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

材料的固有机械行为可以通过施加力和测量产生的变形、屈服应力应变曲线来进行实验表征。例如，在拉伸载荷下，陶瓷等脆性材料的机械行为的特征是应力-应变曲线具有线性区域，随后出现尖锐的终止；弹性体表现出超弹性，其特征是快速上升的上凹应力应变曲线，没有明显的线性区域。对于金属、陶瓷和聚合物等均质材料，除了随机微观缺陷的存在之外，对载荷的响应还取决于固有的微观结构，例如晶体结构、原子键合以及组成分子/原子的尺寸和质量。 通过三维超材料微架构设计，增材制造可以实现对材料的机械性能定制，这些材料可以表现出不寻常的特性，如负泊松比、负压缩性、超轻和超刚度，形状可恢复性和多种稳定状态。这些架构材料在材料性能选择图表（如阿什比图表）中实现了以前无法达到的特性，表现出这些特性的架构材料通常是通过正向设计方法、拓扑优化以及机器学习来设计的。正向方法可迭代调整材料的设计参数（如单元尺寸、壁厚等），直到测量或模拟的材料性能满足规定的设计标准，这通常需要经验丰富的设计师的大量经验知识。虽然拓扑优化和机器学习已经显示出能够产生提供所需属性的设计潜力，但由于设计映射和响应不唯一，它们尚未在实践中准确捕获所有所需的机械行为，同时还存在大量变量。这些设计方法还由于制造缺陷、工艺可变性和不确定性的存在而变得更加复杂，需要大量的校准来解释具有数亿空间成分的增材制造样品中的缺陷。由于这些挑战，制造的样品的实际机械性能通常与设计性能显著偏离。 3D打印技术参考注意到，来自弗吉尼亚理工大学、加州大学、加利福尼亚大学、四川大学以及剑桥大学的研究人员共同发表了题为“Rapid inverse design of metamaterials based on prescribed mechanical behavior through machine learning（“通过机器学习根据规定的机械行为快速进行超材料逆向设计”）”文章，刊登于近期的《自然通讯》杂志上。  www.nature.com/articles/s41467-023-40854-1 在这项工作中，研究人员提出了一种利用人工智能和3D打印开发具有精确定义属性材料的新方法。通过3D打印制造人工智能生成的结构，能够使材料具有定制的机械特性。弗吉尼亚理工大学的郑晓宇教授解释，迄今为止，材料开发主要基于应力-应变曲线。然而，制造公差通常会导致与所需性能的偏差。研究人员如今通过人工智能和3D打印提出了一种新方法，用户定义材料所需的机械性能，人工智能由此生成3D模型，然后进行打印。  基于机器学习的快速逆向设计方法  就设计方法来说，遵循了几个步骤。利用生成反向和代理正向神经网络模型，输入包括用户定义的单轴压缩应力-应变曲线（以曲线特征和制造参数的形式，给定3D打印机的最大构建体积尺寸和最小可打印特征尺寸），输出一组最佳设计参数来描述数字晶格设计；然后进行3D打印和测试。为了实现这一点，研究人员开发了一系列晶格单元，能够在单调和循环压缩载荷下捕捉不同的曲线形状，这些压缩载荷涵盖了晶格/点阵/蜂窝结构的广泛力学行为。这些单元充当创建由两种不同（脆性和柔性）聚合物基材区分的训练数据集的构建块，机器学习管道从中学习各种机械行为、拓扑结构和工艺相关制造误差之间的关系，并生成复制目标应力-应变曲线的可打印晶格。这种方法允许快速创建具有完全可定制的机械行为的材料，同时考虑制造过程误差和非线性行为。 设计空间、可绘制的应力-应变曲线路径和结构单元  基于代表性目标应力-应变曲线和实验设计验证的逆向设计 为了证明设计过程的可定制性，研究人员通过图形化定制从商业中底测量的应力应变曲线来逆向设计鞋中底，以增强跑步性能。在足跟-脚趾跑步过程中，中底在不同负荷水平下被分为四个部分，每个部分的目标应力-应变曲线是通过定制基线曲线来创建的，目的是最大限度提高跑步的推进力和缓冲力。量身定制的中底由坚硬但舒适的脚趾部分、更柔软且更高推进力的前掌部分和更坚硬但耗能的鞋跟部分组成。此外，根据基底材料（TMPTA）在应变速率及其力学性能之间的比例关系对目标曲线进行了缩放，从而可以使用准静态训练数据对跑步场景中的动态响应进行逆向设计。结果显示，实验测试的曲线与每个定制截面的目标曲线之间具有极好的一致性（平均预测精度>90%），表明机器学习管道能够在不同的加载条件下产生满足多种定制机械响应的材料。  通过鞋中底的逆向设计证明了应力应变曲线的可定制性 研究人员还逆向设计了三个应力-应变曲线来实验验证方法的有效性，结果表明，这些先进的逆向设计的应力-应变曲线具有连续的峰值应力和协调的塌陷机制以及定制的软化效果，使得逆向设计的复合晶格成为机器学习设计的定制能量吸收填充材料的绝佳候选者。  ‍通过使用叠加设计梯度创建复合晶格来增强应力-应变曲线的可定制性‍ 科学家们表示，人工智能和3D打印的结合使材料开发具有前所未有的适应性。因此，3D打印将成为制造精确指定特征值材料的技术，这项研究可能会从根本上改变材料科学。  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.国内知名工控机品牌研华科技开始使用3D打印技术革新生产 2.多材料金属3D打印：高制造成本与高价值回报的博弈 3.60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 4.聚合物3D打印晶格结构的准静态和动态压缩行为

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

3D打印涉及的要素有哪些？增材制造结构设计、生产制造、智能自动化、三维扫描检测，甚至还有人工智能和云计算，Oqton（堃腾）无疑是目前将这几项技术融合进入3D打印并取得应用最成功的的公司之一。该公司旗下Manufacturing OS连接工程设计和生产现场制造，为制造企业提供全组织完整可追溯性和可见性；Geomagic、3DXpert 和 Amphyon软件在逆向工程、三维检测、有机设计、3D打印及成型仿真模拟方面协助制造企业快速连接分布式工程和生产任务、完成复杂工程和生产任务。 这家公司对3D打印生产制造的理解，势必有可取之处。作为行业从业人员，能够获得该公司的专业分享也是一次难得的机会。3D打印技术参考注意到，该公司将在TCT 3D打印展期间举办多项直播演讲，即使无法到现场，也将获取专业知识；而对于到达现场的从业者，该公司也准备了多项互动互动。 1. 直播获取专家报告 2.1 现场竞赛—隐式建模  Oqton位于J64展位，参与3DXpert隐式建模挑战，在限定时间内施展CAD设计绝技，可获得独特奖品！此次活动旨在推广3DXpert软件多样化的应用场景，并让观众亲身体验其轻松上手的隐式建模工具。立即扫码（长按上方图片识别二维码）锁定比赛席位! 2.2 现场竞赛—结构优化挑战 另一场挑战是参与结构优化 ，在限定时间内施展工艺设计绝技，可获得独特奖品。此次活动旨在推广3DXpert软件多样化的应用场景，并让观众亲身体验其轻松上手的支撑设计和成型仿真工具。 原始零件(左)，原始零件的仿真结果(右)左：结构优化1；右：结构优化1的仿真结果 左：结构优化2；右：结构优化2的仿真结果 3. 三项技术融合应用 三维扫描技术、增材制造技术以及人工智能技术，正在深刻改变和推动着先进制造业的发展。  三维扫描技术通过快速获取实物三维数据,建立了产品的数字化平台,使设计师可以直接利用扫描数据进行逆向设计和产品迭代,大大提高了设计效率。同时,扫描数据也可以用于质量控制和加工仿真,优化生产流程。扫描技术是实现制造业数字化的关键手段。  增材制造技术实现了设计与生产的零距离接触,支持小批量定制和快速反应市场需求。它彻底颠覆了传统制造业的模式,使产品研发周期大幅缩短。  人工智能技术使制造系统向自主生产控制和优化方向发展,机器可以自主学习和决策、实现生产的自动化和智能化。人工智能的加入也使质量检测和控制更加精准。   三项技术的融合应用，正在引领着制造业实现数字化转型和智能化升级,推动着先进制造业的快速发展。它们是传统制造业向数字化、柔性化、智能化演进的关键技术。 Oqton以“加速制造变革”为愿景,通过自主研发的端到端数字化制造软件系统,助力制造业实现数字化转型。Oqton软件和系统深度融合了三维扫描、增材制造和人工智能技术,帮助企业建立数字化产品、工艺和产线知识库,实现设计到生产的全流程数字化和智能化，大幅提升制造效率和质量。Oqton致力于通过软件创新,引领传统制造业步入数字化新时代。  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： 1.52页下载！首份中文版增材制造设计手册(晶格、拓扑结构等全面指导) 2.沈航：面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展 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 4.3D打印研究成果下载：花费5年、1720万欧元，提交5500个样本，专注于缺陷和工艺分析

工业级激光SLS技术具备高精度、无支撑打印、以及打印材料多样性等特点受到众多用户的青睐，在企业研发新品及小批量生产方面具有独特的优势。然而由于设备的成本较高，使得中小微企业对SLS 打印设备望而却步。盈普三维作为SLS 3D打印的老牌企业，拥有成熟的技术和丰富的经验，经过多年的研究，推出了一款成熟稳定、高效安全的工业SLS 3D打印设备——E360，仅需50万！ 一.  不忘“出新”，方得始终 作为国内知名的激光烧结增材制造设备老牌，盈普三维专注于SLS 3D打印技术二十多年，成为了目前业内技术领先的设备制造商，除了技术扎实、设备成熟外，我们紧跟市场潮流、聆听用户需求，潜心研发并于近期推出了E系列经济版激光烧结设备，使之成为中小微企业真正用得起的工业级SLS激光烧结系统。 盈普E360经济版工业级激光烧结设备 二.  内秀于“芯”，外秀于“型” 在研发之初，盈普对E360的定位就是设备稳定性、打印质量可媲美目前盈普销量最高、市场评价最好的机型P360，同时让手板、消费电子等行业的用户可以用更低的成本，享受到工业级激光烧结设备的品质。 那么如何在保证设备品质的同时提高性价比，就成为了我们的关键课题。得益于盈普在激光烧结领域扎实的技术积累和丰富的设备制造经验，我们赋予了E360以下特质： (1) 、更高效的CO2激光器 E360采用自研高效能CO2激光器，激光质量高、使用寿命长。同时尼龙高分子粉末材料对CO2激光的吸收效率高，对光纤激光器发出的激光（波长是CO2激光的1/10）吸收效率非常低，这意味着我们可以用更低的能耗（E360平均能耗仅2.5kW），打印出更优质的零件，一方面进一步降低了打印成本，另一方面符合低碳环保的生产理念。 CO2激光器(左)与光纤激光器(右)打印相同零件的侧壁效果对比   (2)、 更低的粉体打印成本 搭配E360使用的盈普全新黑色尼龙12材料Precimid1176Pro BLK和黑色玻璃增强尼龙12材料Precimid1176Pro GF30 BLK采用进口原料，颜色更深、打印稳定、新粉比例更低，推荐使用15%新粉比例，最低可至10%，用户能够大大节省打印成本，实现降本增效。而且成型零件的综合性能优秀，表面效果好，可满足高标准的强度、耐温、耐磨等使用要求，应用范围广。 盈普Precimid1176Pro BLK材料打印的零件 (3)、 更少的粉体回收浪费 业内其他黑色粉末材料在打印后很容易出现变硬结块现象，严重影响到回收效率和回收粉体的品质，而盈普Precimid1176Pro BLK和Precimid1176Pro GF30 BLK材料在打印后，粉包质地均匀、无变硬结块现象，清粉回收时轻松高效、浪费粉末更少，能实现接近100%回收利用。 变硬结块的粉末材料很难清理且无法再次使用 (4) 、更大的成型体积 E360的成型缸尺寸与P360相同，为360×360×600mm，在同级别设备中有效成型体积最大，可以满足用户多元化的应用需求，包括小批量打印生产、中大零件产品设计研发等。 批量生产超过400百个手机壳产品 (5)、 内置的氮气发生器 E360标配内置的氮气发生器，为设备提供充足的氮气供应，无需用户额外购置制氮机，降低用户配套设备的采购成本和使用维护成本，同时占地面积更小，节省厂房租金。 用户无需额外采购制氮机 (6)、 更快的冷却速度 E360激光烧结打印设备标配盈普主动冷却系统，满缸主动冷却的时间为3-5小时。打印完成后，在用户无人值守情况下设备可自动进入冷却阶段，加快冷却速度，提高生产效率，并延缓粉体材料老化，降低用户打印成本。本技术获得国家专利，业内领先。 盈普主动冷却技术能有效加快冷却速度 (7) 、更智能的操作软件和界面 E360采用全新的控制软件和触摸屏系统，软件界面整洁、图标指引更多、功能模块清晰易用，同时触摸屏设计让操作更加便捷，为用户提供更具科技感、智能化的人机交互体验。 全新的人机交互界面提供更智能化的操控体验 (8) 、更灵活的粉体处理方案 E360标配有开放式拆包平台，并为用户提供额外的成型桶，能有效过滤回收粉材，用户也可以更灵活的切换材料种类，还能满足材料开发与工艺开发的科研、教育需求。 E360搭配灵活高效的开放式拆包平台 目前，E360已经完成生产及试用，用户反馈试用效果良好，现在盈普三维正式接受E360的预定。

历时 6 个月专家采访和应用研发 50页 “增材制造设计”封面选题 探索 10余 种增材制造设计模型 呈现 5 大增材制造设计模块 增材制造技术毫无疑问开启了制造业的新纪元。它完全颠覆了传统制造模式，为产品设计和制造带来了无限的可能。这种崭新的成型工艺可以突破传统机械加工的种种限制，实现极为复杂的几何结构设计，如复杂的空腔、连通结构等，精确表达设计者的每一个创意。它还可以大幅降低部件数量，将多个组件整合到一个部件中，极大简化装配。这为更轻更坚固的产品设计提供了可能。商业好处方面，增材制造可以完全按需生产、无需模具或工装，大大降低工具成本。生产周期也大大缩短，可以实现快速迭代优化设计。可以说，增材制造为设计注入了无限的想象力与可能，让科幻般的设计也能变为现实。它将彻底改变我们对产品设计与制造的认知。但是，要发挥增材制造的巨大优势，设计师必须在传统设计思维的基础上，进行更多探索。增材制造的特性决定了设计方法不能简单套用传统模式。   例如，需要考虑增材制造的基本规则，如避免过悬空的结构、以避免成型中需要添加额外的支撑结构，特征角度和位于成型表面或背面、表面质量截然不同，过大的圆孔设计在垂直成型过程中、很可能发生重力导致的变形等等。另一方面，运用增材制造的成型独特性可以带来不同程度的创新和产品优化设计，如采用拓扑优化、晶格等设计思路，能够为航空航天飞机、定制头盔等产品实现客观的轻量化设计。考虑到降低首件（或定制件）增材制造成本、或者超越工艺极限的设计迭代，增材制造成型仿真和工艺策略优化是最佳伴侣。   如果仍按照传统方法设计，无法充分利用增材制造的独特性。这往往会导致打印失败，无法实现期待的效果。《增材制造设计手册》正为此而生，它将为用户揭开设计奥秘，正确运用增材制造的独特之处。   下载《增材制造设计手册》，开启增材制造设计的崭新视野，发现设计的无限可能，创造出彻底颠覆传统的产品奇迹!  左右滑动查看 零件摆放 零件摆放指的是确定零件在打印时的放置位置和角度。摆放会影响后续的支撑结构生成和打印后处理。有些设计还需要根据摆放进行优化。  对于一些有明显结构特征的零件，像模具或涡壳，调整摆放角度的余地不大。而其他零件，比如支架，需要选择一个合适的摆放角度，既便于设计支撑结构，也要考虑打印过程中与刮刀碰撞的风险。总之，零件摆放对成功打印至关重要，需要充分考虑零件结构特点，综合确定最佳摆放方案。 设计规则 金属3D打印也有其特定的设计规则需要遵循。前面提到过要考虑零件的角度和摆放方向，这影响打印结果。另外，设计支撑结构也非常关键。设计时不仅要考虑支撑本身，还要全面考虑支撑对零件整体的影响。通过优化结构设计，可以调整支撑的强度，或者减少不必要的支撑。本章将重点解释设计时需要注意的支撑相关规则，以及一些需要优化的特殊结构，以指导设计者进行金属3D打印设计。  晶格结构 晶格结构是一种具有周期排列的多孔结构，由重复的基本单元格组成。它们密度低但强度高，具有优异的力学性能。晶格结构广泛应用于材料科学、建筑、航空航天等领域，因为它们可以在不增加重量的情况下提高刚度和抗冲击性，同时还有良好的抗疲劳和形变恢复能力。由于这些独特优点，特别是增材制造工艺可以在成本、成型可能方面完全量产晶格结构工件，晶格结构被广泛使用在航空航天、汽车、医疗、能源、建筑等许多工程应用中。随着科技进步，晶格结构在实现高性能、轻量化方面的应用潜力还将进一步扩大。   拓扑优化 拓扑优化是一种数学优化方法，它根据给定的负载、约束条件和性能指标，优化设计域内的材料分布。它通过在设计域内找到最优的材料布局方式，从而获得最优的结构性能，实现轻量化设计。由于拓扑优化生成的结构形状复杂，使用传统制造方法很难实现，增材制造成型技术的成熟使得拓扑优化设计方法逐渐扩大应用。 管路设计 3D打印可以自由设计复杂流道，这是其巨大优势。但流道设计还需考虑材料、空间、流道功能等多方面因素。虽然3D打印拓宽了设计自由度，流道设计仍需遵循一定逻辑与约束。要综合评估流道形状、结构参数、打印材料、后处理等各种因素的相互制约关系，优化流道的几何结构，以实现流体功能的最佳匹配。  生产制造 在熟悉金属3D打印的相关规则后，可以进行零件的优化设计。但是由于打印过程的不可预测性或零件结构的复杂性，可以利用增材制造过程仿真来预测可能出现的风险。仿真结果可以帮助优化支撑设计，进行预变形控制尺寸，或者平衡打印过程中的热量累积。本节通过案例详细阐述设计优化迭代的过程，利用仿真分析指导设计改进。   下载《增材制造设计手册》，开启增材制造设计的崭新视野。在此新的旅程中，发现设计的无限可能，创造出彻底颠覆传统的产品奇迹!  ⬇️ ⬇️ ⬇️ 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.长文：“新一代软件”是金属增材制造未来发展的关键一环 2.TCT亚洲展直击如何借助软件让3D打印流程找到“舒适圈” 3.沈航：面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展 4.AI驱动的创成式设计和增材制造优化半导体制造中的热管理

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

导读COVID-19大流行的一个意外后果是它对价值数十亿美元的半导体微芯片市场的影响：在全球封锁导致消费电子产品需求飙升的同时，半导体的供应因生产中断而陷入瓶颈。现在，供应的短缺威胁到了依赖于这些部件的行业产量。3D Systems公司的Scott Green和Niels Holmstock以及Diabatix公司的Lieven Vervecken和Gert-Jan Paulus探索了如何利用金属增材制造（AM）来提高半导体制造的效率，提升这些重要部件的生产速度。 金属增材制造很容易与航空航天、汽车和医疗保健等细分市场联系起来，但AM提供的价值是独特的，可以应用于任何一个细分市场，该细分市场特点是系统的性能和功能可以受益于功能优先的组件设计方法。   在2021年，半导体制造设备必须拥有尽可能高的生产率、可靠性和技术能力来减轻全球芯片短缺的问题。在没有重大改变时，人们不会尝试新的努力，当有了最后期限、压力或紧急情况--创新竞赛就开始了。当前，新型的AI创成设计软件和金属增材制造技术相结合，正在共同努力提升半导体设备的主要性能，解决半导体供应链挑战。图1是一个具有复杂冷却结构的金属AM晶圆台，它是提高半导体制造效率的关键。 图1 金属AM使生产具有复杂集成冷却结构的晶圆台成为可能，大大提高了半导体的制造效率（由3D Systems 公司提供）微芯片制造和供应链短缺 微芯片制造被认为是先进制造中最高水平的体现。这个行业是由追求更快、更高效的处理器和更高容量的内存芯片驱动的，针对先进工具系统和基础设施的大量投资追求超高水平的细节保真度、分辨率和精度。数十亿美元的生产线在10亿单位的生产运行中不断折旧以及大规模的持续优化需求，这些都是惊人的指标。当涉及到优化生产线上的硬件和工具时，工业增材制造解决方案的出现为处于解决问题第一线的工程师和设计师提供了一个重要的机会。 COVID-19大流行对供应链造成了冲击。这场大流行病的一个意外的副作用是全球半导体的短缺，扰乱了各种消费产品的生产（从汽车到电子产品都是如此）。2020年12月，大众汽车公司表示，半导体供应的短缺迫使公司将在2021年第一季度减少生产10万辆汽车，因为其零部件制造商无法保证供应。日产、雷诺、戴姆勒和通用汽车公司也在与供应短缺作斗争，这可能会导致每周的产量减少多达20%。 除此之外，由于大多数人远程工作和留在家里，对消费类电子产品的需求（如手提电脑和娱乐设备）飙升，这些设备的制造商正在争夺芯片。当前，由于汽车的设计中内置了越来越复杂的技术和计算，因此，微芯片的供应与汽车工业的发展密切相关。 如果需要更多的芯片，难道芯片制造商就不能增加产能吗？理论上说，这应该很容易，但生产事实证明，能力和技术是实现这些目标的障碍。半导体制造厂为了提高产量，需要安装新的生产线，这些生产线需要新的设备，设备制造商也会进行创新，以满足芯片制造厂不断增加的需求。然而，这些设备和工具复杂且昂贵，生产开发周期较长，在某些情况下，交货时间为6至9个月。因此，设备制造商很难仅仅依赖传统制造技术的生产线来满足预期外的需求增长。 增材制造的拯救 在硅片工装中，有许多复杂的问题相互作用，包括温度、惯性、湍流、振动、精度、磨损以及由污染零容忍政策驱动的超高水平的卫生标准。这些构成了重大的挑战，同时也提供了许多优化的机会，这就是增材制造的作用所在，AM可以使组件的性能和效率阶跃式提高。   遵循传统设计和制造规则的常规零件，其性能总是因设计和制造约束而进行一些妥协。通过使用增材制造技术，特别是遵循“面向增材制造的设计（DfAM）”和“针对功能的设计”的理念。处于解决问题第一线的公司能够以之前认为不可能的方式进行创新。AM在半导体设备制造商中的快速应用正在提高质量、生产和技术能力，并降低供应链风险。   在半导体行业有无数有趣的挑战 ，它们可以归结为功能优先设计的三个关键主题： • 歧管流量优化； • 减少零件数量和质量管理； • 热管理。   歧管流量优化 一般来说，制备像歧管这种复杂的部件比较困难且耗时，需要多种制造工艺相结合（从金属板折叠到液压成型和管路折弯），而且零件需要进一步装配。最终的结果永远不会接近完美的解决方案，因为大量的制造工艺过程和装配过程充满了潜在的故障点。当应用AM时，设计师可以呈现完美的管状系统，结合先进的计算流体动力学（CFD）来评估影响。在某些情况下，还可以自动创建方案，并允许整合复杂的挡板。   在最大限度地提高流动效率的同时，允许最小化湍流的策略。这种结构的好处是可以最大限度地减少与系统内湍流相关的振动和共振，如图2所示。   湍流和振动影响了输出的精度，在纳米尺度范围，这是很重要的。使用3D Systems的DMP 350平台，工程师们能够实现由液体引起的干扰减少90%，以减少系统振动，实现1-2纳米的精度提高。   图2 在3D Systems 的DMP 350平台上生产的增材制造液压歧管（由3D systems提供）   减少零件数量和质量管理 AM的另一个好处是它能够让设计者显著提高部件整合水平，这最终推动了减少部件数量的设计原则，从而将复杂的流形表示为不需要组装的整体组件。这种简化不仅可以缩短供应链的准备时间，还可以使设计过程变得更容易。 在一些案例中，我们看到几个月的交货时间变成了几个小时，这是因为消除了工具、装配和相关的检查工作。在一些复杂的系统中，通过部件的整合，零件数量减少到原来的1/50。图3显示了一个相关案例，该案例使用金属AM将高度复杂的光学组件制备为一个零件。  图3 在3D Systems的DMP 350平台上作为单一集成部件制备的增材制造光学组件（由VDL提供）   向下选择合金，使用更便宜的低密度材料，只是减轻重量的一个驱动力。DfAM经常通过更有效的设计来实现轻量化。在半导体行业中，轻量化组件有许多优点，包括： • 较低的热质量，导致更快的热响应； • 较低的惯性导致有机会实现更快和更高精度的输送，以及更精确的停止和启动，更精确的加速/减速曲线，同时减少机构的磨损； • 降低质量/惯性，结合DfAM的改进，提高了高速往复机构中子部件的刚度，减少了系统内的振动。 在硅片工装公司，工程师们能够实现50%的减重以减少惯性，能够实现23%的刚度提升以提高共振频率，减少系统振动，所有这些都相当于提高了生产效率。   热管理 我们看到AM展示的另一个能力是生产高效的晶圆台（如图4所示）。这些晶圆台在生产过程中用于支承和固定硅片。热变化会引起材料膨胀的微小变化。随着时间的推移，这些热梯度和波动会产生这样一种情况：由于晶圆表面的不断加工，其结构位置会发生改变（通常称为边缘放置误差，或EPE）。为了解决这个问题，工程师们正转向AM来设计、开发和制造下一代硅片工作台架构。 图4  使用3D Systems的DMP Factory 500生产的集成了先进冷却结构的硅晶圆台（剖面图）（3D Systems提供）   硅片工装企业能够实现热性能的六倍改善和稳定性的五倍改善。通过调节环内的热曲线可以看出ΔT从13.8 mK提高到2.3mK，热温度梯度从22mK降至3.7mK，在一个反应更灵敏的系统中，时间常数从7秒降低到1.5秒。  …

空间通信领域的竞争日益激烈，不断开发创新产品成为趋势。该领域应用的领先机构Thales Alenia Space总结了为设计、制造和测试与增材制造工艺兼容的紧凑轻型波纹喇叭而进行的工作。该研究以减小喇叭尺寸并保持传统波纹喇叭的主要性能为目的开展，设计了具有新轮廓的波纹喇叭，并采用铝合金3D打印一体成型。最终喇叭的长度减少了35%，相关测量指标测试符合要求，这种新产品对空间应用非常有吸引力。 喇叭天线在卫星通信过程中可以避免干扰其他通信系统，波纹状喇叭始终提供非常宽的频率带宽、低交叉极化水平、低旁瓣水平和低回波损耗，使其成为许多应用中非常有吸引力的解决方案。在过去几年中，优化仿真工具的使用已成为紧凑型波纹喇叭天线设计的一场革命。目前，由于优化工具的高度发展，波纹喇叭通常不再通过预先确定的轮廓来定义，并且通常将优化集中在每个波纹的内外半径作为设计过程中的变量。然而，波纹喇叭天线的整体尺寸正成为真正的关键问题。过去，波纹喇叭通常由锥形轮廓定义，当必须设计具有窄波束宽度的喇叭时，传统的锥形轮廓是巨大的，因为它们会导致窄的喇叭角和大的孔径，组件的尺寸会很大、质量重、制造困难且昂贵。 3D打印的铝合金天线喇叭概念模型 使波纹喇叭更紧凑的一种方法是使用混合波纹水平和垂直波纹。与典型的波纹喇叭相比，这种喇叭天线使性能显著改进，获得了相同的辐射性能。近年来，增材制造在太空应用中显著增长。喇叭天线通常是通过将高导电材料（例如铜）电镀到巨大的心轴上来制造的，之后必须用化学方法将其移除。对于波纹喇叭天线，很明显这些方法在技术上要求很高，且很耗时。增材制造通过逐层构建克服了这些问题，这使得创建复杂结构成为可能。Thales Alenia Space介绍了一种紧凑轻便的C波段波纹喇叭天线的新设计，其外形结合了与3D打印兼容的轴向和径向波纹。所创建的天线喇叭中包含了晶格结构，这种方案使喇叭在不使用支撑结构的情况下与增材制造兼容。45°波纹的倾斜对喇叭的射频性能和打印都有直接影响，因此有必要通过修改每个倾斜波纹的深度来重新优化其轮廓。先前在基于超表面的喇叭设计方面的方法开发有助于识别和改进喇叭的优化。   具有轴向和径向波纹的喇叭剖面示例 参考喇叭天线与紧凑型天线的比较   支持径向波纹的格子结构 喇叭天线是在3D Systems的DMP Factory 500上制造的，其成形尺寸为500 x 500 x 500 毫米。零件的材料选择了AlSi10Mg，以60μm的层厚打印，在不到72小时内完成。通过应用DfAM原则（增材制造设计）以及多公司之间的良好合作，零件的功能特性避免了对临时支撑结构的需要。这减少了后处理时间，从而减少了制造成本。RF法兰接口的表面质量对于高性能至关重要，该零件经过了CNC加工。3D打印紧凑型喇叭天线 多年来，Thales Alenia Space已经确定了增材制造解决方案在太空天线应用中的潜力。2022年，超过1500个3D打印组件已安装在Thales Alenia Space卫星上。天线产品的高度可定制性推动了非经常性设计成本，而生产量相对较低。增材制造使设计人员能够实现质量节省、紧凑性和技术性能增强。对于天线组件，质量节省通常会导致组装时间减少，其影响不可低估。虽然增材制造确实有设计限制，但它提供了一种灵活性，即形式服从功能，从而提高射频性能。 使用增材制造的主要优点是设计紧凑，非常适合于太空应用。与传统制造技术相比，其他优势包括质量节省和整体零件设计以及缩短的交货时间。演示器的复杂设计给传统技术带来了很多制造风险，而DfAM方法大大降低了制造风险。在生产成本方面，增材制造解决方案与机加工解决方案不相上下。但随着3D打印技术的发展，生产率和生产成本都在得到改善。 总的来说，本文介绍了一种通过增材制造制造的紧凑型C波段波纹喇叭的颠覆性设计。轴向和径向波纹的特殊性允许显著减少喇叭长度，同时保持与传统喇叭相同的射频性能。这种设计为卫星通信带来了多种优势，减少体积和质量以及节省成本和制造进度。该设计也是可3D打印的，可实现生产形式的多样化。 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： 1.380万欧元！空客大手笔签订3D打印零件制造合同 2.超高温SLS｜聚合物粉床3D打印技术的重要发展，以史玉升教授团队技术为例 3.NASA投入新资金启动25项太空探索3D打印项目 4.62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