nTopology是一款面向增材制造的高效设计平台，自推出之后获得了来自航空航天与国防、医疗、汽车以及消费产品领域的广泛用户。作为nTopology的大中华地区建立独家战略合作伙伴，安世亚太将于2021年10月14日组织召开“nTopology助力DfAM设计线上研讨会”，带来更直观的产品和技术体验。 基于增材设计思维创造的产品通常具有非常复杂的结构，设计仿真过程中会遇到很多问题和挑战。例如应用传统CAD软件生成复杂晶胞过程存在结构困难、模型修改过程重复劳动、点阵结构存储时数据量庞大、设计模型与打印设备之间需要数据格式转换等等问题。全面解决增材设计过程各种难题的增材设计平台nTopology应运而生。 nTopology是一款面向增材制造的高效设计平台，拥有超高的鲁棒性和响应速度。平台预置了大量增材制造常用设计工具包，工程师通过调用若干个预置工具包、或自主开发定制的工具包，建立一个工作流，实现复杂几何结构的参数化设计。nTopology集合了的强大几何建模和仿真分析功能，并充分考虑增材制造的工艺特点，帮助工程师快速掌握面向增材制造的设计方法，充分发挥增材制造带来的广阔自由度，同时可重复使用的工作流使得设计流程自动化，大大提高设计效率。有了nTopology技术的补足，DfAM增材制造设计底层技术也更趋完整。 2021年10月14日，“nTopology助力DfAM设计线上研讨会”欢迎更多关注增材技术发展，有增材设计需求的设计、科研人员及管理者免费参与，一起了解增材设计思维新的技术应用工具和方法。1会议时间10月14日 14:00-15:002会议日程 主题 时间 主讲人 1 DfAM设计方法及软件工具经验分享 10分钟 寿晓星 报告摘要：报告将分享安世亚太对DfAM设计方法的理解及现有面向增材制造的软件工具。 2 nTopology的功能及算法介绍 30分钟 朱志达 报告摘要：报告将分享nTopology的概要介绍，面向增材制造的功能与优势，以及客户价值。 3 nTopology的案例演示 10分钟 朱志达 报告摘要：将演示轻量化设计、表面纹理、拓扑优化及工作流。 4 线上答疑 3参会方式方式一：方式二：查看文末海报获取直播间地址；还可以加入申请试用群，会议当天可申请为期30天的nTopology免费试用！4演讲人 寿晓星，法国化工过程硕士学位，安世亚太DfAM赋能业务部负责人。主要负责公司在增材赋能领域的业务推广工作。17年参与集团增材板块业务孵化及技术、业务推广、运营管理等工作。拥有10余年石油化工、核、机械行业工程咨询经历。荷兰海洋工程公司、英国咨询公司工作经历。 朱志达，中南林业科技大学热能与动力工程学士学位，安世亚太创成式设计工程师。着力于表面纹理、随形流道的创成式设计研究。2年内燃机研发经验，3年电子产品结构设计和热设计经验。熟悉产品开发流程，曾参与和领导多个产品的开发全流程。 10月14日“nTopology助力DfAM设计线上研讨会”，会议当天还可申请为期30天的nTopology免费试用~详情见图内！ 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.一款小程序，用于评估工业零件的增材制造潜力及工艺可行性 2.美国家增材创新中心：借助衍生式设计平台能创建出怎样的高级热交换器 3.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 4.贯通材料、设计和速度，打开3D打印应用的大门

近日，美国航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）采用一种不同于基于激光或电子束的增材制造工艺生产了一种铝合金航天器用热交换装置。采用新设计的热交换器取代了在长期任务或极端条件下可能出现故障的数十个小零件和接头，不仅对太空应用而且在石油钻井和航空等领域都有潜在益处。NASA JPL 技术专家表示，该工艺所能解决的不仅是一个任务的一个问题，同时将为NASA和工业界解决一类问题。该工艺就是由Fabrisonic公司推出的超声波增材制造（UAM）技术。 超声波增材制造实现了铝合金热交换器的整体制造 超声波增材制造的技术原理 超声波增材制造（UAM）是基于传统的 “超声波焊接”工艺，其利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。而当这种焊接方式被应用到3D打印机上时，也就成就了这项新的3D打印工艺——“超声波增材制造”。 超声波增材制造原理 超声波增材制造能够实现不同金属间的冶金结合 超声波增材制造采用金属薄片为材料，能够实现真正冶金学意义上的熔合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。UAM的制造过程包括通过超声波逐层连续焊接金属片，并不时通过机械加工来实现指定的3D形状，从而形成坚实的金属物体。通过结合增材和减材处理能力，UAM可以制造出深槽、中空、栅格状或蜂窝状的内部结构，以及其它复杂的几何形状，这些结构和形状通常无法使用传统减材制造工艺完成。此外，该技术的重要优势是能够制造多金属零件。 超声波增材制造生产多材料一体化构件 自 2011 年成立以来，Fabrisonic 已多次与 NASA 合作。2018 年，Fabrisonic和NASA JPL开始探索如何使用超声波增材制造来生产 3D打印热交换器。当时，3D 打印组件通过了NASA的质量控制测试，并被认为可以在太空使用。今年早些时候，NASA JPL宣布他们使用 Fabrisonic的设备为卫星开发了价值更高的3D打印热交换器。 3D打印的散热器由铝和铜两种材料构成，可以让热量更均匀地分布在整个表面 在太空中，极端温度可能会有数百度变化。热交换器可以通过吸入或排出热量来帮助航天器内部保持稳定温度。热交换器通常内置流道，并连接到带有支架和环氧树脂的金属板上。传统上，热交换器由多个相互连接的部件组成，这会给设备带来许多潜在故障风险，NASA JPL选择采用UAM技术3D打印一体化的热交换器。 ‍由UAM技术3D打印的大尺寸热交换器 事实证明，整体制造可以使组件的可靠性得到显著提高，并降低长期太空任务或地球极端条件下的故障可能性。3D打印热交换器还带来了性能提升，与通过传统方法制造的热交换器相比，重量减轻了约 30%，性能提高了30%。除此之外，这项技术在几天之内便完成了这种复杂结构的零件生产，缩短了NASA航天器的开发周期。 含有内部通道的铝铜复合材料部件 除铝和铜的一体化制造之外，NASA JPL还利用Fabrisonic的UAM 技术实现了金属钽与铝合金部件的结合。为保护电子组件免受强烈空间辐射并保持组件尽可能轻巧，NASA JPL在铝合金航天部件的中间添加了能够抗辐射的金属钽层，从而获得了既抗辐射又极轻的3D 打印组件，该组件的每种金属特性均保持不变并能按预期运行。 除以上应用之外，NASA还于2020年在 SBIR项目中使用UAM技术成功将不同的非晶合金与其他金属合并来克服腐蚀问题。 超声波增材制造生产内置传感器的“智能结构” 因为金属没有被加热焊接，UAM技术可以在零件的制造过程中嵌入电子装置同时不会发生损坏。过去使用常规焊接技术加工智能材料所面临的最大挑战就是，材料融化往往会大大降低智能材料的性能。因为UAM工艺是固态的，不涉及熔化，这个工艺可以用来将导线、带、箔和所谓的“智能材料”，比如传感器、电子电路和制动器等完全嵌入密实的金属结构，而不会导致任何损坏。因此，超声波增材制造非常适用于“智能材料”的打印以及“智能结构”成形。 内置电子装置的“智能结构” NASA在其航空测试中利用通过UAM技术打印的光纤传感器来检测商用机身的弱点和性能问题。这些传感器使用UAM技术内置于铝合金零件内部，能够获取有关金属健康和性能的准确、实时数据。同时，由于外层金属的保护，传统器可以在太空等恶劣环境中工作。除此之外，NASA还于 2019年采用UAM技术将传感器直接3D打印到了燃料管道中，用来收集低温燃料管道中的数据，以更好地了解发动机的运行情况。 内置传感器的发动机燃料管道 UAM可以结合智能材料本身的特点随时改变不同结构零部件材料的特点，因此UAM技术具有以下优势： （1）高速金属增材制造，成形复杂结构。UAM与传统3D打印技术一样，同样具有成形的高效性与高复杂性，属于自由净成形工艺。（2）固态焊接可以实现：异种金属的结合、包层、金属基复合材料、“智能”或反应式结构。UAM工艺是基于传统的电磁波焊接技术，因此，成形过程可以实现固态焊接，实现异种金属的链接或包层。（3）低温工艺可以实现：电子嵌入防篡改结构、非破坏性、完全封装的光纤嵌入。 END UAM工艺不需要高温环境，在低温下就可以实现制造过程，因此，对于那些在高温下会改变本身特性的材料而言，UAM可以轻松实现复杂结构的成形或者对需要封装的嵌入结构实现制造。基于传统工艺的新型3D打印形式正在使增材制造工艺的种类更加丰富，同时也满足了更多的制造需求。除超声波增材制造工艺外，3D打印技术参考在往期文章中提到的搅拌摩擦焊也是其中一种。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.无须高能热源、不需气体保护，能以10倍速度成型的金属3D打印技术 2.国家科技重大项目「微铸锻铣磨」增减材复合制造机床通过验收 3.基于SLM的增减材混合制造新形式：激光熔融与超快激光切割相结合 4.南科大：一种新型抛光技术，可获得纳米级超光滑表面

在采用3D打印技术的过程中，遇到的难题太多？应用范围太窄？成功概率太低？综合效益不高？想要发展增材制造，却又担心投入太大，成果平平，最后竹篮打水一场空？为解决这些难题，安世亚太增材评估小程序正式上线！只需花费2分钟，就可以快速测评增材技术对产品的应用潜力，得到增材设计与制造方法的指导建议。 安世亚太公司基于对增材制造全流程的充分理解和全面把握，从大量工业品制造案例中抽取出20个核心判断要素，开发了这套全新算法的增材设计小程序。 增材评估小程序，是如何给出建议的？ 简单来说，这款小程序是在不熟悉增材制造工艺特点的情况下解答3个问题： • 产品是否适合增材制造；•产品在增材制造过程中要注意什么问题；•如何改进产品设计使其更能发挥增材制造的技术优势。对于刚刚接触增材制造的用户来说，这项技术显得“高深莫测”，无法把握增材制造的优势与约束，也无法基于增材制造进行“对症下药”的设计。 如果采用传统设计构型，必然无法利用增材制造所提供的自由设计空间，产品性能不能在本质上得到提升，甚至受限于增材制造技术的不成熟，性能反而劣于传统制造的产品。更有甚者，设计的缺陷会直接造成打印失败，严重打击用户对增材技术的信心。 安世亚太公司开发的基于数据算法的增材制造应用潜力评估系统，可实现自动评估产品的增材制造可行性与增材设计对产品的附加值潜力，并根据提供的信息生成增材设计与制造方法的指导建议。 增材评估小程序使用指南 该小程序简单易用，方便快捷，不管科研工作者、工程技术人员，还是销售市场人员，都可以迅速上手。接下来，以一款铝合金接头为例进行解释。该接头初始设计采用数控机床加工，装配面的精度要求公差小于0.01mm，装配面表面光洁度要求3.2以下，并且希望接头在保证承载能力的前提下尽可能减轻结构重量。 原始设计 假如不确定这个接头是否适合增材制造，或者不知道采用增材制造是否有价值，那么只需以下3步就可以得到答案。 第一步：扫描下图二维码进入微信小程序（也可以通过微信搜索小程序“工业品增材制造应用潜力评估”），填写产品信息。 注意：进入小程序后，请您仔细阅读使用说明，建议尽可能把产品信息写的详细一点，有助于算法更准确的评估打分 第二步：完成材料&工艺、结构&特征、性能&功能、生产&成本四个维度——20个评判要素对应选项的选择请您根据产品的特征，选择最符合的选项，并注意是单选还是多选。 第三步：生成评估报告，根据增材潜力评估结果分析增材制造可行性。 注：①目前版本为1.0版本，仅开放金属产品的评估功能，评估的对象可以是已经完成设计的产品，或者是正在研发的产品。②在评估前您应当掌握产品的材料要求、结构特征、性能功能等基本信息。如何看懂评估结果和建议方案？ 按照上面的案例，该接头初始设计采用数控机床加工，装配面的精度要求公差小于0.01mm，装配面表面光洁度要求3.2以下，并且希望接头在保证承载能力的前提下尽可能减轻结构重量。 本案例的得分高达81分，说明非常具有增材制造潜力，产品的部分特征非常适合发挥增材制造的技术优势，通过增材设计和增材制造非常有可能实现期望的产品性能改进。 在给出分数的同时，系统也给出了增材制造的建议方案。本案例中给出了3个建议，都是针对我们输入的产品信息自动给出的，用户如果决定采用增材制造生产该接头，一定要看懂这些建议。 在本案例中，尽管该接头具有很高的增材制造潜力，但是仅凭增材制造工艺本身并不能将潜力完全发挥出来，基于增材制造的优化设计才能真正发挥出增材制造的优势，是最后的“点睛之笔”。比如下图中接头1、2、3由于位置不同，受力明显不同，我们针对金属SLM增材制造的工艺特点，以及接头在不同位置的受力情况，分别进行拓扑优化设计，最终确定了3种不同的结构形式，实现减重50%。到此为止，一个完美的增材制造解决方案才大功告成。 经优化的增材设计成品 需要说明的是，分值的高低反映了产品符合增材制造技术优势的程度，也就是产品利用增材制造优势的潜力。但是增材制造可行性的判断应当结合系统给出的具体意见。例如，一个5米长的产品，即使很多特征都有利于发挥增材制造的技术优势（即分值很高），但是如果您不同意做切分打印，那么在现有技术条件下这个产品的增材制造可行性依然不高，系统在意见栏里会提示您“不建议用增材制造生产该产品”。当前增材制造工艺在材料选择、各项异性、表面光洁度等方面都有一定的局限性，本评估程序都会给出相应的建议。 更为重要的是，这些工艺上的制约因素，大部分可以通过增材思维的设计改进产品的结构方案来解决，以提高增材制造的可行性。同时，综合应用多种增材制造优化设计方法，还可以提高产品的综合性能、缩短制造周期、降低生产成本。 在后续版本中，安世亚太将推出针对特定工艺、特定材料、特定行业、特定产品的增材制造评估程序，力争做到更专业、更科学、更便捷。更多内容，可关注“安世亚太”公众账号。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.没有仿真，增材制造能走多远 2.通过相场模拟，获得金属3D打印过程中的晶粒演化特点，实现微观结构精准控制 3.汉邦科技金属3D打印助推高效换热器制造升级 4.领取门票：Formnext国际增材制造、粉末冶金与先进陶瓷展9月深圳开展

换热器对工业设备的长效稳定运行至关重要，但繁复的传统制造方式，成为阻碍换热器设计升级的一大阻碍。金属3D打印以“化繁为简”的技术能力，从源头推进换热器设备的设计思维改革，满足其结构紧凑、模块化、多材料的应用发展趋势。汉邦科技作为国内领先的金属3D打印设备生产商，凭借多年的技术研发，工艺优化及产品迭代经验，提供基于设备、材料工艺、后加工方案、智能化粉末管理以及软件生态系统的全套产品解决方案，致力于为各领域用户提效降本，不断赋能行业数字化升级。 在传统加工中，换热器内部连接位置的钎焊或焊接存在一定难度，由于其材料薄、尺寸小，并且接缝部位必须防漏。然而，增材制造技术可以解决这个难题，实现复杂结构的构建。一体成型不仅能替代换热器制造中钎焊或焊接的过程，还可以构建通道矩阵，以及整个热交换器组件 - 包括所有集管。被充分释放的设计自由让换热器能够以任何形状呈现，例如弯曲，扭曲等形状。另一传统制造无法实现的交替通道制造，使用3D打印技术也能成功攻克，交替通道的逆流设计使热交换效率最大化，切实可行的节能提效。   传统换热器内部结构图 (图片来源于网络）  传统换热器示意图(图片来源于网络） 换热器在核电厂的具体生产中有着重要作用，直接影响核电生产效益，因此在我国核电生产水平不断提升的大环境中，对换热器类型的要求也在不断提高。为了满足核电生产的具体要求，制造出更加节能高效的换热器类型，汉邦科技与核动力院开展了深入合作，共同探讨金属3D打印技术在核能领域的使用潜力。通过双方技术专家的共同研究，设计开发了一系列高效热交换器及换热单元。 金属3D打印换热器 金属3D打印换热器 汉邦金属3D打印技术能够满足结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、异形、点阵结构等的定制化加工需求。汉邦金属3D打印装备优势：动态聚焦，光束质量优异，工艺参数稳定，尺寸精度高，可实现超薄壁、高致密度的成形工艺。据核动力院数据统计，金属3D打印换热器与常规换热设备相比，重量、体积、零部件数量、制造周期均减小90%以上，制造成本降低50%以上。   汉邦科技HBD-350/350T金属3D打印装备，成型尺寸：325*325*400mm，激光功率：500W/500W*2 汉邦科技HBD-350/350T金属3D打印装备具备更主流成型尺寸，兼容单/双激光配置，高效稳定的铺粉供粉系统，封闭式全自动粉末循环系统，独立长效多级净化系统，满足高效率、高强度、高质量、持续性生产需求。 换热器市场随着下游应用领域的不断拓展，产品需求发展将趋于个性化、多样化。金属增材制造作为先进制造技术的重要发展方向之一，将在优化制造生产中持续发力。此外，金属3D打印技术有助于提升产业节能和企业数字化水平，为提升节能能级提供有力技术支撑。 作为国内领先的工业级金属3D打印设备制造商，汉邦科技于2007年进入金属3D打印领域，专注于金属3D打印装备的研发、生产、销售及应用技术。汉邦始终聚焦技术创新及行业发展，凭借丰富的市场积累、应用深耕，结合对新技术、新工艺的极致追求，不断在科研能力和产品质量的提升上精益求精。依托强大的研发及先进装备设计与制造能力，汉邦将继续以用户需求为核心，以技术工艺创新为驱动，用优质的产品与专业的服务为教育教研、模具、汽车、航空航天、医疗等各行业客户提供各种金属3D打印应用解决方案，发挥金属增材制造优势，助力传统工业制造的数字化、智能化升级。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.麻省理工在线研讨会：3D打印热交换器的特点与应用 2.由GE赞助的增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 3.纯铜热交换器3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 4.3D打印的固有制造缺陷使其还无法完全替代热交换器的传统制造技术

3D打印技术的进步已经改变了热交换器的制造方式。传统制造路线无法实现的复杂、自由设计，可以通过3D打印轻松实现。热交换效率的提高以及重量、体积、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他优势。与传统批量生产方法相比，3D打印所涉及的工艺参数优化、表面粗糙度控制、支撑结构去除、后处理要求、兼容原材料和成本竞争力一直争议不断。但尽管存在挑战，采用该技术已经成功实现了金属、聚合物和陶瓷材料的热交换器制造。在本篇文章中，3D打印技术参考重点分析粗糙表面、微通道、表面积和晶格结构等因素对3D打印热交换器的性能影响。当前的研究发现，金属3D打印的表面粗糙度是影响热交换器性能的关键考虑因素；与预期设计相比，制造尺寸的偏差也非常显著，特别是当尺寸接近制造极限时。随着3D打印技术在最终产品表面质量、尺寸精度和实现更小尺寸精度方面的不断提高，热交换器的换热性能可能进一步提高。 表面粗糙度对热交换性能的影响 表面粗糙度是通过粉末床熔融技术制造不同类型金属热交换器的常见和关键考虑因素。3D打印的热交换器产生的表面粗糙度可能比通过传统方法制造的相同热交换器高一个数量级。小尺寸通道中固有的表面粗糙度更严重影响传热效率。因此，有必要正确评估表面粗糙度并系统收集相应工艺参数的数据库。 3D打印的飞机电机热交换器，最佳翅片密度可优化热交换效率 在led的热管理方面，拓扑优化散热器比栅格结构具有更好的性能 制造尺寸的显著偏差可能与预期设计的偏差高达约20%，这也会影响微通道热交换器的热工水力性能。一些研究报告称压降受由此产生的有效通道尺寸而不是粗糙度的影响，而一些研究报告称压降是受表面粗糙度的强烈影响，另有研究认为粗糙度与通道水力参数的比率更适合分析压降特性。对增材制造技术引入的表面粗糙度对传热机制的影响分析表明，决定热交换器传热效率的不仅包括粉末颗粒的尺寸，还有粉末颗粒的形状及其与热交换器表面之间的附着。 最小特征尺寸和制造精度对热交换性能的影响 型化电子设备的发展推动了开发小型散热器的需求，这些散热器可以耗散非常高的热量，确保延长系统的使用寿命。先前对微通道的研究已经证明它们具有消散高功率密度的能力。微通道换热器的典型特征是压降大，这可能是由于通道中的流动分布不均和较长的流向流动长度造成的。歧管微通道换热器作为传统微通道换热器的替代品，歧管结构放置在平行运行的微通道的顶部，并通过多个入口和出口分配冷却剂流体。这种配置中的流动长度减少，改善了热交换器的水力特性。但传统上歧管和微通道是分开制造的，再通过一种粘合技术连接在一起，这个过程会增加交货时间，如果操作不当会影响性能。 夹层壁圆柱体强制对流传热示意图 利用晶格结构近似法和梯度法优化晶格密度分布的热交换器 增材制造技术可以将歧管和微通道以单个部件进行制造，并确保两个组件之间具有的适当接口。更复杂和优化的通道设计也可以通过该技术实现，这对于传统技术来说可能非常具有挑战性。研究发现，将不锈钢翅片的厚度从150μm减小到50μm可以将换热效率可以提高20-40%，将歧管的厚度从300μm减小到150μm，可以将换热效率提高10-30%。对由不锈钢、钛合金和铝合金打印的微通道进行研究发现，翅片和微通道的尺寸误差约20%，此外由于残留粉末，部分通道存在堵塞。与钛合金相比，不锈钢样品的尺寸误差更为突出。具有相似几何形状和预期尺寸的三个样品的传热系数和压降参数的差异归因于制造过程中出现的不准确。未来，如果3D打印可以达到更高的制造极限和精度，热交换器的换热效率将会进一步提高。 蜂窝结构具有更高的热传递性能 多孔材料包含大量空隙，增强了相对于整体块状材料的结构和功能特性。商业采购的金属泡沫就是这样一种多孔材料，据报道它具有良好的热和机械承载能力。周期性排列的晶格结构材料已经被结构工程师广泛探索，与随机开孔泡沫金属相比，单元格的自聚焦拓扑可以提供更好的强度和刚度特性。增材制造不仅可以自由制备具有定制形态参数的晶格，还可以将整个蜂窝结构打印在基板上，从而消除了额外的热界面材料阻力。 3D打印的新型分层分形体积太阳能吸收体，总体热转换效率与传统碳化硅整体蜂巢相当 不同的单元拓扑结构 GE 3D打印的镍基高温合金热交换器用于高温高压环境中 蜂窝结构具有更高的热传递和压降，但总体优势取决于单元拓扑结构，主要的传热机制决定了蜂窝结构在特定应用中能否使用。例如，在强制对流中表现最好的蜂窝结构在自然对流中可能不是最好的。仿生技术可以极大地激发3D打印技术制造复杂仿生蜂窝结构的可能性。一种具有三重周期最小表面的结构被证明具有更高的表面-体积比和高有效的导热性。 END 增材制造技术作为制造实验室和商业规模热交换器的可行选择，正在显著提高热交换的效率，并减轻重量和成本。虽然增材制造技术在生产优化和复杂的几何形状方面优于传统技术，但零件质量相对较差。增材制造技术的肯定有用，但需要做具体和系统的大量验证。当前的3D打印技术还无法替代传统方法，但3D打印技术的不断进步，将逐步解决这些固有缺陷，从而生产出轻量、多功能和高效的热交换器。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.由GE赞助的热交换器增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 2.纯铜热交换3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 3.当前国内外高强铝合金种类、性能信息汇总 4.新趋势：使用多工艺融合开发3D打印多材料梯度合金

根据公开信息，我国采用3D打印技术制备的星敏支架、斜撑支架、主承力大底结构等产品，已通过地面测试和各项环境考核，逐步应用于空间站、深空探测航天器、运载火箭等。晶格桁架结构，因其超轻和多功能特性在航空航天领域备受青睐。 然而，通过3D打印技术制造的晶格单元在机械设计过程中很少考虑增材制造技术本身的约束，导致晶格结构的实际机械性能与设计性能之间存在显著差异。中国空间技术研究院、南京航空航天大学以及北京理工大学方岱宁院士团队合作开展了考虑增材制造几何约束的自支撑晶格单元创新设计策略研究，相关成果成功用于我国多个新型超轻航天器结构设计与制造。 受固体物理学中晶体学的多重旋转对称性的启发，研究人员设计了三类用于3D打印的自支撑晶格，分别具有三、四和六重旋转对称性。每类晶格都可以分为四个层次级别，使结构从以弯曲为主逐步变为以拉伸为主。使用节点位移法推导出自支撑晶格的弹性本构关系，并通过与有限元计算和力学实验的对比，验证了本构关系。这项工作提供了由自支撑晶格组成的复杂结构设计中刚度特性的等效关系，该结构已用于新型超轻型航天器结构的设计，包括： • 2019年发射的千乘一号01星中的格构夹芯板组成的卫星结构； • 2019年发射的中巴地球资源卫星04A星中的拓扑优化薄壁结构和晶格填充动量轮支架； • 月球及火星深空探测器的相变热控制器以及集热器框架由薄壁和晶格填充结构组成。 基于本文提出的自支撑晶格和铝合金打印的航天器结构应用：(a) 由格构夹芯板组成的卫星主体结构 (b) 由拓扑优化的薄壁和晶格填充组成的动量轮支架(c) 由薄壁和晶格填充组成的相变热控制器结构(d) 由薄壁和晶格填充组成的集热器框架结构自支撑晶格结构的制造约束与设计本文所述的晶格结构的3D打印均是采用激光粉末床熔融（SLM），该工艺的几何约束主要表现为封闭空腔、间隙、薄壁、悬垂以及最小/最大尺寸等，其中只有悬垂角影响晶格结构的参数。根据研究，结构的尺寸误差和表面粗糙度随着结构与水平方向之间的角度减小而增大。对于小于35 ◦结构，需要添加支撑防止坍塌或严重变形。如果支撑结构在零件外部，则容易去除；如果在零件内部，则难以去除。为了实现高精度设计并避免在制造过程添加支撑，自支撑杆外伸角度需要大于35◦。为此，研究人员在自支撑格架的设计中考虑了悬臂角约束。与传统的任意角度支杆构成的格架不同，自支撑晶格除了水平支杆外，还包括倾斜支杆和垂直支杆。 晶格晶胞被定义为具有晶体结构完全对称性的最小重复单元。研究人员采用三重、四重和六重旋转对称操作来设计用于3D打印的自支撑晶格单元。第一层级单元仅由倾斜方向的支柱组成，然后通过相对于水平面镜像结构来获得具有旋转对称性和镜像对称性的第一层级晶格单元；最后，通过在空间中重复可以获得三种晶格结构。 具有三重、四重和六重旋转对称性的第一层级晶格单元设计 通过在第一层级晶胞边缘添加垂直支柱形成第二层级设计，每个晶格单元形成了三个、四个或六个三角形，三角形充当第二层级的稳定子结构，这种设计可以提高晶格的结构属性，降低机械属性。 在第二层级点阵的侧面增加一个方向的斜杆就形成了第三层级的点阵，每个斜支柱构成一个新的三角形，其中有两个斜支柱连接晶格单元的中心。三级晶格的变形是拉伸主导变形，第三层级格子的承载效率可以超过第二和第一层级。 具有三、四和六重旋转对称性的第二、第三和第四层级晶格单元的设计 在第三层级基础上再增加一个方向的斜杆形成第四层级格子结构，第四级晶格表现出更好的抵抗晶格缺陷的能力。 基于以上设计，共形成了12种自支撑晶格材料结构设计，通过复制填充到空间中。这些设计对于专业外的读者稍显晦涩，需要将3D打印技术参考的表述和原文对比，仔细甄别。 具有三重、四重和六重旋转对称晶格的12种设计 数值分析与试验验证研究人员使用ABAQUS 2017软件进行了有限元分析以验证弹性变形-本构关系，计算了十二种类型的晶格，并与SLM制造的实际结构的机械性能进行了对比。 3D打印的自支撑格层结构为5层，晶格支柱的直径与板层厚度均为0.6mm，倾斜支柱与水平方向之间的角度为45°，材料选择AlSi10Mg粉末，打印完成之后在280°C 下进行2 小时的热处理，以减少结构内部的残余应力。 由 SLM 制造的自支撑格层试样 建立与晶格夹层试样相同尺寸的等效有限元模型，将实验结果与弹性变形-本构关系进行比较。每个模型由三层组成，即上层、下层和等效连续体层，刚度由本构关系得到。下层被夹紧，同时限制上层旋转，并在压缩方向上施加单位位移。 研究发现，理论和实验结果之间的误差在-7.2% 和 8% 之间，这可能与制造尺寸误差以及面板引起的边界效应有关。在亚毫米尺度上，格子撑杆直径的变化可以达到±10%，即格子撑杆的实际直径为设计值的90%～110%。那么，格子撑杆的实际截面积为设计值的81%~121%。根据弹性模量、力和支柱截面积的尺寸关系，3D打印晶格的实际弹性模量在设计值的82%~123%之间，即误差在-18%~23%之间。本作品中显示的误差在范围内，因此是合理的。 通过实验和等效计算得到压缩模量 END 研究人员基于固体物理学中晶体学的多重旋转对称性，提出了一种考虑增材制造几何约束的自支撑晶格的创新设计策略，并成功在航天器结构中获得应用。 另据媒体报道，超轻型金属晶格结构解决了深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现了极其复杂结构的功能集成。而当前我国的深空探测器，无疑是指“嫦娥”系列和火星探测器。这种外部蒙皮+内部三维点阵、变密度、内部含有流道等特殊复杂的构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生了较大的综合效益。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.天问一号变推力发动机等采用3D打印零件，减重、减体积是关键 2.“天问”携“祝融”成功落火，航天五院529厂积极开展3D打印技术的研究与应用 3.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号今日成功着陆火星 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

拓扑优化与增材制造分别是新型高效结构的先进设计与制造技术，二者有效融合充分发挥了各自优势和潜力，在航空航天和高端装备领域展现出广阔应用前景。 西北工业大学张卫红教授研究团队对近年来国内外160余篇相关研究论文进行了详细综述，分析了面向增材制造的拓扑优化技术研究热点、亟待解决的关键问题以及面临的挑战，为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。相关成果以"A Review of Topology Optimization for Additive Manufacturing: Status and Challenges"为题受邀发表在Chinese Journal of Aeronautics 2021年第一期。 研究热点 将拓扑优化设计方案按照工艺要求快速重构并直接增材制造是当前工业界实现快速优化设计与制造的重要发展方向。为促进拓扑优化与增材制造融合应用，当前研究工作主要从材料结构一体化和结构工艺一体化两个方向展开。 材料结构一体化充分发挥增材制造强大的个性化制造能力，以多尺度结构设计为代表，如图1所示。微小的点阵结构不仅表现出轻质高强的高承载特性，还表现出优异的隔热、抗冲击、减震降噪等多功能特性，在功能结构中发挥重要作用。多尺度结构可以从宏观-细观-微观多个尺度合理设计材料布局，充分发挥材料潜力实现轻量化。 目前多尺度结构拓扑优化方法主要有三类：1)”退化”的拓扑优化，通过降低和取消密度惩罚得到连续化和梯度化的密度分布，并依据密度投影关系填充不同密度的点阵，该方法简便易行但难以直接优化点阵构型；2)基于梁参数优化的多层级结构设计，以构成点阵的梁为基本单元，优化梁截面直径实现梯度变化的多层级结构；3)以均匀化理论为桥梁关联微观构型与宏观等效性能，同时对宏观结构和微观构型进行协同优化实现材料效率最大化。 图1. 典型的多层级结构：(a)金属多层级点阵结构，(b)卫星支架结构，(c)发动机支架结构，(d)点阵填充的薄壳结构 将增材制造工艺约束如特征尺寸限制、连通性要求、悬空角约束(图2)融入拓扑优化设计方法是另一类研究热点，即结构工艺一体化设计。受增材制造设备成形精度的限制，需对拓扑优化生成的细小分支结构进行控制，针对基于密度法和水平集法的拓扑优化方法，研究人员分别提出了密度过滤技术和显式尺寸控制技术来实现特征尺寸约束。 由于增材制造成形后需依据不同工艺去除残余的未固化树脂、未熔融粉末和辅助支撑，要求结构内部不能含有封闭空腔，研究人员分别提出了虚拟温度场法、选择性生成通道法和特征空洞中心外置法来消除封闭空腔。最后，为了降低甚至消除辅助支撑结构，自支撑结构的设计作为当前的研究热点受到广泛关注，研究人员一方面对支撑结构形式和打印方向进行优化，另一方面将悬空角约束引入拓扑优化从根本上消除支撑结构。 图2. 增材制造成形质量随悬空角减少而降低 研究挑战 随着面向增材制造拓扑优化技术的深入，一些新的问题与挑战也随之出现，如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料性能各向异性、增材制造材料与结构疲劳特性以及功能梯度材料的设计与制造。在多尺度点阵结构设计过程中，均匀化理论通常用于表征微观结构与宏观性能之间的关系。但基于尺度分离假设构建的均匀化理论难以准确描述增材制造点阵结构力学性能，因此需要构建能够描述尺度关联效应（图3）的表征方法，如子结构法和多尺度有限元法。另外，基于梁单元建模虽然能体现尺度关联效应，但梁节点位置通常会产生材料体积和刚度误差，因此建立普适性的补偿方法是提升梁单元点阵分析精度重要方法。 图3. 点阵结构尺度因子对体积模量的影响 增材制造叠加成形过程中散热不均使材料在不同方向上的固化/结晶/粘接速度不同，产生了非均匀微观结构与材料力学性能(图4a)，对结构拓扑优化设计和应用提出了新的挑战。一方面需要精确表征成形材料力学行为，另一方面可以基于横观各向同性材料模型，充分利用不均匀性设计出性能更优异的结构。 此外，增材制造过程中大量存在得到未熔融区域和气孔缺陷(图4b)导致增材制造结构件的疲劳性能通常弱于相应锻件(图4c)，除了采用热处理(如热等静压)改善疲劳性能外，还应将疲劳性能指标引入结构设计中，发展面向疲劳性能的拓扑优化方法。 图4. 增材制造17-4 PH不锈钢的力学性能：(a)微观结构，(b)气孔缺陷，(c)疲劳性能 最后，功能梯度材料与多材料结构功能一体化系统在工程上有广泛的应用前景，但其优化设计与增材制造仍是一个富有挑战性的课题。一方面，多材料拓扑优化技术的发展为功能梯度材料的设计提供了新的内容，使不同材料可以根据外载条件得到最优布局。另一方面，多材料增材制造是功能梯度材料最理想的制备方法，但不同材料融合机理、材料性能、成形工艺约束等问题仍需进一步深入研究以适应制造功能梯度材料的需求。 近期Nano Dimension发展了首项增材制造PCB板的侧装技术，生产的Dragonfly精密增材制造系统(图5)可以显著提升PCB板性能，促进了多材料增材制造系统的发展。但是如何在多材料结构系统设计与成形过程中综合考虑系统承载力学行为、功能行为、承载性能与系统功能相互影响机制、系统可靠性、可维护和可修复性等，仍然是亟待解决的问题。 图5. 增材制造复杂PCB板 总结展望 本文回顾了近年来面向增材制造的结构优化设计方法主要研究内容和目前存在的问题与挑战。虽然拓扑优化和增材制造均有三十余年的发展历史，形成了各自比较完善的研究体系，但将两者深度融合从而充分发挥出各自优势仍是比较新的研究领域，在设计方法理论与制造工艺技术方面依然存在诸多挑战。尤其是在精确表征复杂点阵构型力学性能，发展先进制造技术如多轴增材制造系统、材料结构工艺一体化融合、复杂多材料结构功能一体化系统设计制造仍需深入研究。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 2.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.赛峰与SLM Solutions合作3D打印大尺寸商用飞机前起落架组件

3D打印技术的主要价值之一在于能够生产传统工艺几乎无法制造的特殊设计，而实现创新且复杂的3D设计，几乎所有的公司都很难做到，这不仅需要想象力，还需要软件工具来实现；材料，是影响3D打印应用的关键，它直接决定了终端用户能否使用，即便当前3D打印材料种类繁多，却依然难以通过很多领域的使用要求；速度，则是影响应用成本的关键，3D打印速度的突破将使其应用范围变得更加宽广。然而，很少有公司能够同时贯通材料、设计和速度，而走通了这条路，至少可以打开一个应用领域，例如Carbon公司。 功能强大，性能导向的晶格设计软件 Carbon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，它在3D打印运动鞋制造市场中占有举足轻重的地位。其推出的高性能材料和设计工具不仅成就了Adidas的新型产品，更几乎“灭掉”了其他3D打印工艺在该领域的光彩，至少到目前为止，采用其他工艺的其他运动品牌已经许久未推出3D打印新品。 晶格，几乎是区分一款运动鞋是否采用了3D打印工艺的标志性特征，这种结构的性能具有很高的设计灵活性，通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，可以达到结构的强度、韧性、耐久性、静力学和动力学性能的完美平衡。 Design Engine是Carbon推出的用来生产优化产品的设计软件，尤其专注于晶格结构的生成。传统设计工具在进行增材设计时难以完全兼容，尤其是对于以晶格为代表的复杂结构。Carbon公司指出，Design Engine是为简化晶格结构设计而生，基于云端的强大计算能力可以在几分钟内生成高级共形晶格，减少了对单机运算力的需求。 高度约10cm的零件生成晶格结构仅需117s 作为在晶格结构应用方面的领导者，Carbon注重晶格结构的性能特点。Design Engine支持用户在尝试不同设计时准确预测机械性能，从而帮助用户调整设计并缩短开发时间。同时，软件采用交互式界面，可同时制作五种不同的结构设计。即便对于最具挑战的外表设计，该软件也可以提供共形晶格结构设计，并减少生成设计后繁琐的修改步骤。值得注意的是，Carbon对于晶格结构性能的准确预测是基于本公司的材料。 在产品开发方面，Carbon已使用该软件成功设计了新冠肺炎检测取样拭子、高端自行车坐垫以及冰球运动行业从未有过的Super-Tacks X头盔。今年3月，Carbon宣布其所有会员用户均可以使用Design Engine软件。5月，Adidas推出最新款基于Carbon 3D打印技术的4DFWD运动鞋，并广泛使用了Design Engine软件进行鞋底晶格结构设计，新的点阵中底包含多达五百万种晶格结构，经过特殊编码，可以在垂直撞击时向前压缩，这种功能的实现均是通过晶格结构设计实现。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 前所未有，先进的3D打印可编程树脂 在很多情况下，由材料商或设备商推出的3D打印材料即便声称达到了多高的性能，但有时候却是只能感动自己。汽车领域的用户多次反馈当前的3D打印材料无法满足他们的性能要求，尤其是缺口冲击强度，PA、PP都无法满足。实际上每一种3D打印材料在其性能范围内只适合去承担其“力所能及”的应用，一味苛求它达到传统材料的性能在目前可能仍不可行。但，这反映了应用端对材料的迫切需求。无论材料商还是设备商，把握住这个需求，至少是掌握了打开市场的钥匙。 高性能树脂材料的开发便是Carbon成功的另一个关键，尤其是与粉末床熔融技术相比，Clip技术可以生产完全致密的零件。Carbon推出了多款高性能树脂，这些材料必须满足特定行业的性能标准和质量要求才能获得使用。 在汽车领域，福特、兰博基尼、自动驾驶技术公司Aptiv以及知名汽车紧固件制造和销售公司Araymond，均采用使用Carbon EPX 82材料批量生产汽车部件。EPX 82是一种高强度工程材料，其热变形温度为115°C，具有良好的冲击强度，非常适合要求强度、韧性和热循环耐久性均衡的应用，如连接器、支架和汽车和工业部门的外壳部件等。其机械性能可与玻璃微珠填充的热塑性塑料（如20％GF-PBT，15％GF-尼龙）相媲美，并符合USCAR-2流体兼容性标准。 兰博基尼SIÁNFKP 37通风口、APTIV拖挂式连接器盖、福特野马GT 500 EPB支架及兰博基尼SUV Urus油箱盖 在消费品领域，最为知名的应用便是Adidas采用Carbon的3D打印工艺、高性能树脂以及设计软件来大批量制造运动鞋中底。EPU 41是Carbon为Adidas Futurecraft 4D中底开发额革命性的弹性材料，双方密切合作，对150多种不同的材料配方进行了迭代，以实现所需的机械性能。用于最终生产的树脂材料特别适合生产弹性体晶格几何形状，在安全性和舒适性方面超越传统泡沫。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 在牙科和医疗领域，Carbon有专门用来生产牙模、间接粘合托盘、牙周夹板及导板的不同种类的医用树脂，并连续于2019和2020年在Dental Labs客户满意度调查方面排名排名第一。在其他领域，Carbon的Cyanate Ester 221材料被用来生产NASA自由飞行器冷气推进系统的四个高性能离合器零件，精密冷却系统制造公司Ebullient也采用该材料3D打印芯片冷却模块。这款材料材料性能与玻璃填充的尼龙相当，高热变形温度为230℃，并且具有非常高的刚性，非常适合制造需要长期热稳定性的组件。 3D打印的芯片冷却模块 从这些不同领域的应用可以发现规律，Carbon开发的树脂材料面向了客户需求，甚至与客户一同开发材料。与应用端结合，解决客户的需求，是其致胜的关键因素之一。相比之下， PA、PEEK、PP及其复合材料，是目前较为流行的3D打印高性能材料，而材料开发商在多大程度上是因为材料已经流行了而去重复生产和开发，有多少是考虑了终端用户的真正需求呢？来自汽车制造商的数据显示，目前主流的3D打印材料多无法通过实验室测试，尤其是冲击强度。 提升百倍，革命性的3D打印速度 Carbon最引人瞩目的成就便是对3D打印速度的突破，这是其成功的最重要因素。该公司的研究人员于2015年在Science上发表论文首次展示了这种称之为连续液面生成（CLIP）的技术，凭借一种半渗透窗，可以将氧气注入液体树脂，从而形成一种能防止固化的薄的“死区”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂固化成固体。机械臂缓慢地将不断增长的固体从树脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，这种技术无需一系列层合界面，因此产品更加坚固。而因为区别于其他DLP工艺的抬起和下降步骤，它比传统3D打印技术快了100倍。   Clip技术原理 Adidas 3D打印运动鞋底的成型过程 在速度方面的突破，证实了3D打印可以被用于制造业，因此也吸引了各方的持续关注和多轮融资。自此，Carbon与福特汽车、阿迪达斯和里德尔体育公司达成协议，分别为它们生产汽车零件、运动鞋底和橄榄球头盔。这同时成为Carbon取得3D打印批量制造和商业成功的关键。 Carbon为里德尔开发的3D打印橄榄球头盔 基于Clip工艺，Carbon推出了多种类型的3D打印机。Carbon M系列是功能原型的理想选择，在零件质量、准确性和一致性方面深得客户满意；Carbon L1打印机作为成熟装备，服务于需求量产的产品设计师、工程师和制造商，其成型尺寸为400 x 250 x 460mm，阿迪达斯Futurecraft 4D鞋中底和Riddell Diamond橄榄球头盔便是采用该机型打印，它提供了稳定的质量和可靠性，并能够按需生产。 Carbon-Adidas 3D打印生产车间 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。 END 从Carbon的发展历程来看，其首先突破了3D打印技术的速度限制，其次开发出了多款高性能3D打印树脂，为其产品的工业应用打开了通道。设计软件的开发，则是基于3D打印工艺在复杂结构制造方面的优势，尤其立足于使用其公司的树脂材料在晶格点阵结构方面的优异性能，开发出了只有该公司产品才能实现的、可接受的成本先进应用。 而从业内众多成功案例以及增材制造发展的趋势可以看出，速度和材料成为了一家公司致胜的关键，没有哪家公司不是在基于更快打印速度的基础上同时推出先进材料，惠普、华曙概莫能外。而尚没有哪家公司可以像Carbon那样，只有利用它们的打印技术、材料才能实现创新设计的高性能和相对低成本应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中国工程院院刊：3D打印技术在多个领域取得进展 2.Carbon首秀TCT Asia并官宣:3D打印实现量产不再是传说 3.GE公司的新尝试：采用金属3D打印代替铸造，发现成本更加经济 4.预见2021：《2021年中国3D打印材料产业全景图谱》

世界上许多性能最高的液体火箭发动机都是在20世纪80年代由俄罗斯和乌克兰的团队设计而成。科学家和工程师在当时的苏联取得如此成绩确实令人震撼，其代表产品RD-180至今仍然用于美国阿特拉斯5号的一级火箭。这也是被部分中国航空航天公司关注的重要原因。 不过，盯上他们的不止中国人，成立于2018年、总部位于纽约的航天技术公司Launcher，不久前任命了前乌克兰海基发射服务公司Yuzhnoye的液体推进部门副总设计师、火箭科学家伊戈尔·尼先科为首席设计师，其在高性能液体火箭发动机开发方面有超过30年的经验，参与了多种运载火箭推进系统的设计和开发。双方都在将增材制造大范围用于火箭重要部件生产方面富有冒险精神。这些努力，不仅成就了航天，也成就了3D打印行业。   3D打印，是新兴航天公司致胜的重要依赖技术 对于火箭开发来说，最具挑战性的任务之一就是制造富含狭窄、复杂形状冷却通道的燃烧室。火箭在发射过程中，燃烧室的温度达到3000-4000℃，这足以熔化任何金属。导致它不会立即熔化的唯一原因，就是一侧散失的热量要比另一侧吸收的热量更多更快，大约1mm壁厚的冷却通道发挥了重要作用。而它的机械加工，尤其是随后的封闭，都是一项困难的技术挑战。 通过3D打印，可以在燃烧室中创造出最优形状的冷却通道，将高传热和低水力损失结合起来。使用传统技术创建这样的通道，将会产生极高的机械加工和钎焊成本。对于新兴航天技术公司来说，3D打印则是他们致胜的关键。Launcher 3D打印的全尺寸E-2液体火箭发动机 2020年10月， Launcher开始测试其全尺寸的E-2液体火箭发动机，旨在以最低的成本为小型航天运载火箭提供最高的性能。因为采用了一米高的3D打印单件铜合金燃烧室，这家只有不到20名员工的公司，得以在最短的时间以相对较低的预算实现了这一目标。 然而，E-2液体发动机的3D打印零件不只有燃烧室，还有液氧泵、涡轮泵以及喷油器等等。接下来，3D打印技术参考将分别介绍这些零件的制造材料、完成单位以及其他细节。 从有需求、无设备，到打印一体化的全球最大火箭燃烧室 早在2017年，Launcher就指定了E-2发动机的制造路线图。最初是将涡轮泵的开发作为其首要目标，这是因为当时的SLM设备已经具备了这一应用所需的制造体积，然而当时还没有可以打印一米高零件的3D打印机，无法整体制造单件E-2燃烧室。其他航天公司则调整思路，选择生产较小的发动机，或者将零件分成三件或更多件分别打印再组成一个整体。然而，这种方法会降低燃烧/冷却性能，增加发动机重量以及成本。 Launcher一直在推动SLM设备制造商开发更大成型尺寸的金属3D打印机，但当时只有EOS旗下的AMCM公司愿意尝试，并迎合Launcher的开发需求。此外，AMCM看到了更多的潜在应用以及需求，进而加快了开发进程，使其M4K打印机得以提前两年投入使用，这使得Launcher能够在推进涡轮泵研发的同时开发E-2燃烧室。 AMCM M4K打印机 M4K打印机的成型尺寸为450 x 450 x 1000mm，配备4台1000w的激光器。在正式打印之前，AMCM采用AlSi10Mg打印了第一个燃烧室模型。最终全尺寸的燃烧室采用CuCrZr合金打印而成，它是世界上最大的单一组成部分3D打印燃烧室。 2019年以来，AMCM已经为Launcher完成了多个版本的燃烧室制造任务，以供不同的测试需求。2020年10月lanucher开始对E-2进行测试，前两次测试的燃烧室并没有冷却功能，以降低风险并测试3D打印喷油器的性能，两项测试均获成功。第三次测试的燃烧室则具有全部功能，并确保冷却通道的清洁。 3D打印的铜合金燃烧室具有优异的表面质量 镍基合金只是折中方案，铜合金整体打印却不是谁都能做 在开发全尺寸的E-2发动机之前，E-1已经是一款功能齐全的小型原型机，用于全面评估和测试发动机设计的各个方面。最初计划采用镍基合金制造这两款发动机。但在项目的早期阶段，Launcher发现英国3T Additive Manufacturing 公司正在采用SLM技术打印铜合金。双方接洽后，开始测试标准的C18150 CuCrZr合金作为燃烧室材料的性能，结果发现该材料具有高效的热传导性和冷却效果，且传导性能达到了镍基合金的20倍，不仅提高了燃烧室的寿命更降低了成本。 如今，铜合金被广泛认为是冷却液体火箭发动机的最高性能材料，而镍基合金则是一种折衷方案。然而，在当时则鲜有能够完整打印整件铜合金燃烧室的服务提供商。通过与3T的合作，Launcher在不到8周的时间里完成了从报价、制造到试车的过程。 3D打印燃烧室剖面图可看到复杂的流道 从E-1到E-2，更大的内部冷却通道更容易打印和清洁粉末，但制造具有必要强度的壁和歧管则较为困难。这一阶段的关键除了设计优化之外，还需要在打印机上开发能够制造一米高铜合金燃烧室的工艺参数，这成为该项目成功的关键因素之一。 工艺开发分为两个阶段，首先是在AMCM M290 1KW打印机上开发，之后将其移植到M4K上，它们具有类似的光学配置。在生产完第一批样品并确认材料质量后才进行燃烧室的打印。2018年和2019年，launcher对E-1发动机的各种原型进行了试车，包括研究不同制造参数（如粉末层厚度）的性能，以及制造速度和制造成本等。 3D打印的燃烧室在进行热等静压 热处理也是项目成功的关键因素，E-2的最终热处理和热等静压（HIP）由Launcher定制开发，Quintus Technologies的设备完成，以达到其特定的材料性能目标。 除燃烧室、喷油器采用3D打印制造外，E-2火箭发动机的液氧泵、涡轮泵也是3D打印而成。前者是火箭发动机的核心部件，用于液氧的输送与增压，由EOS M290采用镍基合金和铝合金材料3D打印；后者又被称作是火箭发动机的心脏，用于给发动机增压，它由Protolabs采用Velo3D的设备和In718镍基合金打印而成。可以明确的是，这两个零件都经过了热处理，并留下了经过加工的表面。截至2020年7月，3D打印的涡轮泵已完成70多次验证。 3D打印的E-2火箭发动机液氧泵 3D打印的E-2火箭发动机涡轮泵 将3D打印的优势、缺点，统统转化为优势 Launcher首席设计师伊戈尔·尼先科列举了增材制造技术的优势，包括实现独特形状（包括内部通道等）的设计自由度的能力、相比传统技术在进行更大和更复杂项目方面的处理速度以及将多个组件整合到一个零件中的能力等，均被用到了E-2燃烧室的设计和制造中。然而，3D打印也有固有的不足之处，即表面粗糙度较大。然而，在燃烧室的设计中它也起到了积极作用：通道中的粗糙表面可以显著增加冷却液的传热。在一些传统制造的发动机中，燃烧室通道也会以特殊方式加工来获得人工粗糙度。3D打印在此方面的不足，反而变成了优势，从而减少了后续加工。 燃烧室已连接管道准备试车 任何传统技术，包括冲压、机加工、钎焊、焊接和再次机加工的许多阶段，都不可能在两周内从零开始制造出一个几乎完工的燃烧室，即使拥有这方面所需的所有机械，而增材制造却将此变成了现实。 END 航天领域将成为金属增材制造越来越重要的市场。Launcher和AMCM之间的合作，使由此产生的材料和工艺技术向更为宽广的应用范围扩展。作为一项加工技术，它不仅被行业巨头开放，私营企业和小型组织也完全可以获取。 金属3D打印是促成Launcher等私人航天快速发展的创新技术之一，它以相比过去极低的成本开发和制造火箭发动机，大大加快了开发时间，并取得了燃烧效率的提高。而在此前，火箭发动机的高昂成本只有超级大国才能负担得起。如果没有3D打印，像Launcher这样的小公司则不可能以如此小的代价取得如此大的成功，而没有这些应用的推动，3D打印技术的发展则可能不会这么迅速。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 2.国家增材中心10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 3.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 4.从143到304，多材料3D打印为汽（赛）车提速、增效、降本

2021年3月，先临三维正式发布SHINING3D Design高端三维设计软件（先临三维CAD），这是先临三维推出的一款自有品牌工业软件产品。 SHINING3D Design——智能易用高效建模，覆盖产品设计全流程 SHINING3D Design（先临三维CAD）由先临三维发布，是一款面向产品设计的3D软件，其采用Siemens Parasolid内核和Solid Edge平台，能够高效创建和修改产品的3D数字模型。SHINING3D Design作为一款易于使用的软件工具产品组合，可轻松应对3D设计、仿真、制造、数据管理等产品开发流程的各个方面，提高产品设计效率、加快产品开发速度。 左右滑动查看更多 作为一款高端的产品三维设计软件，SHINING3D Design采用了国际主流CAD建模与仿真技术，并从实际应用角度出发，拥有强大的功能： 1、具有多种建模方式，并根据特定应用场景进行软件工具包的开发； 2、支持主流CAD软件设计数据的批量迁移； 3、可无缝对接西门子TeamCenter等主流PLM软件系统； 4、拥有有限元仿真模块可验证零件和装配设计； 5、支持3D扫描数据的逆向工程设计； 6、提供在线数据库给予设计师更多的参考等。 - 同步建模示例 - - 钣金建模示例 - - 仿真示例 - “总体来说，当前国内很多基础工业设计软件基本上都是国外的品牌，随着现在国际上对科技输出的限制，我们国内的企业在使用这些软件的时候受到了一定的影响。随着制造业数字化和智能化大潮的演进，面向产品开发的数字化设计软件愈发重要，我们就想推出这样一款工业软件，让用户能够拥有更多的应用自主权，缓解国外品牌对特殊产业在软件应用需求上的掣肘。 同时，我们在设计SHINING3D Design时，很关注的一点，就是性价比，总体来说，同等功能的国外CAD的软件比较昂贵，对我们很多制造业用户来说，使用成本很高。我们想通过SHINING3D Design的普及应用，能够让更多国内企业在承担较少成本的情况下，能够享受与SolidWorks，Solid Edge等主流CAD和仿真软件相近的功能与应用体验。同时，我们也关注到软件的学习成本，力求简单的操作体验，轻松上手，多方面降低企业的设计门槛。” ——先临三维数字系统总经理-周青 SHINING3D Design（先临三维CAD）高端三维设计软件，自有品牌+独立发布软件授权、采用国际主流建模与仿真技术、以及具有普惠型高性价比特征，将为国内的工业设计等领域加入新的软件工具选项。 同时，SHINING3D Design的发布，也深化了先临三维的3D数字化技术方案，进一步丰富“从3D数字化到智能设计到3D打印直接制造”的系统解决方案，帮助用户实现“从产品概念-3D数字模型创建（设计）-3D制造”的产品创造流程和“从产品实物-高质量3D数字模型获取-智能设计-3D打印”的微创新或二次创新。先临三维也将持续努力，以更加优良的产品、解决方案持续推进高精度3D数字化技术的普及化应用。 扫描二维码，下载试用版本 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.FreeScan UE激光手持三维扫描仪 让高精度检测更轻便 2.3D数字化技术新变革——一体式、双光源、多场景 3.十款时下最热门的3D打印数据处理软件，哪款适合你 4.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说