3D打印技术参考于注意到，首都航天机械有限公司于8月23日发布消息称，首都航天机械有限公司在火箭发动机金属3D打印制造方面取得重要进展。 填补国内空白 文章指出，首都航天机械有限公司成功实现某型发动机推力室身部内壁试验件的增材制造。该产品直径达600毫米量级，高度达850毫米量级，是目前公开报道过的最大的整体增材制造铜合金身部产品，其成功研制也标志着该公司成为国内首家全面掌握大尺寸铬锆铜合金激光选区熔化增材制造技术的单位。该技术突破填补了国内增材制造技术领域的空白，助力发动机生产跑出创新“加速度”。推力室作为为火箭发动机提供强劲推动力的核心组件，是典型复杂精密构件。以往，推力室身部结构生产涉及的工序繁杂，制造周期至少为6个月，可靠性不足，且生产成本较高。为适应高强密度发射的新形势，逐步实现“提质降本增效”，增强竞争优势，推力室身部的增材制造技术攻关被提上日程。激光选区熔化技术成型精度高，是复杂结构推力室身部增材制造的“不二之选”。 研制之初，工程化应用极为困难 2020年起，在前期近七年的技术经验积累下，首都航天机械有限公司增材团队针对某型发动机，开展铬锆铜合金推力室身部零件技术调研与方案制定等工作，并深入开展工艺攻关，逐步形成了整体结构优化设计的新思路，为日后的技术突破奠定基础。 但是工程化应用之路似乎道阻且长。铬锆铜合金材料制备推力室身部具有显著优势，但与此同时，这种材料对激光反射率高，热传导快，激光选区熔化成形难度大，国内增材制造行业内暂无成熟专用设备，实现超大尺寸铜合金产品的高效增材制造难度极大。 从0到1，成功制造 “设备是我们实现从‘0’到‘1’突破的基础，是需要我们首先去跨越的‘关卡’。”团队成员陈帅表示。对此，该团队针对铜合金增材制造的特点，充分研究激光功率等不同的工艺参数对成形规律的影响，并依据试验数据，首次提出了专用设备的集成方案，联合设备厂家首次研制出了行业内少有的红外激光铜合金产品的专属增材制造设备。在专属设备的加持下，铜合金产品的增材制造之路就此起航。 然而，在产品制造的过程中，团队遇到了新的问题：冷却通道粗糙度高，常规的表面光整技术无法实现冷却通道的光整。对此，团队成员开始积极探索更合适的光整技术，以提升零件表面质量。在开展数次组合工艺试验后，团队最终实现了复杂窄流道结构燃烧室的精密光整。 3D打印，显示更大应用潜力 经过三年不懈努力，团队先后完成了铜合金粉末质量控制、铜合金激光选区成形工艺优化等一整套技术研究，在国内率先实现了铬锆铜合金激光选区熔化增材制造的技术突破。采用该技术制造的产品性能较设计指标提高50%以上，成形零件尺寸精度大幅提升，且生产周期缩短至惊人的15至20天，成本较传统生产模式明显降低。 4月14日，目前已公开报道过的最大的整体增材制造铜合金身部产品——某型发动机推力室身部内壁试验件问世。增材制造技术的大门再一次被推开更多，这项新技术显示出更大的应用潜力。  为了加速推进工程化应用进程，首都航天机械有限公司成立了集“增材制造、后处理、连接、检测、试验和保障”为一体的型号产品增材制造专项工作组，预计年内将完成多型发动机推力室头部及身部、涡轮泵等产品的增材制造。 注：本文内容来自首都航天机械有限公司，转载已获授权。 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.从有需求、无设备，到打印全球最大火箭燃烧室，成就航天，也成就3D打印行业 2.全3D打印制造 | 深蓝航天可重复使用发动机数十次试车成功 3.NASA纯干货分享：采用3D打印研制火箭发动机的失败教训与经验总结（重新认识构建过程） 4.15%部件3D打印制造 | 美客运高超声速发动机完成关键测试，接近首飞

近日皇家墨尔本理工大学和科罗拉多矿业大学等科研院所的研究人员提出了一种表征增材制造疲劳试验数据适用性的方法。该方法考虑了增材制造的特定过程，设计和材料方面。可用于确定报告数据与特定场景的相关性，并为增材制造疲劳研究人员提供有效报告所需文件指导。使用公开的粉末床熔融Ti-6Al-4V疲劳数据证明了所提出的方法，深入了解了报告数据的总体质量，检查了大量（N>30）数据集，以了解设计和工艺变量的影响如何影响疲劳响应。相关研究成果以“Fatigue test data applicability for additive manufacture: A method for quantifying the uncertainty of AM fatigue data”为题，发表于材料科学TOP期刊《Materials & Design》。   已经公布的疲劳数据对疲劳限制系统的设计至关重要，因为它减少了对昂贵且耗时的定制疲劳测试的需求。这一公布的数据尤其与新兴材料和制造技术(如增材制造)的特征有关。当疲劳数据没有充分记录时，由于疲劳响应的不确定性，其对设计的实用性可能会受到限制。材料的疲劳响应主要受载荷和环境、材料和微观结构、部件几何形状和几何缺陷的影响。这些因素的贡献可概括如下： 载荷和环境：改变疲劳载荷条件会导致其他类似材料和制造条件下的疲劳响应发生变化。例如，低周疲劳响应主要由裂纹扩展主导，而块状材料特性在很大程度上主导了观察到的疲劳强度。高周疲劳，主要是裂纹萌生，其中表面缺陷影响更大。 材料和显微组织影响疲劳响应：这一影响在粉末床熔化(PBF)中非常明显，与其他制造方法(如铸造)相比，PBF具有快速凝固(因此具有明显的微观结构)。例如电子束增材制造中较高的相对加工温度，残余应力被降低。热处理通常用于消除部件中的残余应力，这也会导致更粗糙的显微组织。热等静压(HIP)由于高温和等静压的结合，通过消除内部气孔改善疲劳响应。 部件的几何形状和表面缺陷：可能会引起应力集中，进而降低部件的疲劳寿命。大多情况下增材制造样品中存在大量可能影响零部件几何形状的制造变量。表面粗糙度已被证明是影响粉末床熔融Ti-6Al-4V疲劳寿命的最不利因素。例如，层高影响表面粗糙度和内部缺陷的形成，进而影响疲劳寿命。目前已经提出了一些方法来表征和评估疲劳试验数据的适用性，这些方法是针对传统材料和制造方法定义的，没有考虑增材制造的疲劳相关方面。因此这项研究提出了一种表征已报道的增材制造疲劳试验数据适用性的方法。该方法考虑了增材制造的具体流程、设计和材料方面。它可用于确定报告数据与特定场景的相关性，并为增材制造疲劳研究人员提供指导，说明有效报告需要哪些文档。利用公开的粉末床熔融Ti-6Al-4V疲劳数据对该方法进行了验证。这项研究提供了对报告数据的总体质量的见解，检查了大量数据，以了解设计和工艺变量如何影响疲劳响应，并确定了未来研究的机会。 表1 根据ASTM E468-18为金属材料的疲劳报告选定的疲劳文件标准 表2 增材制造文件标准选自ASTM F2971-21标准，用于报告增材制造公司制备的试验样品的数据  图1 基于35个增材制造疲劳数据的每个组合文档标准的满意率 图2 疲劳、增材制造和组合文档标准的适用性指数 图3 显示粉末床熔融试件疲劳数据S-N图 图4 这项研究中分析的所有增材制造疲劳数据的算术平均粗糙度Ra与最大应力Ra的对比 增材制造的使用在高价值商业应用中变得越来越普遍，包括疲劳限制组件。然而为了自信地采用这些安全、关键、高价值应用报告的增材制造疲劳测试数据，强大的支持文档是必不可少的。这项研究提出的增材制造疲劳试验报告适用性指标代表了现有方法在量化疲劳试验数据对增材制造适用性方面的重大进步。这些指标可以用来评价已发表的增材制造疲劳试验数据的质量，帮助设计人员识别高适用性的数据，并识别低适用性的领域，这些领域可能是进一步研究的目标。该研究还强调了高度相关的增材制造合金(Ti-6Al-4V)文件的不足，强调了对增材制造疲劳数据进行严格评估的必要性。最后这项研究中使用的粉末床熔融Ti-6Al-4V大型数据集为增材制造疲劳反应中可能发生的变异性提供了有价值的见解，特别是与制造，抛光和热等静压样品有关。这些数据为未来研究感兴趣的独立变量提供了宝贵的资源。 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.增材制造：拓扑优化与梯度点阵结构提升零部件附加值 2.沈航：面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展 3.整体化、轻量化与批量化 | 铂力特展示航空航天金属3D打印潜力与趋势 4.「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

导读：只有在稳定的制造条件下，金属注射成型或采用粘结剂喷射3D打印工艺(如粘结剂喷射)生产的烧结零件才能达到一致的高质量。然而，烧结炉中的不均匀和瞬态温度是难以控制的重要变化因素。 在开发和生产部件时，必须找到相对最佳的设计或制造条件，特别是在价格压力和质量要求的背景下。由于时间、资金的限制，在这些领域达到绝对的最佳状态是不可能的，只能缓慢持续改进过程。对于粘结剂喷射3D打印技术成形的零件，通常首先需要将零件进行脱脂，在该过程中大部分的粘结剂会被去除。 然而，烧结炉内的瞬态和不均匀状态会对烧结件产生影响。特别是，烧结零件内的温度梯度是各种问题产生的原因。因此，随着烧结零件尺寸的增加，这些问题变得更加复杂。同时，不均匀的热输入还会造成粘结剂降解不均匀的后果。烧结炉的高质量烧结只能通过在受控条件下稳定的制造工艺来实现，从成型开始，到烧结结束。   对于粘结剂喷射3D打印来说，在工业烧结过程中，单个烧结部件的温度随着时间的推移而变化，并根据它们在炉中的位置而变化。这意味着在烧结过程中，每个烧结部件都暴露在单独的瞬态温度环境中。 在烧结阶段开始时，部件由于放置的位置不同，温度相差可超过30℃。同时，中间的零件比靠近炉膛加热的零件晚20分钟以上达到所需的烧结温度。这证明，即使在烧结过程中保持炉温，也会导致每个烧结部分的瞬态、不均匀的温度环境。  炉温刚刚达到1400℃时(左)和保温时间结束时(右)的烧结件温度 仿真计算的结果显示，在3.5小时后，炉内各处应达到1400°C的目标温度，然后在炉内保温1.5小时。然而，计算显示出不同的结果：烧结部件之间的温度分布明显是不均匀的，当炉温刚刚达到1400°C，温度差异100°C，结束的时候保持时间共计5小时后，温度差异仍高达34°C。在这个例子中，辐射热源在1400°C，在真空烧结的情况下，决定变量是炉内所有区域、置物架和烧结部件之间的热辐射，以及模型中所表示的所有部件内部的热传导。计算表明，在加热开始时，面向受热体的烧结部件暴露在高达3500w /m2的高热流中，而放置在炉中央的烧结部件几乎没有接收到热量。热量从炉管散发出来，被炉壁、炉门内侧、炉架和烧结件吸收。发射或吸收的问题产生于辐射能交换的表面的温差。 在加热阶段结束时，炉内某一段的烧结部件的温度。左边边界是炉中心，右边边界是炉侧的加热管 仿真定义了两个特征阶段：第一阶段是加热阶段，在该阶段，样品的导热系数由钢颗粒的热传导和它们之间的辐射的温度依赖效应决定；第二阶段是等温烧结阶段，导热系数由同样的效应决定。考虑到粉末颗粒在烧结过程中形成越来越致密的结构时，热传导量的增加。在烧结过程中，从烧结开始到烧结完成，导热系数随密度的增加而增加，从40%到100%呈线性变化。在保温阶段，仍有相当大的热量交换，这是由于炉内永久存在的温度梯度。 烧结炉内的温度分布在任何时候都是不均匀的。考虑到这一点，应该提出有关工艺改进的问题，以便在烧结过程中更接近稳态和均匀温度。然而，开发、测试和实现可使炉温更均匀的替代加热概念当然是有风险的、耗时的和成本高的。  粘结剂降解过程中生坯的瞬态局部应变   在重力作用下蠕变和基底上自由滑动会产生瞬态局部收缩  对于注射成型和粘结剂喷射3D打印零件的热脱脂过程中，粘结剂不均匀分解和由此产生的不均匀瞬态应变和应力，可能会使零件中出现缺陷。例如，不均匀、单侧暴露在高温下下的生坯部分会面临特殊风险，会导致生坯部分的特征性伸长；在重力作用下蠕变和基底上自由滑动会产生瞬态局部收缩。  实际上，烧结变形，已经成为一些从事粘结剂喷射3D打印技术开发的企业面临的主要难题。金属粘结剂喷射技术对材料、粘结剂以及打印工艺（包括粘结剂的喷射量、粉末中的压力分布、沉积时间等）、烧结制度、零件设计等等有着重要的依赖关系，技术含量并不比SLM低。与此同时，该技术所制备的零部件存在两个主要缺点：一个是在烧结过程中零件的非各向同性收缩问题；另一个是由于零件重量与烧结制度匹配不佳所带来的潜在变形问题，这会限制所能成型的最大零件尺寸。此外，还有一个不可忽视的因素是设备成本问题，后工艺阶段的脱脂烧结炉，比3D打印机贵的多。 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.粉末床熔融和粘结剂喷射金属3D打印零件热处理及烧结面临的挑战 2.金属粘结剂喷射3D打印：在尝试使用该技术时须考虑整个工艺链 3.粘结剂喷射金属3D打印│知名汽车品牌均在挖掘其应用潜力 4.最新突破：粘结剂喷射完成攻克钛、铜、铝3D打印制造

导读：“打印故障率甚至要远低于进口的价值百万级别工业级FDM（工业级千分之五的水平）。正是由于这样的打印表现，使产品得到了很多大型3D打印服务商的认可。”   对3D打印行业来说，TCT亚洲展（亚洲3D打印、增材制造展览会）一直扮演着重要引领的角色。其Slogan也从最早的“设计灵感制造创意”，到“设计制造一体化”，再到当下的“构建3D打印与增材思维”，TCT一直是推动3D打印技术应用的重要组成力量。2023年9月12日-14日，第9届TCT亚洲展将在国家会展中心（虹桥）举办，作为此次展会的参展商和赞助合作伙伴，Raise3D复志科技此次的展台搭建体现出该公司对于从原型到生产的全新理解——Raise the Production！ 作为穿越疫情三年之后的首届展会，Raise3D将把过去三年沉淀的各项应用，以极高的浓度在本届TCT上为观众展示，观众将在展台上看到后现代主义的拼接——一个运动快闪店、一个超级“打印农场”、一个汽车4S车店。 7×24小时连续工作 打造超级3D打印农场 由12台配置HyperSpeed高速套件的Pro3和Pro3 Plus带来的3D打印农场矩阵，将展示高速、高精度和连续生产的能力，将颠覆对于FDM/FFF技术的固有认知。 展会首日（9月12日）更有合作伙伴关于3D打印服务、人工智能和自动化生产的精彩的演讲！     Raise3D复志科技CTO李健喆表示：“Pro3系列在目前生产服务商和大型的工厂集群客户都有极好的应用示范，作为FDM类型打印机，其核心连续生产指标——打印故障率甚至要远低于进口的价值百万级别工业级FDM（工业级千分之五的水平）。正是由于这样的打印表现，使产品得到了很多大型3D打印服务商的认可。” 面向可持续的未来 新能源汽车改装和售后 这次我们还在展台里面塞进一个新能源汽车售后展区，一个汽车改装展区，展示了面对不同的制件，Raise3D打印设备在汽车改装领域展现出的多种应用能力。对于售后服务或者是汽车改装店来说，目前新能源的4S越来越集中在中央商圈，Raise3D打印机能高速地打印出客户需要做的改装件或者需要维修更换的零件，未来将有机会像眼镜一样实现立等可取的效果。以下为改装样件展示：  此外，Raise3D还推出全新工业级3D打印机RMF500，非常适合汽车行业的试制以及后市场。Raise3D CTO李健喆表示，“2023新款的RMF500搭载了HyperFFF™技术，也很有可能是全球第一款把主动消振的高速3D打印技术加到工业级产品的设备。”  设计制造一体化 运动品牌快闪店 Raise3D复志科技展台内还开设了一个运动快闪店，3D打印的碳纤维单车、3D打印鞋等都可以在一览无余，此外还准备了刚刚全新发售的2款运动鞋，可以在现场试穿，并在展会现场直接扫码下单，快递到家。 匹克态极910板鞋鞋面采用FDM熔融堆积3D打印技术，轻盈、透气、100%可回收再利用。鞋面线条灵感来自赛博朋克美学中的神经义体贯穿整个鞋身，将复古的构型全部突破重构。 匹克态极910 3D打印板鞋   匹克音爆2.0 3D打印「音浪系列」篮球鞋灵感源自战斗机划过海面激起的浪花，鞋面布满精细的3D打印海浪纹理，仿佛将汹涌的海浪凝固在鞋面上，赋予了鞋子动感十足的外观，每一步都如同冲浪者踩在汹涌海浪之上。 匹克音爆2.0 3D打印鞋 ▲Raise3D如何助力匹克运动鞋生产转型？ 全新设备、全新工艺，全新机型，9月12日 上午10:00 即将发布。 扫描下方二维码，提前预约参观，免现场50元门票费。更多精彩活动，请莅临TCT 2023 Raise3D复志科技J24展台！ 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.国际赛车车队将3D打印应用到赛车运动中的多种方式 2.America Makes再资助近1200万美元用于3D打印材料开发和数据收集 3.联泰科技光固化3D打印技术助力我国电子制造企业升级 4.汉邦科技将携最新金属增材制造解决方案亮相2023深圳Formnext

热交换器在多种应用中不可或缺。一般来说，热交换器用于在流体之间传递热量（通常是运动流体），以消除组件在工作过程中产生的过多热量。特别是在航空航天应用中，发动机的大部分冷却是由位于发动机和机舱之间的空气-油热交换器提供的，热交换器可以冷却运行中发动机的机油，从而尽可能优化发动机的容量。因此，该器件必须能够在高温、严重腐蚀和磨损的条件下运行，适用于在海洋大气、动态振动和长时间运行的地区停顿时间较长的飞机。 热交换器传统开发和制造面临挑战  由于结构复杂，航空航天热交换器传统上通过钎焊或扩散接合组装薄板的漫长流程生产而来。钎焊使用熔点低于所连接基材的填充金属，可产生牢固的粘合并提高耐腐蚀性等性能，但它并不完全适合具有多个接头的大型部件，并且需要高技能和经验丰富的操作员才能达到最佳结果。创新的扩散接合可以使金属部件之间更好、更容易的结合，从而形成高性能的紧凑型热交换器。特别是，该过程包括施加高温和高压来粘合板材，而不会熔化或使形状变形。然而，该过程需要专门的设备和较长的处理时间。此外，连接的成功依赖于表面处理和表面之间的紧密接触，限制了复杂几何形状的应用范围。多年来，航空航天业取得了巨大的技术进步，如今热交换器的组件制造效率更高，以最大限度减少浪费。然而，新的、更高效的热交换器的开发仍在继续。最重要的是通过影响尺寸等来减少组件的最终重量，同时热效率方面的性能必须达到高水平。因此，热交换器的设计和制造过程中有几个主要目标，从工程和生产成本的角度来看，这些目标都具有挑战。 航空发动机中的油热交换器 如今，航空航天领域使用的所有组件都对制造和使用寿命提出了要求，以满足最严格的环境规则，迫使这些行业对热交换器有了新的愿景，希望通过复杂设计提升热交换效率，但通过传统制造技术却实现复杂系统的制造。此外，这项新规定引发了对新型制造技术的考虑，因此也考虑了具有高密度/强度比的材料。 由3D打印制造的热交换器 热交换器的设计通常是最大化零件表面积和最小化零件内压降之间的复杂平衡。通常，热交换器可以通过多种方式进行分类，例如传递机制、过程性质、流体流动和紧凑性。紧凑型热交换器的特点是每单位体积具有大量的热交换表面，通过最小化组件的总体积来最大化传热是紧凑型热交换器设计的基础。由于体积相对较小、重量轻且热效率高，这些紧凑型热交换器已在航空航天领域得到广泛应用。 拓扑优化与晶格结构受重视 科学界仍在探索新的设计工具和制造方法，以解决热交换器的现有局限性，并最大限度提高热效率，同时实现组件的极度紧凑和轻量化。热交换器的许多细节最终不是由性能要求驱动，而是由制造能力驱动。因此，了解节距、翅片高度和翅片厚度等变量的影响对于重复生产轻质、高性能的热交换器至关重要。过去，大量关于翅片形状与热效率之间相关性的研究推动了新热交换器的设计。传统上，所使用的翅片类型是金属板材成型或弯曲工艺的结果，并且其几何形状必须允许在最终部件上轻松连接。这减少了用于生成新的、功能更强大的热交换器的可能的几何形状组合。 Sintavia 3D打印制造的大尺寸热交换器   现代工业已达到一定的技术进步水平，可以保证克服上述限制。特别是，设计阶段的拓扑优化和生产阶段的增材制造这两种新技术的结合，扩大了热交换器的生产空间，增加了可能的类别，并且在一些限制下，可能有助于提高性能用于航空航天和其他应用。 拓扑优化是一种数学技术，它使用可变的设计参数和约束条件来生成形状，以保证一个或多个目标函数的最大化或最小化。具体来说，在满足约束条件的情况下，通过调整工程参数的值来达到目标函数的最大值或最小值，这就是优化的实现。这种有用的工具与先进的计算建模软件和增材制造技术相结合，可以创建具有优化表面和低重量的热交换器设计。 使用优化模型和增材制造生产的新型热交换器 对最大化散热和性能的日益增长的需求是热交换器设计的新愿景。例如，晶格结构的使用被证明是增强传热从而提高热交换器效率的一种可能方法。晶格结构是一种由支柱组成的结构，以周期性排列的拓扑顺序排列，重复一次或多次。网格结构保证了显著的机械阻力，从而形成高效的负载支撑系统，并且还为横流热交换提供了制造的可能性。由于冷流体通过孔道传播的横流，来自热流体的热量通过传导和对流通过网状结构局部消散。晶格结构的空区域中的高热传导和对流以及低流动阻力的结合导致了高效的热交换。传统上，晶格结构是使用传统制造技术生产的，这在架构数量上有很多限制。另一方面，现代增材制造技术的引入扩大了可以创建的可能几何形状。 带有晶格结构的3D打印热交换器   目前，对空心结构使用的研究正在进行中，与晶格结构的结合可以显著提高热效率。这些通过增材制造制造的新型空心壁热交换器具有巨大的工业发展潜力，但传热、损失和结构类型之间的关系仍需要正确评估。尽管如此，通过增材制造晶格结构和薄壁特征的一些限制仍然是科学研究仍在努力应对的挑战。最小和最大倾斜度、厚度和精度的限制并不总能保证实现复杂结构的制造。 热交换器的增材制造 增材制造是一种现代制造工艺，为创造具有复杂几何形状的新产品提供了极大的灵活性和机会。近几十年来，增材制造开始对传统制造技术难以制造的产品且原材料浪费非常严重的工业领域产生了巨大影响。此外，增材制造的引入使得拓扑优化等技术的实施成为可能，从而通过减轻组件的重量来提高性能。因此，在航空航天领域使用这些工艺制造组件增加了创新机会，并提供了制造热交换器的新方法。 GE9X上的3D打印热交换器 如今，增材制造工艺多达几十种，但能够制造热交换器的3D打印工艺需要仔细甄别。直接能量沉积（DED）技术能够生产大型部件，但产品的最终表面和尺寸精度较差，使得该工艺不适合生产薄型特征的热交换器。超声波增材制造 (UAM)利用超声波摩擦来连接薄金属板，然后通过减材工艺对该层进行加工以创建所需的几何形状，目前有许多研究正在证明该技术制造热交换器的能力。粉末床熔融技术是迄今为止大规模生产金属零件时使用最广泛的增材制造方法，该工艺制造了当前最常见的3D打印热交换器。 赛峰金属3D打印的新型高性能热交换器 为航空发动机等行业设计更为高效的热交换器因3D打印技术的成熟而变得可能。本文为热交换器增材制造的第一篇内容，下篇将介绍3D打印制造热交换器的挑战及材料选择。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 | 赛峰集团推出新型航空发动机热交换器HIPEX 2.90万欧元3D打印热交换器订单！ 3.高导热、高强度——用于热交换器3D打印的「双两百」铝合金问世 4.增材制造高性能换热器的应用设计

结构拓扑优化设计以寻求材料最优分布形式与最佳承力路径为目的，在符合结构材料力学特性的前提下，实现结构的轻量化设计。然而拓扑结构往往比较复杂，传统制造技术难以实现精准、快速制造。金属增材制造技术可实现复杂零件的快速制造，极大地拓宽了设计空间。 增材制造技术前沿注意到，来自沈阳航空航天大学机电工程学院和中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所的研究人员发表了《面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展》一文，综述了面向金属增材制造技术的结构拓扑优化设计研究进展，从优化拓扑算法的角度，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施；从金属增材制造约束的角度，总结了考虑几何约束、成形约束、材料性能约束的拓扑优化方法，并结合金属增材制造与拓扑优化技术的发展趋势进行了展望。   面向金属增材制造的拓扑优化设计随着我国航空航天事业的持续发展，航空结构件需满足轻质高效、长航时、高机动性等要求，因此，进一步降低结构质量系数是结构优化设计领域面临的一项严峻挑战。传统轻量化设计大多是基于经典结构的等效替换，例如通过新工艺、新材料等精益改善和挖掘结构潜能，现已趋近“天花板”。 拓扑优化技术作为结构优化设计的重要分支，通过定义材料属性、载荷工况与约束条件，寻求给定设计域内材料的最优分布形式，是结构轻量化设计、获得高性能创新构型的有效设计方法，现已被广泛应用到航空航天、汽车制造等领域中。例如，应用填充微观点阵结构的卫星支架多尺度拓扑优化设计，使卫星支架减重17%，动态响应减少25%；考虑切口、保持传统钣金轮廓的涡轮发动机支架的拓扑优化设计，使发动机支架减重25%；考虑增材制造工艺、扩大设计空间的拓扑优化设计，使发动机支架减重66%，最大位移减少约50%；由30多个单独部件组成的稳定器前翼梁支架，应用拓扑优化一体化设计，成功实现前翼梁支架减重30%，显著改善结构性能，提升加工效率。  金属增材制造技术   然而拓扑构型通常较为复杂，受制于传统制造工艺限制，设计人员往往需要简化最优拓扑构型，这导致拓扑优化的结构优势不能充分体现。增材制造技术使用高能束热源，采用“自下而上”材料逐层熔化沉积的叠加方式，无需模具，可实现复杂拓扑构型的快速“自由制造”，解决了结构优化存在的“制造决定设计”的问题，极大地拓宽了设计空间。但金属增材制造技术并不是完全“自由制造”技术，仍存在特有的制造约束，如当拓扑构型最小尺寸小于设备精度时，则会出现打印失败现象；受制于设备成形腔与结构热变形限制，增材制造大型构件时，需进行分块与连接处理；增材制造零件有时会沿构建方向出现20%~40%的强度损失；对于粉末床增材制造技术，在制造含有封闭孔洞的拓扑结构时会出现内部粉末与支撑难以去除等问题。因此，在拓扑优化设计中考虑增材制造约束，发展面向金属增材制造的拓扑优化设计方法具有重要意义。 金属增材制造技术虽有效解决了复杂拓扑结构可制造性差的问题，但仍存在某些制造约束，如当结构最小尺寸小于束斑直径时，零件实际打印轮廓会超出设计轮廓；激光选区熔化技术所能制造的零件几何尺寸受限；当悬垂角度选择不当时，会产生零件装配孔材料塌陷、支撑结构断裂等现象；采用粉末床增材制造技术时，制造的含有封闭孔洞的结构存在内部粉末与支撑无法去除等问题。因此，在拓扑优化设计中需同时考虑结构几何约束、成形约束、材料性能约束等多种增材制造约束，从产品拓扑优化设计源头改善制造工艺局限性，以实现结构设计制造的一体化。   增材制造打印失效 ：（a）装配孔材料塌陷；（b）支撑结构断裂；（c）内部支撑无法去除 拓扑优化设计可以依据材料属性、约束条件及载荷工况，在给定设计区域内寻求材料最佳分布形式与最优承力路径，实现高性能轻量化设计。金属增材制造技术基于高能束热源，采用快速熔化与逐层叠加的成形方式，可实现复杂拓扑构型的快速原型制造与实体自由制造。将拓扑优化设计与金属增材制造结合，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施，总结了考虑金属增材制造几何尺寸约束、成形约束及材料性能约束的拓扑优化方法，为学者们进一步研究面向金属增材制造的拓扑优化设计提供了参考。   考虑最小尺寸约束的拓扑优化：（a）节点设计变量与投影函数 ；（b）鲁棒公式 ；（c）空间梯度算子 ；（d）骨架提取与最小特征优化 MBB 梁自支撑优化：a）悬垂投影约束；b）优化悬垂角度与打印方向；c）多边形特征孔；d）非线性虚拟温度场   考虑连通性约束的拓扑优化：a）虚拟温度场；b）最短连接隧道；c）边约束；d）应力最小化   考虑材料各向异性的拓扑优化：a）强度各向异性 ；b）量化增材制造工艺参数   拓扑优化设计存在设计变量巨大、计算效率较低、求解困难、弱收敛等不足，现有拓扑优化算法往往难以输出可直接应用于增材制造的结构性能最优解，学者们往往基于最优拓扑构型进行二次简化设计，损失了结构性能。因此，结合并行计算技术，开展设计变量较少、收敛性较好的算法研究以输出可直接应用于增材制造的最优拓扑结构具有重要现实意义。 宏观拓扑优化与微观点阵结构研究日趋完善，将宏观拓扑优化设计与微观点阵结构有效融合，建立多尺度结构之间的高度衔接性，充分利用拓扑优化的高性能构型及增材制造提供的广阔设计空间，追求高性能的轻量化设计具有广阔发展前景。 考虑金属增材制造约束的拓扑优化方法采用较为理想的材料模型，与金属增材制造技术实际打印过程存在一定的差异，因此，通过建立多元工艺参数下的材料各向异性精准拓扑模型，量化金属增材制造设备工艺参数，模拟金属增材制造加工过程及预测零件翘曲变形与开裂，可有效减少残余应力与变形，改善成形精度与表面质量。 面向金属增材制造的拓扑优化往往是基于单一材料的优化，将多材料、拓扑优化及金属增材制造有效结合，研究功能梯度材料的拓扑优化设计与金属增材制造技术，实现材料、结构、工艺、性能一体化设计，是追求高性能、多功能、轻量化的又一突破点。 该文收录于《中国激光》2023年第12期。刘博宇, 王向明, 杨光, 邢本东. 面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展[J]. 中国激光, 2023, 50(12): 1202301.本文已获取作者及期刊特别授权，如有转载，请联系授权方。《中国激光》由中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办，创刊于1974年，是国内唯一一本全面报道激光技术领域最新研究成果的专业学报类期刊，被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。在光学领域唯一连续2次获得全国“百强科技期刊”，多次获得“百种中国杰出学术期刊”称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年获得了“第五届中国出版政府奖”期刊提名奖。面向国家重大发展需求，《中国激光》于2021年推出“前沿激光制造”专题刊，以强化国家战略科技力量，推动制造强国战略目标加速实现。“前沿激光制造”专题刊聚焦国内外激光制造领域的优秀成果，以前瞻视角为站位，以激光制造领域的战略性支撑技术为出发点，通过快速报道领域内的动态与发展趋势，推动激光制造领域的产学研创新发展。专题刊收稿范围包括：激光增材制造、激光微纳制造、激光成形制造、激光表面加工。欢迎各位老师持续关注。    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.增材制造：拓扑优化与梯度点阵结构提升零部件附加值 2.案例剖析 | 拓扑优化与点阵填充实现轻量化的秘诀 3.整体化、轻量化与批量化 | 铂力特展示航空航天金属3D打印潜力与趋势 4.直接和间接3D打印部件，大量轻量化技术和材料——奔驰下一代电动汽车制造思路

3D打印技术参考注意到，定向能量沉积3D打印技术在近年来悄悄发展了起来，学术研究相比以前大为增多，行业应用尤其突出。接下来，以几个事实予以佐证： 2023年4月19日，首都航天机械有限公司发文指出，公司电弧增材制造技术获评中国航天科技集团2022年度十大技术突破（公开信息）。 以3D打印技术制造整枚火箭著称的Relativity，其所开发的Stargate工业机器人3D打印机，其末端执行器采用了电弧和激光沉积技术；依赖该技术制造的Terran 1火箭于3月23日发射，首次向全世界展示了其全3D打印的火箭可以承受最恶劣的轨道发射条件。 美国宇航局已经采用激光定向能量沉积技术制造并测试了大尺寸的推力室，并且正在资助用于空间应用的电弧增材制造技术。 波音公司于2021年与从事电弧增材制造技术开发的AML3D签订了制造合同；2023年3月，美国海军开始与该公司展开合作，并于本月宣布延长合作。 北航王华明教授团队采用激光能量沉积技术，制造了某战斗机主承力框以及C919飞机机头处的钛合金整体窗框（皆为公开案例）。 国内西北工业大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等单位也开展了定向能量沉积3D打印技术的研究。其中，西工大官方新闻指出（点击），其开展的高性能铝合金电弧增材制造材料和制造技术基础研究为我国空间站梦天舱和长五B的研制提供了重要技术；南京航空航天大学发文指出（点击），该校开发的飞船防热承载结构精密激光焊接与高效增材制造技术，已应用于我国新一代货运飞船的研发。弗劳恩霍夫激光技术研究所则开发了将电弧和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。   总的来说，定向能量沉积是指以激光、电子束、电弧等为能量源的材料沉积技术，是高性能、大尺寸金属构件重要的3D打印技术。作为目前最成熟的金属增材技术之一，定向能量沉积3D打印技术因其在特定位置沉积、关键结构修复、合金设计、双金属/多材料结构、复杂形状三维打印等方面具有的独特优势，已被航空航天、国防军工、重工机械、汽车制造等应用领域视为高复杂度、大尺寸、低成本金属结构的高效高性能先进解决方案。 行业关注度显著增长 3D打印技术参考注意到，关于定向能量沉积尤其是电弧增材制造的学术研究和应用，近年来显著增多。然而，该技术在行业内的重视程度显然仍不如传统的粉末床熔融3D打印技术，对于该技术可以成型哪些材料，有哪些特有的优势和局限性，当前的发展现状等，还未得到系统梳理。 在受控电弧智能增材工信部重点实验室的指导下，格智空中讲堂携手Formnext + PM South China，将于8月深圳共同举办定向能量沉积增材制造行业国际盛会“第一届国际定向能量沉积增材制造前沿技术及应用高峰论坛”。 本次论坛聚焦激光、电弧、等离子、电子束、冷喷、搅拌摩擦等各类前沿、新兴定向能量沉积增材技术；依托格智前沿技术融合和资源优势及Formnext + PM South China的增材行业及终端应用行业影响力定向邀请来自世界各地的国际资深专家、顶尖研究人员、和来自航空航天、国防军工、重工机械制造、船舶制造等产业优秀行业应用代表以及前沿技术厂商等共聚一堂。旨在为行业提供前沿技术分享、创新应用案例交流、市场信息交流、风险挑战应对的战略导向型优质平台，赋能DED技术快速产业落地，引领DED行业高质量持续发展。   会议时间 2023年8月30日 举办地点 深圳国际会展中心6号馆 会议室C 指导单位 受控电弧智能增材工信部重点实验室 主办单位 格智学院 广州光亚法兰克福展览有限公司 本次高峰论坛对高校以及研究所、行业观众免费注册。扫描下方二维码可快速提交参会资料。 本次高峰论坛设立了会议群，提交报名注册后可以添加主办方进群，可获取更多会议资料和信息。 总的来说，中国航空航天、舰船、轨道交通等新兴战略领域发展迅速，对金属构件的性能、精度、制造效率的需求不断提升。采用高性能大型轻量化整体构件替代传统的铆接、焊接结构拼合件，不仅可减轻装备重量，还能提高性能参数与服役寿命。金属增材制造技术以零件的三维数字模型为基础，通常使用激光、电子束、电弧等热源，将金属丝材、粉材熔融再结晶，运动机构按照既定路径将熔融金属逐渐累加直至成形最终金属零件。因脱离了模具、锻压及加工设备尺寸的限制，金属增材制造正逐渐成为新一代大型高强轻质合金结构件的重要制造手段。   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.视频：ORNL使用3组机器人，电弧3D打印大尺寸金属零件 2.激光+电弧混合增材制造新工艺 | 哈工大团队取得重要研究进展 3.电弧增材制造获评中国航天科技集团2022年度十大技术突破 4.西工大「高强韧铝合金增材制造」为梦天舱、长五B研制提供了重要技术

折叠结构，在军事上可用于战地指挥、战场救护、装配抢修及野外帐篷等，对提高部队的后勤保障能力、增加部队战斗力有重要意义；在航空航天领域，折叠结构有着不可替代的地位，已用作太阳帆、可展式天线等。 随着3D打印技术的发展，具有可控性能的智能结构4D打印正在获得大量研究，折纸镶嵌，有望为产品开辟新的设计和应用。当前最流行的4D打印方法之一是通过加热故意使从FDM 3D打印机挤出的热塑性塑料发生变化，以实现运动或存储。这种方法的优点在于工艺容易获得且成本较低，但分辨率不可避免的受到FDM 3D打印机的限制。另一种流行的4D打印方法是打印对湿度变化或(脱)水化反应的可收缩自折叠材料，这种方法对需要生物安全性能的可穿戴设备和食品特别有用。然而，对于复杂的形状变化，分辨率仍然是无法回避的问题。总之，当前的4D打印技术，要么分辨率低，要么需要手工，容易出错且后处理较为耗时。 近日，东京大学的研究人员推出了一种结合2D打印、折纸结构和化学的新方法，可实现快速3D物体制造，且不会产生任何材料浪费。这种喷墨式4D打印工艺，有可能克服限制并为不同行业开辟无限的应用前景。与传统的逐层3D打印技术会导致生产时间延长和材料浪费不同，研究人员从4D打印中汲取了灵感。在这里，具有独特属性的材料在特定条件下自折叠成复杂的 3D形状，利用时间作为转变的关键因素。‍ 东京大学电气工程与信息系统系项目助理教授Koya Narumi 表示：“我们面临的最大挑战是完善硬件和材料的选择，我们花了一年多的时间才将范围缩小到最终选择。但是所有的尝试和错误都是值得的，与之前围绕相同基本思想的研究相比，我们将输出分辨率提高了1200倍，打印速度提高了2.8倍，还可以实现全彩打印。这意味着我们可以创建的设计不仅新颖，而且可以用于实际应用。未来，我们可能会探索功能材料，例如导电或磁性墨水，这些材料可以用于机器和其他功能设备。” 尽管打印的折纸基本上是平坦的，但它们在中央热收缩片材料的顶部和下方结合了许多不同的墨水层。底漆有助于墨水粘附在纸张上，即使在潮湿的情况下也是如此。黑色墨水可以抵抗收缩，从而实现折叠。白色图层为颜色图层提供了空白画布。最后的透明层可以保护下面的所有结构。 用于 4D 设计的 2D 图层 该技术的核心是专门设计用于处理紫外线反应材料的喷墨打印机，尽管这些打印机可能需要更高的成本。该打印机将二维折纸设计精确地应用到热收缩塑料片的两面。此外，印刷过程中使用的墨水在随后的收缩过程中不受影响，确保即使在干燥后也能保持其柔韧性。通过策略性地合并两侧墨水部分之间的间隙，设计人员可以精确控制纸张的折叠方向。   折纸主要有两种折痕：山谷褶皱和山脉褶皱。在每种情况下，纸张要么向内折叠，要么向外折叠。为了进行这些折叠，在热收缩片的一侧留有间隙，以便在加热时，片的这一部分可以像山谷一样向内折叠，或者像山一样向外折叠。 通过使用热水对平板进行加热来触发自折叠过程。在此过程中，具有抗收缩性的墨水发挥着关键作用，使材料自发折叠成复杂的折纸状结构。 “我和我的团队发现了如何使用易于使用的工具和材料来创建自折叠4D物体，”Narumi 补充道。“本质上，我们正在制作带有折纸图案的平板，这些图案可能很复杂，即使是熟练的折纸艺术家也需要几个小时才能形成。但得益于我们的特殊工艺，您可以将热水倒在这些平板上，然后观看它们在几秒钟内变为复杂的3D形状。”   专门创建的软件将输入的3D模型转换为可以打印的2D图案。然后可以将打印件浸入热水中，自行折叠成最终的3D物体 研究人员对这项独特技术在各种应用中的巨大潜力表示了期待。其中，时尚业将从中受益，因为它经常面临材料浪费的问题，特别是在定制设计的背景下。该技术能够在4D打印物品保持平整的情况下运输它们，为解决物流和存储障碍提供了一个有吸引力的解决方案，使其成为灾难恢复条件下的实用选择。医疗设备等基本物品可以打印为平面形状，并在现场转化为功能齐全的3D对象。 该技术可用于开发先进服饰 可用于制作加密信件 一段时间以来，3D打印已被用于制作产品原型，现在更多的用于商业产品的制造，甚至包括喷气发动机的零件。但每种3D打印方法都有其局限性，例如完成打印所需的时间较长或打印过程中残留材料的浪费。4D打印这一概念旨在使用最少量的材料来缓解这些问题，这些材料被选择为具有某些特殊属性，使它们能够在适当的条件下自动折叠成复杂的3D状。它被称为4D打印，因为自折叠的过程必然要利用时间，这通常被称为第四维度。有意思的是，这种新的快速4D打印方法始于2D领域。 东京大学的研究人员表示，4D打印工艺目前正在不断探索和发展，为快速、无浪费制造成为现实的潜在未来提供了见解。研究人员表示，他们“热切期待”其实际应用及其对不同行业的影响。 推荐论文：Inkjet 4D Print Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing 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.大幅面、高精度和高效率！铼赛智能打破专业级DLP 3D打印机天花板 2.“十四五”国家重点研发计划“大幅面纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备”项目启动 3.奔驰匈牙利工厂选择一迈大幅面3D打印设备，用于生产工装夹具 4.打破垄断，国产米级超大幅面高温3D打印机，航空航天非金属优选方案

目前，中国航空航天、舰船、轨道交通等新兴战略领域发展迅速，对金属构件的性能、精度、制造效率的需求不断提升。采用高性能大型轻量化整体构件替代传统的铆接、焊接结构拼合件，不仅可减轻装备重量，还能提高性能参数与服役寿命。金属增材制造技术以零件的三维数字模型为基础，通常使用激光、电子束、电弧等热源，将金属丝材、粉材熔融再结晶，运动机构按照既定路径将熔融金属逐渐累加直至成形最终金属零件。因脱离了模具、锻压及加工设备尺寸的限制，金属增材制造正逐渐成为新一代大型高强轻质合金结构件的重要制造手段。   典型的能够制造米级金属构件的3D打印技术包括电子束熔丝增材制造（EBFF）、激光熔化沉积（LDED）、电弧熔丝增材（WAAM），其他金属增材方法，如片材层压增材、冷喷涂增材、搅拌摩擦增材等，现阶段不适用于高性能大型件制造。东南大学研究人员在稀有金属期刊发表了题为《大型金属构件多机协同增材制造前沿进展》的文章，3D打印技术参考获得了该文的发布授权，对以上技术分别论述。 1. 大型金属件电子束熔丝增材制造 因电子束具有能量密度高、加热集中、精确可控等特性，EBFF沉积效率高、成形件致密度高、不易产生未熔合缺陷且变形小，可以实现不同材料、不同材料梯度零件的直接近净成形。EBFF需在真空舱内进行，增材过程充分隔绝空气，可保证零件质量。然而，真空舱的应用极大提升了制造成本，使得该方法仅适用于航空、航天等关键领域的小批量零件制造。美国航空航天局兰利研究中心是较早开展针对大型金属构件EBFF技术研究的单位，成功研制了六自由度的EBFF设备，配备2.7m×2.5m×2m的真空舱，可实现大型航空结构件的修复与制造。美国Sciaky公司生产的EBFF系统最大可加工零件尺寸可达5.79m×1.22m×1.22m，回转结构最大直径为2.44m，可加工钛、钽、镍基合金等材料。图1为该公司打印的航空推进剂钛合金存储罐。中国航空制造技术研究院是国内针对EBFF研究的单位之一，开发了国内首台电子束熔丝成形设备，并陆续开展了TC4，TC18钛合金及A100超高强钢零件的增材制造，获得装机应用。 图1 Sciaky公司制造的大型航空推进剂钛合金存储罐 2. 大型金属件激光熔化沉积增材制造 LDED增材常用热源包括CO2激光器、Nd：YAG激光器、光纤激光器。CO2激光器平均输出功率高（最高20kW），金属增材沉积效率可达200cm3·h-1，成形精度较低。Nd：YAG激光器输出功率1~4kW，成形精度较好，但光束质量较差，成形效率低。相较于前两者，光纤激光器的光束质量高、光斑尺寸小、光束集中，成形零件质量好，精度高，且光纤柔性传输便于系统集成。综上，光纤激光器是非常有前景的LDED增材能量源，部分商用光纤激光器功率高达10kW，满足大型金属件材料沉积效率需求。 图 2铂力特3D打印的C919钛合金机翼中央翼缘条 采用LDED方法制造大型金属构件的相关研究较为广泛。20世纪90年代末，美国AeroMet公司针对航空钛合金构件的激光增材技术开展系统研究，指出了大型金属构件增材过程中“热应力”控制是关键科学问题之一。英国伯明翰大学Dil⁃worth等采用激光增材制造方式成形飞机机翼支架，并发现层间不充分重熔导致孔隙，使得零件塑性出现明显各向异性，还需采用热等静压技术消除孔隙，提高延展性。自2000年起，国内科研单位陆续开展大型构件激光增材制造技术的相关研究工作。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东和林鑫采用激光熔敷方式成形C919钛合金机翼中央翼缘条，长度高达5m，性能优于锻造件。北京航空航天大学王华明院士等成功研制出多路沉积“桥式”大型激光增材制造装备新系统。在高性能金属大型关键承力构件激光增材制造“材料-结构-制造”一体化方面形成系列成果，圆满保障了大型运输机、舰载机、大型运载火箭等国家重大装备研制生产任务。 3. 大型金属件电弧熔丝增材制造 WAAM技术通常采用气体保护金属电弧（GMA）、钨极气体保护电弧（GTA）或等离子体电弧（PA）作为热源，将送给金属丝材熔融沉积并逐层成形零件实体。该方法具有沉积效率高、材料利用率高、设备柔性高、制造成本低等优点。同时，WAAM可在无封闭仓的环境下自由成形，制造过程不受零件尺寸、设备尺寸限制。因此，非常适用于大型金属构件的增材制造。 英国Cranfield大学与欧洲航天局合作采用GMA增材制造技术，成形钛合金飞机机翼翼梁和起落架外肋支撑等大型框架构件，材料利用率高达90%以上，产品缺陷少，力学性能优于铸件，如图3所示。然而，因成形零件内部存在大量粗大柱状晶，导致零件整体力学性能各向异性。Almei⁃da和Williams等采用冷金属过渡（CMT）电弧增材方法，成功解决了钛合金增材过程的弧偏吹、大飞溅等问题，并通过提高保护气中氦的含量实现晶粒细化，最终成形了1000mm×400mm×2mm的TC4钛合金垂直薄壁墙结构。 图 3 英尼格玛电弧增材系统 2019年，Ramlab公司采用WAAM技术制造了直径为1350mm，重约400kg的全尺寸镍铝青铜船舶螺旋桨，如图4所示。Cilia等采用WAAM技术制造拖船用螺旋桨，并获得了船级社认证。国内相关单位也开展了广泛研究。华中科技大学的He等采用WAAM技术，成形出尺寸为760mm×37mm×36mm的GH4169航天舵零件，材料利用率高达75%，其抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能优于传统铸造件。然而，WAAM成形过程中随着层数的增加，成形件热积累严重，边缘形貌与成形尺寸的控制困难，使得成形件表面质量较低。哈尔滨工业大学、上海交通大学相关研究团队针对表面成形质量开展研究工作，并应用于大尺寸金属零件制造过程中。 图 4 Ramlab公司采用电弧增材打印全尺寸螺旋桨 图5 10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 图6 Relativity Space采用WAAM生产火箭箭体 2021年，中国国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士等利用电弧熔丝增减材一体化制造技术，制造完成了世界上首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件，在整体制造的工艺稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均实现重大技术突破，如图5所示。 4. 大型金属件增材问题与挑战 现阶段，大型金属构件增材相关研究较少，工程应用中存在问题与挑战总结如下： 1). 大型金属件应力与变形情况复杂。大型金属件熔化沉积增材过程中，成形金属长期处于剧烈、非稳态、周期性、急冷急热的热循环中，带来的复杂热应力。同时，在已成形部分的强约束下熔池快速凝固使构件内存在复杂凝缩应力，非平衡固态相变则会带来非平衡的组织应力，外部机械约束会导致构件内部产生难以预测的机械应力。上述应力相互交织集中，易导致大型金属构件更容易变形、开裂，加剧应力场预测难度。 2). 大型金属件组织性能难控多变。为提高大型金属件增材时效性，通常采用高功率热源增材，随之带来热影响区域的扩大。一方面，熔融金属受多物理场、能量场相互耦合的短时非稳态冶金，导致熔敷金属显微组织以粗大柱状晶为主。另一方面，已成形金属在周期往复复杂热循环的作用下，形成各向异性微结构。尤其是当制造钛合金等对加工温度非常敏感的材料时，组织性能差，控制困难。 3). 大型金属件增材工艺稳定性差。受金属增材热过程残余应力和变形影响，成形件与预设模型易产生尺寸偏差。在大型金属件增材过程中，偏差不断累积，更为显著，使得已成形熔敷层表面变为非平面。因成形偏差，熔敷层部分位置工艺参数与预设不一致，如熔敷头位置、喷嘴高度发生变化，影响材料沉积过程和保护气效果。导致成形件易产生气孔、夹渣、隔层、裂纹等缺陷，无法连续稳定增材，严重影响构件使用性能。 4). 大型金属件增材效率低。现阶段，为保证工艺稳定性，大型金属件增材通常采用单热源设备实现，因工艺窗口限制，材料沉积效率与小尺寸零件相似，加工周期长，部分零件的制造周期甚至可达数月。使得场地、设备和人工成本较高，无法满足快速响应制造的生产需求。 注：本文内容发表于稀有金属，已获得该期刊授权。 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： 1.8月，传统工艺&增材制造：现场碰撞！ 2.2023 TCT亚洲3D打印展预约全面启动 3.火箭院 | 3D打印用于我国两型火箭大尺寸构件直接制造 4.NASA着力开发火箭发动机的多合金和多工艺增材制造

导读：这种测量方法克服了传统红外测量技术的局限性，传统红外测量技术通常存在表面特性和可见度因素方面的问题。据科学家称，该方法的高帧速率和分辨率为复杂过程提供了新的视角。除了精确的温度测量之外，该方法还提供了用于模拟3D打印过程的新参数。根据熔池中峰值温度的分布，可以研究材料蒸发和最终部件的微观结构。该方法的一个主要优点是它独立于金属蒸气的发射率和透射率，这些材料参数不再需要花费巨大的代价来确定。   尽管LPBF工艺被认为是一种成熟的增材制造技术，但它仍然依赖于工艺参数和组件设计的经验选择。尽管金属增材制造技术发展迅速，但早期研究人员发现的几个问题仍然存在，包括热管理问题、孔隙率和裂纹，这些问题可能导致零件无法使用。这些问题推动了现场过程监测和稳健热建模方面的重要研究。 熔池温度测量可用于识别缺陷特征，例如匙孔，凝固区域的冷却速率可用于预测最终的微观结构。熔池热流体模型的进步进一步增加了对熔池内部和周围精确温度测量以进行模型验证的需求。然而，激光穿过粉末床的速度非常快（400-3000mm/s）、且熔池尺寸小（0.1-1mm）并具有高温梯度（5 K/至 20 K/）。 实现实时自动化缺陷检测的最大挑战 高速可见光谱相机、热红外 (IR) 相机和光电探测器均已用于测量熔池温度，以深入了解该过程的热力学。尽管使用热像仪能够进行温度测量，但这些近似值需要假设单一发射率，可能会导致较大的温度误差。其他热监测工作已经以宽视场捕获了整个构建过程，但也需要精确的材料相关发射率校准。典型的LPBF 扫描速度约为1000mm/s，激光光斑尺寸约100μm，大多数热像仪无法提供捕获熔池液位温度瞬变所需的足够帧速率、曝光时间和分辨率。使用照明源和高速相机来测量熔池尺寸，但没有提供温度场。使用光电探测器可以感测熔池热发射的平均强度，然后将其与零件中的缺陷相关联。 使用现场监测技术进行缺陷检测的水平 用于LPBF熔池温度测量的双色高温测定法是另一种方法，其主要优点是不需要熔池的发射率。使用双色红外高温计和有限元分析模型可以估计两个通道上发射率的光谱变化。高温计的光斑尺寸为0.95mm，从而获得空间平均熔池温度测量结果。双色热成像将双色图像转换为热图，并已被用来捕获火焰温度与熔池类似，也表现出动态发射率。 8月2日，增材制造技术前沿注意到，卡内基梅隆大学介绍了一种使用单个商用彩色相机对熔池温度进行成像的实验方法，并将结果与多物理场计算流体动力学(CFD) 模型进行比较。这种方法利用了双色热成像原理，它不需要熔池发射率、羽流透射率和相机视角系数的经验知识。研究人员使用美国国家标准与技术研究所（NIST）的黑体光源和钨丝灯在1600K和2800K的温度之间验证了彩色相机准确测量温度的能力。 卡内基梅陇大学的研究人员在此详细介绍了基于商用高速彩色相机的空间和时间分辨温度测量工具的开发和验证。通过在LPBF中使用彩色相机进行双色热成像，减轻了激光光路中的未对准问题，同时保持了高空间和时间分辨率。该方法减少了与对齐多个相机相关的挑战，并且通过使用具有内置彩色像素滤光器阵列的相机传感器消除了广泛的空间校正的需要。此外，该设置的便携性允许系统在机器之间移动并使用黑体进行验证空腔散热器。 卡内基梅隆大学开发的实验装置 对316L不锈钢的构建板上有粉末和没有粉末的五个连续熔池温度场进行比较 为了演示这项技术，在商用激光粉末床熔融3D打印机上，使用一台离轴高速彩色相机，以每秒22500帧的速度拍摄构建板上2.8×2.8mm的区域。 316L不锈钢在不同加工条件下的熔池温度场显示出3300K和3700K之间的峰值，这取决于激光功率和粉末存在时增加的可变性。  316L 不锈钢的熔池捕捉 In718和Ti6Al4V的测量显示出可比较的温度，然而，由于铝的蒸发增加了羽流阻碍，特别是在Ti6Al6V中。  316L 不锈钢、In718 和 Ti-6Al-4V 的熔池温度场比较 功率和速度组合的实验和模拟结果 将FLOW-3D®CFD模型拟合到316L不锈钢熔池横截面几何形状的原位测量中，可以确定菲涅耳系数和调节系数的多种组合，从而实现几何一致性。其中只有两种组合与热图像一致，激发了对热成像的需求，可将其作为推进复杂物理模型验证的一种手段。 研究人员已经能够利用相机技术记录温度曲线取得有希望的结果。他们看到了将其方法转移到其他3D打印工艺的巨大潜力，从而提高航空或机械工程中增材制造的质量和效率。 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.首个国产电子束3D打印机制造的钛合金髋臼杯获批三类医疗器械注册证 3.8月，传统工艺&增材制造：现场碰撞！ 4.SLM Solutions获得可移动光学系统、可扩展大尺寸金属3D打印技术