要两周时间，但在使用Raise3D Pro2 Plus后，我们的生产速度提高了很多，大一点的件20个小时就可以制造出来，表面也不用任何处理，就已经很够用了。” ▲利用Raise3D Pro2 Plus打印的PCBA装备定位治具 “从材料方面来讲，目前主要使用PLA耗材，相比以前使用的电木材质，价格更低，由于通常我们填充一般30%或50%，只在需要强度的地方用ideaMaker调整成实心结构，在不影响结构强度的前提下实现轻量化处理，材料的利用率就会更高，大大的降低了成本。这样整体下来，治具成本相当于原来的10%左右。” ▲利用Raise3D Pro2 Plus打印的自动测试机台快拆治具 以创新技术实现成本效率的优化，同时兼顾高可靠性，是包括研华、舍弗勒、SKF等工控企业选择Raise3D品牌打印机的原因。 展会预告：2023年10月24-27日，第27届亚洲国际动力传动与控制技术展览会（PTC ASIA 2023）将在上海新国际博览中心召开！Raise3D复志科技将展示在原型设计、模具制造和个性化定制以及小批量生产等工业制造领域的数字化解决方案。Raise3D复志科技诚挚邀请您莅临OE2  A801 数智液压广场，一同探讨行业前沿，交流经验，共同见证制造业数字化转型的无限可能。 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.最大12kg打印！Raise3D发布光固化3D打印解决方案 2.99.95%！国产Raise3D桌面级3D打印技术具有颠覆性的成功率，广获应用 3.最新：国外团队使用中国3D打印机发表Science重磅研究 4.60平米打印幅面！美能源部支持开发迄今最大砂型3D打印系统

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享 近日，美国能源部公布了新一轮的资助计划，Voxeljet和GE Research一同获得1490万美元的资助，对所谓VX9000粘结剂喷射砂型3D打印系统进行开发和商业化。这套系统是两家公司于2021年宣布的合作项目，美国能源部此次提供额外资金是希望其完成开发并推向市场。 Voxeljet当前已经商业化的最大打印尺寸的系统为VX4000，成形幅面为4x2x1米，使用针对3D打印优化的呋喃树脂和标准化石英砂或二氧化硅打印铸造砂型，打印头的工作分辨率高达200dpi。 VX9000的推出势必进一步增加打印尺寸，使之成为迄今为止新的世界最大粘结剂喷射3D打印机。根据现有的资料，增材制造技术前沿注意到，该打印机将用于生产名为Haliade-X的下一代风力涡轮机关键部件。该机型的打印尺寸将达到目前VX4000的七倍多（规划打印幅面60m2），如此巨大的构建空间为大幅减少所需的独立组件数量铺平了道路。 VX9000与VX4000对比 Voxeljet不同机型的生产效率 新的制造技术将为风能和水能领域生产金属近净成形（NNS）组件，从而减少生产时间和成本。VX9000 是voxeljet开发和制造的尺寸突破性的3D砂型打印机，用于增材制造10吨至60吨以上铸件砂型。美国能源部资助的主要目的是以加速美国各州向清洁能源的过渡。除voxeljet外，GE Research还选择了GE Hydro、GE陆上风电、GE海上风电、克莱姆森大学、橡树岭国家实验室（ORNL）和Hodge Foundry作为该项目的合作伙伴。 VX4000砂型打印机GE 可再生能源公司的代表性水轮机 通用电气公司海上风力发电机舱 先进铸造单元项目的建立是为了加强美国制造业和专业知识，以提高大型金属近净成形部件在其国内生产的成本效益，从而符合拜登政府的清洁发电战略。 GE Haliade-X装有机械部件的海上机舱重达60多吨，VX9000的目标是将生产这种模型和模具所需的资助时间从大约十周减少到两周。这种新颖的制造技术有可能将水电总成本降低20%，并将交货时间缩短四个月。该项目还将包括使用粘结剂喷射3D打印机对16 吨转子轮毂的生产进行优化，以及开发用于组装超过10吨的弗朗西斯转轮的机器人。为了帮助确保该项目的成功实施，相关方正在为当地劳动力发展创建先进制造课程，以培训和吸引工人了解这种3D打印制造技术的细节。 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.聚合物3D打印晶格结构的准静态和动态压缩行为 2.ORNL和NASA合作，3D打印一体式月球车车轮，减少组装 3.中华文化：3D打印一次成型，数字回归实现文物1:1复刻 4.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究

对于粉末床激光熔融工艺（LPBF）来说，粉末逐层扩散和熔化的基本思想是简单的，该过程涉及一系列高动力耦合物理现象，包括粉体动力学、传热学、物理学等。流体动力学、相变、热应力和变形，导致极其复杂的过程-结构-属性关系。粉末扩散过程实质上是许多粉末颗粒与刮刀和基板(或已打印部分)之间的相互作用，而惰性气体流量也可能会有影响。这里的驱动力主要包括重力、碰撞、正常接触力、滚动和滑动摩擦，同时还有像范德华力一样的附着力以及静电排斥力，粉末床的质量会影响随后的熔化过程。在激光熔化过程中，激光束在粉末和熔池表面之间反射，向材料中传递能量。根据熔池的形状和尺寸，一般熔化模式分为传导模式和锁孔模式。传导模式是在相对较低的激光功率强度下实现的，产生一个半圆形的熔池。相比之下，使用相对较高的激光功率，会引起强烈的金属蒸发，并在熔池中形成一个较深、细长的腔，就出现了锁孔模式。此外，在这两种模式之间还存在一种过渡模式。 高能量强度引起包括对流、传导和辐射在内的高瞬态热传递；按照诱导非平衡相变，包括熔化、凝固、蒸发和凝结，使熔化的液体和蒸气与周围的气体和粉末颗粒更加复杂。当粉末动力学改变了原粉末床的结构，而阻力等驱动力与粉体扩散时的驱动力大不相同；另外，由于蒸发、扩散、对流和化学反应，化学成分也会发生变化，如氧化作用反过来影响多相流行为。多相流动会直接导致许多缺陷，如孔隙和包体。这些极端的热条件，不断变化的边界和成分条件显著影响了组织的演化，如从晶粒成核、生长到粗化，这些本身基本上是长期存在的科学问题，特别是对含有3个以上成分的合金而言。独特的自建微结构通常远离传统的准平衡相图。糊状带中的树突生长反过来会影响熔化液在熔化池边界附近的阻力。已打印部件的机械性能直接由微观结构决定；例如，柱状颗粒会导致各向异性，由于在树突间区域的脆性相可以降低延展性。另外，在凝固过程和随后的循环加热和冷却过程中会出现大的温度梯度，再加上某些材料中的固态相变，通常会导致显著的热应力和变形，从而降低拉伸强度、尺寸精度，热应力有时甚至会在缺陷发生时导致裂纹(凝固裂纹、液化裂纹和变形裂纹)或不利的微结构，这是致命的失败。热应力反过来又可能影响微结构的演变；例如，已证明增材制造的金属中的高密度位错主要是由压缩-张力热应力循环引起的，热应力可能促进动态再结晶。到目前为止，过程-结构-属性之间的关系还远未得到全面的理解，即使是对于那些非常普通的、成分简单的金属也是如此。 在上述过程-结构-性质关系中，有许多影响因素，即使是一些不受控制的或不可避免的变化，如在储存和再利用过程中粉体的表面氧化，也会引起制造工艺并通过整个过程-结构-属性链进一步传播。此外，这些影响因素中有很多都与材料的性质有关，通常需要经过多次反复试验，才能确定每种新材料的适当制造参数窗口。粉体的扩散特性和粉层的质量对粉体的扩散参数和粉体性能均有敏感性。有些是可以控制的或稳定的，如扩展速度和固有材料性质，但其他诸如粉末尺寸分布、形态、表面粗糙度、氧化物膜，在粉末生产、储存和再利用期间可能有所不同。在熔化过程中，影响激光特性的因素包括波长、极化、光束形状和尺寸；制造参数有激光功率、扫描速度、扫描间距等；以及粉末和材料的参数，如导热性、表面张力、粘度和比热，其中大部分取决于当地温度和化学成分。从凝固过程中的晶粒/树突晶成核和生长到凝固后的各种固态相变的非平衡微观结构的演变，不仅受到中尺度熔池流的位置和时间依赖的热/合成条件的影响，而且还受到微观尺度的沉淀和溶解的影响，在这些条件下，更多的材料参数起着重要作用，但更难在实验上测量或从理论上近似。机械性能主要由微观结构决定，也受残余应力的影响较大。残余应力来自热应力的演化，并由热条件、组织演变和材料参数共同决定。模量、泊松比及热能膨胀系数会随温度而变化。这些影响因素对有效选择和优化制造参数提出了挑战，特别是那些无法控制甚至不明的参数对确保质量一致性提出了巨大挑战，这是阻碍许多工业广泛应用的瓶颈问题。 另一方面，这些影响因素为操纵制造过程、调整微结构以及调整机械性能的一致性提供了大量的机会。另外，一些外部的磁场、超声场可以实现进一步调控结构和属性。采用激光束成形控制不锈钢熔池的时空演化，从而获得了较低的孔隙度、较好的表面质量。在打印过程中添加活性气体，大尺寸的氧化物颗粒在Lpbf过程中改善了常温和高温力学性能。在激光粉化工艺中应用了高强度超声波，实现了钛-6Al-4V样品中柱状晶粒向细等轴晶粒的完全过渡，同时提高了屈服应力和拉伸强度。然而，大多数实验研究的重点是某些金属合金的微观结构和力学性能，而不是制造的动态过程和微观结构的演变。因此，对过程-结构-属性关系仍缺乏全面的了解，而且由于以往实验结论的推广有限，今后对不同材料和设备的研究在很大程度上仍然主要依靠昂贵的试错实验，而不是具体而明确的指导。 为了解决质量不一致的问题，有效优化各种材料的制造参数，充分发挥操纵制造过程、微观结构演变和机械性能的潜力，必须研究基本物理机制，以便深入了解过程-结构-性能关系和这些影响因素的影响。传统的实验定性方法主要获得间接证据，不足以理解制造过程中复杂的动态现象。最近的研究进展表明现场实验和基于物理的计算建模是强有力的工具，提供前所未有的深入了解潜在物理机制。 一方面，实验数据提供了直接证据，可以用来验证仿真模型。另一方面，模拟结果可以提供更多无法在实验中测量的信息，并以更清晰、更量化的方式解释实验观测的机制。更重要的是，理解物理机制的最有效和最有力的方法是整合和协同现场实验和高保真物理建模。因此，有必要一并审查这两种研究工具，其目标如下：(1)了解它们的重要性和局限性，这些重要性和局限性主要是相辅相成的；(2)强调整合这两种工具的巨大协同作用；(3)确定值得今后研究努力的宝贵专题。 来自新加坡国立大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员为此发表了“In-situ experimental and high-fidelity modeling tools to advance understanding of metal additive manufacturing”一文，刊登在机械制造领域顶刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上。 https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104077 在该研究中，首先介绍了经典物理学中的临界物理现象及其基本原理。详细阐述了现场同步X射线成像和衍射；总结了粉末动力学、熔化池流、微结构演化；同时也简要提到了基于物理模拟结果的数据驱动建模——这是一个不容忽视的发展趋势。最后，讨论了现场实验和高保真度模型的未来前景。 在金属3D打印中用于过程-结构-属性研究的X射线特征化和高保真度建模工具 现场同步X射线用于激光金属增材制制造过程的特征分析 两个典型的小型粉床现场X射线成像装置   高保真模型主要包括粉末动力学、熔池动力学、微观结构演化和机械性能建模 未来现场同步加速器特性化、高保真度建模及其综合应用的前景   本文系统地回顾了两种先进的研究工具，即原位同步加速器X射线表征和高保真度建模，它们用于探索金属增材制造技术的基础物理机理。它概述了原位X射线成像和衍射的基本原理、能力、应用和局限性，粉末动力学、熔池流动、微观结构演变和机械性能的高保真模型，以及数据驱动模型。此外，还讨论了这些技术的局限性、挑战和未来前景。本研究的主要结论如下： 目前，有两种先进的X射线表征工具用于监测金属3D打印的过程。原位X射线成像用于研究飞溅、熔池、凝固和裂纹，而原位X射线衍射能够观察凝固和热循环过程中的相变和应力演化。要获得高质量的结果，需要仔细设置样本厚度和曝光时间，以提高信噪比和空间分辨率。然而，这些技术仅限于二维，因此很难完全捕捉整个过程； 高保真度模型涵盖了多种现象，包括粉末动力学、熔池流动、相变以及应力和裂纹演化。尽管这些模型具有很高的物理保真度，但它们的发展受到两个主要限制：巨大的计算成本和缺乏材料特性。结合这些模型来预测零件的质量，从加工到性能，从微观到宏观，仍然是一个重大挑战； 为了探索L-PBF的基本原理，应该结合使用实验和模拟工具。尽管原位X射线表征和高保真度模型是在不同的平台（真实和虚拟平台）上开发的，但它们共同作为补充工具，探索这些制造过程中涉及的复杂机制； 数据驱动建模可以提供一种更快的方法来提取结果的特征，并通过使用实验和模拟数据来优化处理参数。尽管数据驱动模型有助于预测优化参数和指导制造，但L-PBF的基本原理和结果的物理机制仍然难以解释。 原位同步加速器表征可以直接研究金属3D打印的过程、结构和性能，而高保真度模拟可以分析这些现象背后的物理原理。这两种先进的工具是相互作用的，应该在克服各自问题的基础上结合起来探索金属3D打印的物理机制。 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.聚合物3D打印晶格结构的准静态和动态压缩行为 2.ORNL和NASA合作，3D打印一体式月球车车轮，减少组装 3.中华文化：3D打印一次成型，数字回归实现文物1:1复刻 4.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究

能量吸收材料和结构的开发是为了通过变形和损坏来分散或减轻动态载荷的能量，从而保护相关器件免受损害。它们已成为现代技术的重要组成部分，具有广泛的应用，涉及国防、个人防护设备、工业、汽车和航空领域。此外，在性能、重量和人体工程学之间实现良好的平衡通常是吸能材料和结构开发的一个关键目标，因此，许多研究集中在特殊设计和（多）材料解决方案上，如蜂窝结构、拉胀材料、泡沫结构、三周期最小表面结构(TPMS)和张拉整体结构。最近，受自然启发模仿体心立方（BCC）和面心立方（FCC）晶体结构中原子排列的晶格结构由于优异的机械性能引起了广泛研究兴趣。这些结构由立方晶格排列的互连支柱或梁组成，兼具轻质、强度、刚度和能量吸收能力。然而，这些复杂设计的使用通常受到制造工艺的限制。 3D打印无疑已经成为制造这些结构的新技术。通过逐层制造，越来越多的定制结构和创新几何形状得以实现。这项技术的关键优势来自设计自由度，这也是人们越来越感兴趣的原因。此外，该技术可打印多种材料，包括聚合物、金属、玻璃甚至混凝土。3D打印的工艺类型也多种多样，包括立体光刻、选择性激光烧结以及熔融沉积等。熔融沉积（FDM）工艺是一种低成本的消费级3D打印技术，该工艺打印的零件同样具有良好的机械性能，适合多种应用；其次，该工艺原料处理简单，打印部件不需进一步后处理。最后，FDM是一种相对简单且经济高效的技术，可获得广泛使用。 聚合物具有许多优点，包括降低成本和易于设计复杂结构。PLA和ABS是最常使用的两种聚合物，它们具有相对较低的熔化温度，易于通过FDM技术加工。另一方面，Tough-PLA是PLA的改性材料，提高了韧性和抗冲击性，其中添加了增强剂并对PLA的聚合物结构进行了改性，机械性能得以提高。 3D打印蜂窝/晶格结构设计的原理已通过大量研究得到确立，这些研究检查了结构与性能之间的关系，特别是在能量吸收领域。然而，应变率对机械行为的影响也不容忽视，特别是当这些组件可能暴露在严酷的负载环境中时。对碳纤维增强PEEK的动态行为研究发现，随着填充密度的增加，样品的机械强度增加，而变形减少；对PLA的研究发现，韧性会随着应变率的增加而增加。对采用激光烧结3D打印的热塑性弹性体的非线性机械行为(TPE)研究发现，尽管使用了更先进的工艺，但TPE的机械性能根据构建方向的不同而存在显著差异。对激光粉末床熔融(L-PBF)打印的316L不锈钢五种三周期最小表面（TPMS）片基结构在准静态和动态加载条件下的机械性能研究发现，所有五种结构在动态载荷下均表现出改善的机械性能。当前，仍需要对增材制造部件（材料或晶格结构）的动态机械响应进行更多研究，以提供有效的表征方法。 国外的研究人员近期使用FDM技术研究了聚合物晶格结构的机械性能，以探究它们在准静态和动态负载环境下能量吸收应用的潜力。此外，他们尝试建立了两种热塑性原材料的机械行为与3D打印块状样本的准静态/动态行为之间的相关性，以研究它们在准静态和动态下对晶格结构的能量吸收能力的影响装载条件。这些样品使用ABS和Tough-PLA打印，研究还包括评估FDM打印工艺对前驱体长丝机械性能的影响。此外，研究了准静态拉伸和压缩测试下打印方向对样品机械性能的影响，随后测试评估了材料的应变率敏感性。 通过实验，对三种不同晶格结构（BCC、FCC和BCC+FCC）在两种相对密度下的动态和准静态力学性能进行了详细比较。使用落锤对晶格结构进行冲击测试，对两种加载条件下的平台应力和能量吸收值进行分析和比较。 根据ASTMD-637-I标准方法进行拉伸试验的狗骨试样的插图,不同的栅格方向:(a)0°,(b)45°和(c)90°   准静态拉伸试验的实验装置:(a)3D打印试样试验和(b)丝材试验 准静态压缩试验条件:(a)3d打印的样品,(b)晶格结构定位图和(c)准静态压缩试验的实验设置和示意图 分离霍普金斯压力杆测试设置:(a)用于动态压缩测试的霍普金斯压力杆系统的总体视图和(b)霍普金斯压力杆测试设置的示意图 带有单元格的晶格结构的CAD模型说明:基于(a)BCC单元格、(b)FCC单元格和(c)BCC+FCC单元格的晶格结构 3D打印的晶格结构准静态压缩试验的实验装置和示意图 准静态应力-通过对纤维试样进行拉伸试验得出的应变曲线:(a)ABS纤维和(b)Tough PLA 准静态应力----通过对具有不同光栅方向的3d型印刷试样的拉伸试验获得的应变曲线:(a)ABS型试样和(b)Tough PLA试样 动态应力----在3d打印圆柱形试样上进行的具有不同方向的什压压缩试验所获得的应变曲线:(a)ABS试样和(b)Tough PLA试样 用FDM 3D打印工艺,制造具有不同单元和相对密度的3D打印晶格结构 变形过程：在准静态压缩试验下的3d印刷晶格结构(a)BCC试样,(b)FCC试样和(c)BCC+FCC试样 在动态压缩试验条件下,BCC、FCC、BCC+FCC 3d打印结构的变形过程 拉伸试验发现，FDM工艺对原材料的力学性能有很大影响，试样的晶格取向对材料性能有明显的影响。研究介绍了3D打印的ABS和Tough PLA圆柱体的准静态和高应变速率响应。在改变打印路径时，它们的抗压强度没有显著的差异。结果表明，ABS和Tough PLA在高应变速率动态压缩和准静态压缩下均表现出韧性行为。对于两种材料和所有参数配置，与准静态压缩测试相比，在高应变速率载荷下，屈服应力显著增加。 研究发现，晶格的相对密度在控制晶格结构的压缩和能量吸收性能方面起着关键作用。FCC和BCC+FCC晶格显示出具有高初始峰值应力的拉伸主导曲线。与ABS结构相比，Tough PLA结构表现出明显更大的阻力。 与准静态试验结果相比，跌落试验结果发生了显著变化。应变速率的影响在试验中是显而易见的。当暴露在动态负载下时，这三种拓扑结构表现出脆性行为。由于连接处的应力集中，支柱分离，导致结构连续性丧失，从而导致应力曲线大幅下降。这些现象极大影响了晶格结构在动态载荷下的吸收能。这项研究使未来能够对这些结构进行分析，以便更有效的设计它们来吸收冲击能量。解决压缩载荷期间应力集中问题的一种可能解决方案是采用基于表面的晶格结构，如TPMS，与基于桁架的晶格相比，其表现出更平滑的挤压行为。 参考：Experimental investigation of the quasi-static and dynamic compressive behavior of polymer-based 3D-printed lattice structures 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.中华文化：3D打印一次成型，数字回归实现文物1:1复刻 2.ORNL和NASA合作，3D打印一体式月球车车轮，减少组装 3.HP与知名运动品牌合作开发3D打印跑鞋 4.清华大学最新《Science》：开发出无机材料普适性3D打印新方法