近日，来自挪威科技大学和意大利特伦托大学的研究学者发表顶刊综述文章，讨论了迄今为止在改善金属3D打印点阵结构疲劳性能方面的进展，为全面理解晶格结构中的关键特征做出了贡献，填补了疲劳如何严重降低整体结构完整性的空白。 先进制造工艺的快速发展使超材料晶格结构的制造成为可能。这些轻量化、高性能的结构已迅速在几个主要工业领域获得应用，其全面使用只是时间问题。加速这一应用就必须对其相关参数有一个清晰的了解，并开发先进的方法来评估其机械性能及其在不同载荷条件下的失效机制。 事实上，晶格结构的性能深受工艺缺陷的影响。很多人只看到它具有轻量化、刚度和强度等综合性能，但对疲劳性能却关注甚少。疲劳始终是绝大多数关键结构材料的主要退化机制，尤其是在高温（蠕变疲劳）或不利环境（腐蚀疲劳）下。与刚度和强度的整体特性不同，过早疲劳失效是由局部因素驱动的，如缺陷、微观结构、表面粗糙度等。 航空航天、汽车、医疗领域3D打印点阵结构的应用 3D打印的点阵（蜂窝或晶格）结构特别容易发生疲劳损伤，主要原因有五个：•多孔材料的微结构是整体结构弱化的内在因素，多孔结构由在特定点（称为节点）连接的支柱组成，减少了承载面积并增加了应力集中。 •3D打印的点阵结构通常几何精度差、表面形态复杂，这导致打印完成的实际零件与和设计状态之间存在差异。 •对最小可打印细节尺寸（如桁架厚度和圆角半径）存在技术限制。对于精细特征尺寸，所需几何结构和实际几何结构之间不可避免的差异使传统的通过设计来减少局部应力集中的措施变得不再有用（如支柱尺寸逐渐过渡、支柱之间边缘平滑或应力释放槽）。 •相对于打印方向的支柱倾斜角度也是必须考虑的因素。倾斜支柱由松散粉末支撑，粉末的热导率低于固体，不同的热条件可能产生独特的微观结构和高度不规则的表面形态。 •疲劳比任何其他机械性能更受制造工艺的影响，已有很多研究强调了缺陷的重要性。 3D打印零件的表面粗糙度包括大量的局部缺陷（也称为微缺口），这些缺陷是疲劳裂纹萌生的潜在位置。3D打印技术参考曾详述金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响，在此我们不再展开讨论（请查看延伸阅读）。几何缺陷也会对点阵结构的力学行为产生影响，为了在疲劳预测过程中采用更准确的实际晶格结构，可以使用CT扫描技术，在此方面北理工方岱宁院士团队有详细研究。 北理工方岱宁院士团队3D打印的晶格结构和拉伸试样 很多有关晶格材料的文献表明，大多数疲劳设计方法都依赖于实验，而这些实验是为处理选定的晶格结构和材料而定制的，既费时又昂贵。另一方面，现有的理论方法似乎缺乏准确性，主要是因为它们的简化方法可能无法捕捉晶格结构中的真实应力分布。在没有残余应力的情况下，可能影响晶格结构疲劳行为的变化源除了上面提到的几点外，还可能包括晶格结构中的支柱连接，这也是本综述关注的重点。 多孔材料示例：（A）闭孔泡沫（B） 开放式单元格（C） 规则点阵设计和制造具有具有足够抗疲劳的材料并能够可靠预测其安全寿命是一个巨大的挑战。 该综述文章总结了大量基于晶格结构的文献，以确定这些结构的潜在和主要局限性，特别强调它们在承受循环疲劳载荷时的情况。研究人员的目的是“填补空白”，全面了解晶格结构中的关键特征——疲劳如何严重降低其整体结构完整性，并就如何解决这一问题提供完整和最新的技术。 有限元分析已经在使用晶格结构的实际几何形状，以比较真实几何体和标称CAD几何体中的应力状态，从而定性地将数值结果与实验疲劳数据相关联。通过对试样进行显微CT扫描获得了打印完成的实际几何结构，以此对支柱连接处的应力分布进行的有限元分析表明，模型中的应力集中程度较高；然而，模拟值仍然低于实验中预期的应力集中程度。据报道，这是由于为了将有限元模型网格化而执行的平滑程序使表面切口的严重程度降低了，尽管结构中存在残余应力，在消除应力后也会显著影响数值分析的精度。 具有相同相对密度、弯曲和拉伸为主的多孔材料的典型压缩过程：1）线弹性状态 2）屈服后 3）致密化 在单轴疲劳荷载作用下，局部应力的存在将导致晶格中的应力呈现多轴、非对称和不均匀状态。因此，对于这些复杂结构，应采用能够解决平均应力和应力梯度下应力多轴性的疲劳准则。Boniotti等人报告了针对这些特定点的疲劳预测策略的主要结果，在对晶格的微观CT结构模型进行应力分析后，采用临界距离理论进行疲劳寿命预测。为了解决多轴问题，根据Sines提出的等效vonmises应力计算了应力幅值。在这种情况下，对于每个节点，在其周围的球形控制体积中确定平均等效应力振幅。控制体积的半径设置为El Haddad的尺寸参数，该参数是从相同材料的疲劳评估中获得的。当局部等效应力幅值大于材料的疲劳强度时，疲劳裂纹萌生将在有限元模型中发生。使用这种方法，能够成功预测疲劳寿命和失效位置。 END 晶格结构可以设计或定制，以实现特定的结构功能和性能要求。它们具有比表面积大、质量低、重复结构规则、孔隙连通性好等优点，因而具有很高的应用价值。 3D打印可以对点阵材料的微结构甚至多尺度结构进行全面而精确的控制。然而，缺陷和不完善是不能完全消除的。由于晶格表面的均匀化和提高其结构延性的可能性，对其进行特殊的后热处理可以显著提高疲劳寿命。 注：关于研究内容详情已上传QQ群。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.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 3.摆放位置和粉末重复使用对3D打印零件疲劳性能的影响 4.看EOS如何提高材料的疲劳性能（内附一种无支撑工艺方案）

三星堆遗址祭祀区新一轮的考古发掘，引起了社会广泛关注，五千年的文明不知要带给我们多少惊喜，而在此次的发掘过程中首次使用了3D打印技术提取文物。本期，3D打印技术参考介绍的重点包括借助3D打印提取文物的过程，以及该技术在文创方面的可行性分析。 国内首次使用3D打印技术提取文物3月20日，考古工作者宣布在三星堆遗址新发现6座三星堆文化“祭祀坑”，现已出土金面具残片、巨青铜面具、青铜神树、精美牙雕残件等重要文物500余件。同时，3号坑也发现了迄今为止三星堆出土规模最大的一件青铜器——大口尊。 该大口尊长度约70厘米，尺寸大，强度弱，文物一碰即碎。通过前期方案讨论，决定采用3D打印技术提取大铜尊。据了解，此前考古和文保工作中都尝试采用过3D打印技术，但这是首次使用3D打印技术进行文物提取。 工作人员首先使用3D扫描仪对文物进行扫描及周边数据收集，然后通过3D打印机打印出文物的模型，根据模型生成硅胶体的保护套，将硅胶覆盖在文物表面对文物进行保护。提取现场，考古人员用硅胶体保护套贴合在文物上后，外面还要再包裹上厚厚的保护层，放在专门的套箱中。 大口尊中全是泥土，器物本身加上泥土，再加上保护套，总重量超过200斤。考古队员利用考古发掘舱中安装的先进航架系统，深入到1米多深的坑中提取文物。经过编号、登记，文物才能离开考古发掘舱，通过专门运送车送入文物研究保护中心。 3D打印的大口尊原型和倒模硅胶 实际上，提取过程对3D打印技术的应用，也仅此而已，但看似简单，却科技含量十足，它包括了三维扫描、建模、3D打印、倒膜一系列过程。随着科技的发展技术的革新，3D打印作为一种便捷、高效和真实的数字化快速成型技术，在各行业得到了广泛的应用。尤其在古文物修复或重建方面，3D打印技术正发挥着独特的技术魅力。 3D打印在文创方面的可行性分析 文创作品已经成为各大博物馆的一张重要名片，从故宫口红到敦煌壁画拼图，馆藏的各种文物从过去的“高冷”开始慢慢变得“亲民”，文创作品拉近了文物和普通民众之间的距离。近些年来，3D打印和三维扫描逐渐应用到了文物保护和文化传播领域，并发挥了重要作用，而文创作品的直接3D打印却鲜有听闻。接下来，3D打印技术参考来对几个很有意思的文创作品能否采用3D打印制造进行可行性分析，希望能为这项技术在文创作品领域的应用提供思路。 大金面具——双耳面具杯，与3D打印 此次出土的金面具备受关注，面具宽约23厘米，高约28厘米，值得注意的是，其形制与金沙遗址博物馆的金面具极为相似，后者长20.5cm，宽10.4 cm，高10.7 cm，厚0.08 cm。金面具整体呈立体脸谱，系在模具上捶揲成形，眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵则采用剪切而成。具有重大的历史、艺术和科学价值，是研究商周时期成都地区古蜀文明、金器加工工艺、青铜文明以及四川盆地与外地文化交流的重要实物资料。 商周大金面具 双耳面具杯 金沙文创以金面具为创作灵感，经过略萌化后形成晶莹的双耳玻璃杯，面具双耳变成方便执握的杯柄，耳上纹饰源于金沙铜虎，杯底烫金“太阳神鸟”纹。金色与玻璃晶莹交相辉映，熠熠生辉。从设计的角度来说，最为关键的是将多元素融于一体，由金沙文创和西华大学一名教授联合设计而成。面具杯采用全手工吹制，需要等待15-20日的制作周期，而采用3D打印，则不需要等待这么久。 双耳面具杯 当前，玻璃的3D打印工艺已经获得很好的发展，有企业已经在生产光学镜片。主流的玻璃3D打印工艺有熔融挤出和光固化两种。 玻璃的光固化3D打印过程 3D打印的玻璃零件 关于金面具的文创作品还包括文物复制等其他类型，可以涉及直接金属打印或者3D打印熔模铸造工艺。 光固化3D打印的金面具原型 金面具文创指环（可直接金属打印也可3D打印+熔模铸造） 皇后之玺—玉玺交通卡，与金属3D打印 这枚玉印印钮浮雕一只螭虎，印面刻有“皇后之玺”四字，它是迄今仅见的汉代一枚皇后官印。玺长2.8cm、高2cm，重33g。螭虎造型之生动，玺文字体之规整大气，雕琢技法之娴熟，都是罕见的。 西汉皇后之玺 长安通公司与陕西历史博物馆联合推出了玉玺形状的印章交通卡，它是以西汉皇后之玺为原型缩小比例打造，采用多种特殊工艺，突出文物质感，小巧玲珑，携带方便。 皇后之玺文创作品——印章交通卡 从3D打印的角度来说，印章底部的字样及周围的纹饰可以实现个性化定制。同时，这样个性化的设计所造成的制造成本并不会增加太多。在材料方面可以使用树脂、陶瓷、青铜，结合所用到的技术可以完美体现设计细节。这枚小纪念品有强大的实用功能，使用它可在北京、上海、天津、西安等225个城市乘坐公共交通工具。 极致盛放设计，铂力特打印的青铜汉钮▪龟 太阳神鸟金饰——吊坠、耳钉、徽章，与蜡模3D打印 商周太阳神鸟金饰整体为圆形薄片，外径12.5厘米，内径5.29厘米，厚度0.02厘米，重20克。图案分内外两层，内层等距分布十二条旋转的齿状光芒；外层由四只神鸟逆时针绕太阳飞翔，是古蜀先民深邃的哲学宗教思想、丰富的想象力、非凡的艺术创造力和精湛工艺水平的完美结合。2005年8月16日，“太阳神鸟”金饰图案被公布为中国文化遗产标志。 商周太阳神鸟金饰 金沙遗址博物馆以此为基础开发了书签、吊坠、耳钉、徽章等产品，样式精美。 “太阳神鸟”耳钉 当然他们所采用的还是传统的制造手段。从3D打印的角度来说，可以采用直接金属打印或者3D打印蜡模+翻铸的工艺轻松实现，这两种工艺是目前3D打印金属饰品的两种重要手段。此外，文创作品的产量一般不会太大，3D打印还可以满足小批量制造的需求。 3D打印的镀金耳钉 北科大定制毕业指环（极致盛放设计，钛合金打印） 唐仕女俑—唐妞，与粘结剂喷射3D打印 唐代是中国古代社会的辉煌时代，特别是唐代开放和包容的精神在妇女身上体现的淋漓尽致。在唐代，女子和男子在很多方面享受一样的自由、平等地位。从唐代壁画和陶俑身上可以看到，唐代的妇女的服饰也是非常开放的，这种时代精神恰好契合了当今女性想要表达的观念。 唐代女俑 “唐妞”，是陕西历史博物馆以唐仕女俑为原型，保留其妆容特点，在原先可爱造型的基础上，按照年轻人喜爱的审美方式，用动漫、可爱、Q版的手法，将唐妞设计了出来。她高髻峨眉，面如满月，体态丰满，身穿宽袖长裙，憨态可掬，喜感十足，是唐代人见人爱的“小胖妞”。“唐妞”也是陕西第一个登上春晚的动漫IP形象，在很多文创产品博览会上都获得过大奖。 从3D打印的角度来讲，其重点在于其表面质感以及丰富的色彩展现，这也就意味着它需要通过彩色打印实现。在现有的工艺中，石膏彩色喷墨技术以及树脂喷射技术可以实现，而前者在表现陶俑特色方面则更具质感。 3D打印的希娜娃娃 END 文创作品最好能在生活中有所实用才能起到纪念品的作用，而3D打印则可以大规模的介入博物馆文创产品的开发中。利用它小批量、快速制造的特点，快速将产品推向市场，并借助它独一无二的个性化制造特点迎合大众需求。从另一个角度来说，3D打印可以结合设计、艺术、文化来增加产品附加值和内在底蕴，将单纯的技术玩出新的高度。 欢迎转发 延伸阅读： 1.共享视觉：当粘结剂喷射3D打印遇上文物保护和艺术品创作 2.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 3.SpaceX 龙飞船3D打印推力室中的增材设计思维和规则 4.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域

经过数亿公里的行程，载有11种3D打印金属零件的美国毅力号火星车最终成功度过“恐怖的七分钟”，于北京时间2月19日4时55分着陆火星。NASA喷气推进实验室实时报道了火星车的降落过程。 使用3D打印可以使工程师进一步解放设计约束，例如使零件更轻、强度更高或能够更加耐受极端环境等。而就如我们在往期文章中所介绍的，这些3D打印组件的制造难度远远超出预期，而且一度逾期交付。2012年8月，美国“好奇号”在火星表面着陆，这是人类首次在其他星球登陆的最精密的移动科学实验室。值得注意的是，该火星车流动站的样品分析仪器中包含3D打印的陶瓷零件。此后，NASA继续对航天器的3D打印应用展开测试，以确保更加清楚地了解零件的可靠性。 作为火星车的“二级结构”，3D打印的零件能否最终胜任工作其实并不会危及最终任务，但NASA喷气推进实验室（JPL）增材制造部门的负责人指出，“将这些零件运送到火星本身就是一个巨大的里程碑，这将为增材制造在航天工业中的应用打开更多的大门。” 毅力号火星车包含七种仪器 精密X射线光谱仪含5个钛合金薄壁零件 在送往火星的11个3D打印零件中，有5个在火星车的精密X射线光谱仪（PIXL）中。其尺寸约为饭盒般大小，主要用于寻找化石微生物生命的迹象。 光谱仪与其他工具共用一个40公斤重的旋转转台，转台位于火星车2米长的机械臂末端。为了使仪器尽可能轻巧，JPL团队设计了光谱仪的两件式钛合金外壳、一个安装架和两个支撑支柱。整个结构被固定在机械臂末端，所有零件的壁厚在1-1.1毫米之间，其质量比常规生产的零件少了3到4倍。 PIXL及其3D打印组件 JPL的X射线光谱仪（PIXL）首席机械工程师介绍：“从非常真实的意义上讲，3D打印使该仪器集成到火星车中成为可能，它使我们实现了传统制造所无法实现的低质量和高精度。” 另外6个为氧气制造仪器的超级合金热交换器 毅力号的其他六个3D打印零件可以在名为“火星氧气原位资源利用实验”或MOXIE的仪器中找到。该设备将测试能否利用火星大气层制造氧气，其计划包括通过将微生物带到火星表面，使用美国麻省理工学院研制的MOXIE设备，借助微生物制造氧气，未来这些氧气将供给人类呼吸并用于火箭推进从而帮助宇航员返回地球。 毅力号MOXIE设备 MOXIE设备内部 为了产生氧气，MOXIE需要将火星空气加热到接近800℃。该设备内有六个掌型镍合金板热交换器，可保护仪器的关键部件免受高温影响。 传统加工的热交换器需要由两部分组成并焊接在一起，而MOXIE的热交换器则被整体3D打印出来。该部分的制造任务由美国加州理工学院完成，实际上，该学院也是NASA喷气推进实验室（JPL）的行政管理结构（详情可查百科）。 3D打印的超级合金热交换器 JPL的材料工程师表示：“镍基合金又被称为超级合金，它们即使在非常高的温度下也能保持强度。” 通常，高温合金多被用于喷气发动机或发电涡轮机，即使在高温下，也能很好地抵抗腐蚀。 3D打印的热交换器X射线影像用以检查内部缺陷 尽管3D打印具备一体化的制造优势，但材料同时面临孔隙或裂纹的挑战。为避免这种情况，制造团队对掌型镍合金板进行了热等静压处理。零件被加热到1000℃以上，并在零件周围均匀施加压力，然后工程师使用显微镜和大量机械测试检查了热交换器的微观结构，并确保它们达到使用标准。 该项目的材料工程师对微观结构尤其在意，它不仅决定了性能，更决定了零件能否正常发挥功能。 END 正如NASA喷气推进实验室增材制造部门的负责人所指出的那样，将3D打印的零件运送到火星本身就是一个巨大的里程碑，这将为增材制造在航天工业中创造更多的应用可能。随着任务的进行，我们将看到更多探测结果，对此，我们满心期待！ 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.超制造预期12个月，毅力号火星车的3D打印组件制造有多困难 2.SpaceX 龙飞船3D打印推力室中的增材设计思维和规则 3.金属3D打印的最佳实践(二)：NASA新材料3D打印工艺开发备忘录 4.SpaceX首次载人火箭发射成功，3D打印发挥作用，开始纳入Velo3D无支撑金属打印

对于3D打印技术应用，软件、硬件、材料是3个最重要的基础环节。软件作为其中之一，其类型覆盖CAD建模、CAM数据预处理、CAE仿真、生产管理等多方面。如今，3D打印软件正在朝着两个方向发展：对于基础用户而言，桌面级软件功能正在越来越丰富、界面更加友好、操作性也更为方便快捷；对于工业级软件，除必备的数据处理、工艺规划功能外，正在将模拟仿真和生产管理等功能集成其中，这进一步推动了3D打印技术的落地应用。 一款软件的好坏，直接影响到基础用户的体验，更与企业用户的制造成本和生产效率相关联。一款好的数据处理软件需要具备哪些特点？稳定、速度快、功能强大正在成为趋势。本期，3D打印技术参考列举10款业内常用到的数据处理软件，相信总有一款你会用到。 工业级软件 1.Magics <收费，支持LCD、DLP、SLA、SLS、SLM工艺> Magics是比利时Materialise公司推出的产品，也是目前全球用户基础最多的3D打印预处理软件，具有完备的数据处理功能。除包含了基础软件拥有的所有功能之外，它还可以对模型进行晶格结构设计、纹理设计、打印工艺设计并能够生成报告，支持几乎所有的工业3D打印工艺并内置上百种3D打印机型号。 Magics经过近几年的更新，推出了一些更加强大的功能，如支撑转移，用户可以自动将支撑结构转移到相似的部件，在更改设计时无需重新创建支撑，从而加快了数据处理速度。作为软件平台，Magics支持多种插件，e-stage智能支撑和金属打印仿真模块的推出，对金属3D打印的高效生产、降低失败率提供了重要帮助。 2. Voxeldance Additive <免费版、收费版，支持LCD、DLP、SLA、SLS、SLM工艺> Voxeldance Additive是近两年出现的一款热门国产工业级3D打印数据处理软件，软件内核算法成熟，不亚于现在的国外主流数据处理软件，并已经和国内数十家主流厂商建立合作关系，用户增长迅速。Voxeldance Additive能够提供数据准备和增材制造（AM）设计所需的几乎所有功能，并提供广泛的工具种类，方便用户分析、准备和优化增材制造设计。 不仅支持SLA、LCD、DLP、SLS、SLM多种打印技术，并针对行业应用开发了特色独有功能。其针对齿科应用开发的一键杯口朝上摆放功能，大大提高了用户的生产效率并显著降低了成本；特色的自动修复功能能够完美修复thingi10k模型库中99%的STL模型；支撑模块中的支撑脚本与SMART支撑，更可以帮助用户提高打印成功率和打印效率。此外，软件内置的设备平台涵盖了国内外数十家主流厂商的机型，其简洁友好的界面，能让用户快速上手。 3. Netfabb <免费版、收费版，支持LCD、DLP、SLA、SLS、SLM工艺> Netfabb是软件巨头Autodesk推出的3D打印数据处理工具，在航空航天、重工业、汽车和医疗保健领域很受欢迎。Netfabb可根据零件载荷和约束生成针对刚度和重量的优化设计方案，并通过晶格优化和拓扑优化两种方式实现；可选Netfabb Simulation模块能够对打印过程进行仿真，识别构建失败的潜在原因，提高打印成功率。该专业软件旨在帮助公司以有效、经济且可靠的方式将增材制造用于工业生产。 然而，Netfabb并非仅可用于优化设计和仿真，模型修复、添加支撑、切片等仍是其基础功能。用户既可以选择自动模式来进行模型修复和支撑生成，也可采用手动模式；软件还可以分析模型的可打印性，并执行相关程序，只不过，某些功能可能需要另外付费。 4. 3DXpert <收费，支持3D Systems金属打印机> 3DXpert是由3D Systems开发的金属3D打印配套软件，作为单一集成的解决方案，涵盖整个金属增材制造流程及后处理加工过程。使用该软件，将不再需要整合不同的解决方案，用户可以在任何文件格式下操作，节省大量时间，并在过程的任何阶段对基于历史的参数化CAD模型进行更改，直至整个零件成品加工完成。 3DXpert除内置了必备的打印机、材料和扫描参数外，还允许用户开发自己的打印策略。软件可为不同区域分配最佳打印策略，并自动将其融合到一个扫描路径中，在保持零件完整性的同时最小化打印时间。与主流的3D打印工业数据处理软件一样，3DXpert也具有仿真功能，为用户克服了热变形挑战提供帮助。目前该软件与设备绑定销售，但其出色的功能已被业内广泛关注。 桌面级软件 1. Cura <免费，支持FDM/FFF工艺> Cura是一款由Ultimaker开发的免费开源3D打印切片软件，速度快、切片稳定，可跨平台支持多种操作系统。凭借上手度高、专业性强等优点，Cura成为打印切片软件中的佼佼者。 Cura的功能分为模型切片和打印机控制两大部分，操作界面简单明了，对每个参数都提供了详尽的提示，非常容易上手。虽由Ultimaker开发，但支持绝大多数桌面3D打印机。 2. PrusaSlicer <免费版和收费版，支持FDM/FFF、LCD、DLP工艺> PrusaSlicer是一款基于Slic3r二次开发的免费开源3D打印切片软件，曾被称为Slic3r Prusa Edition或Slic3r PE。此前Slic3r虽功能强大、用途广泛，但某些功能很难使用，基于其开发的PrusaSlicer则具有简洁的用户界面，分为了模型摆放区、打印设置区、材料设置区以及打印机设置区，清晰明了，操作效率大大提升。 同时，该软件支持FDM/FFF、LCD、DLP打印工艺数据处理，同时内置第三方打印机配置文件，软件可设置为中文，用户可快速上手。 3. Chitubox <免费版和收费版，支持SLA、LCD、DLP工艺> ChiTuBox是一款国产软件，其功能强大，简单易用，能够帮助用户更轻松便捷的进行光固化数据处理操作。除必备的旋转、缩放、镜像、修复、镂空、克隆等功能外，ChiTuBox能够进行多文件快速处理、智能自动排列、自动/手动添加支撑以及一键式快速切片。 作为最受欢迎的第三方光固化3D打印机数据处理软件，ChiTuBox大量的控制和内置功能可以加速切片工作流程，同时保持高质量的文件输出。ChiTuBox为20多种树脂打印机提供官方支持，目前免费版本将会一直更新，收费版本的功能和布局会更丰富，行业性功能将更细致和更专业，同时支撑算法将更智能。 4. Lychee Slicer <免费版和收费版，支持SLA工艺> Lychee Slicer是一款在国外具有良好用户基础的3D打印数据处理软件，支持SLA、LCD、DLP工艺，适用于牙科、首饰、产品设计等应用场景。软件的用户界面类似PrusaSlicer，除必备的模型处理功能外，Lychee Slicer可以通过一键式按钮自动优化一个或多个模型的位置、支撑结构和方向，同时能能够自动识别模型中可能需要添加额外支撑的位置。 Lychee Slicer目前有免费和收费两种版本，支持75种不同的3D打印机，支持打印机自定义和树脂材料配置文件，如指定构建平台的尺寸、树脂的固化时间、层厚度、扫描速度以及材料价格等。免费版具有软件的核心功能，但在使用过程中会接收到相关广告，付费版每月须支付2.49欧元。 5. Simplify3D <收费，支持FDM工艺> Simplify3D是用于桌面级3D打印的集成软件解决方案，功能强大，在国内也颇受欢迎。其售价150美元，被认为是市场上唯一的高级切片软件，具有专门为实现最佳质量3D打印而设计的功能，因此也常拿来与Cura对比。 Simplify3D的切片速度极快，在Cura中切片需要几分钟的模型，使用它仅需要几秒钟。而且Simplify3D的参数控制窗口采用选项卡模式，比Cura的侧窗模式具有更好的用户体验。软件所特有的模拟功能，可以使用户在打印之前看到所有的设定信息，如打印速度、顺序等，以便发现在打印过程中的问题。针对多喷头打印可同时支持6种以上材料打印，这为诸如颜色混合或定制材料属性的应用提供了更大的自由度。 6. Formware 3D <收费，支持LCD、DLP类型打印机> Formware 3D具有非常友好的用户界面，主菜单栏提供了通常的移动、缩放、镜像、查看选项，有关模型的信息显示在右侧面板中，符合用户的使用习惯，支持LCD、DLP工艺。 Formware 3D具有强大的高级支撑生成和编辑功能。用户可以控制每个支撑的临界角度、类型、密度和尺寸，以及是否需要内部支撑。支撑生成后，只需单击并拖动或删除即可轻松移动或删除支撑的任何部分。每个支撑都有几个可以移动的节点，因此可以完全控制每个支撑的位置。此外，在自动模式下，用户可以通过单击每个支撑点来添加或删除模型上的支撑位置。 END 从3D打印的原理来看，影响3D打印的成形精度和效率的关键因素定离不开对三维模型的数据处理。小到模型修复、支撑添加，大到打印工艺设置、生产管理，数据处理软件的发展也在一定程度上制约着3D打印技术的发展进步。本文所列举的十款处理软件，无论简单易用还是繁复复杂，都可以在相应的领域满足不同级别用户的生产需求。十款软件，你在用哪一款？ 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.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 2.美借助3D打印实现十年前的先进仿生结构制造…

至2020年，波士顿动力的Atlas人形机器人已经经过了11年的发展史，如今，该公司的所有机器人已经可以集体出道。这些世界上最先进的机器人集成了世界上最先进的技术，可以实现高度多样化和灵活的运动。在所有先进技术中，3D打印为Atlas的零件赋予了跳跃和翻腾所需的最佳强度/重量比。 2012年，美国国防高级研究计划启动了一项机器人挑战赛，旨在推动救灾机器人技术在当前的基础上向前迈进一大步。这项计划极大推动了美国机器人水平的发展。Atlas和SpotMini也在这项计划的帮助下，经过多次迭代，从开始的蹒跚学步，到如今健步如飞，甚至貌似还学会了中国功夫和跳舞，可谓让人目瞪口呆，电影里的画面似乎要成真。 SpotMini机械狗多年来实现飞速进化，从无手臂到安装单支机械喙，再到安装双仿生手臂，使这个25公斤的机器人可承载14公斤的有效载荷，且能够更加灵活的执行更加复杂的操作。 最新型号的Atlas高约1.5米，重80公斤，完全动力自主（在30-60分钟之间运行，取决于活动），并拥有28个自由度，强度、密度也已提升到与人类相近的程度。 然而，无论Atlas还是SpotMini，这些复杂功能和灵活性的实现，离不开3D打印技术的使用。尤其是Atlas，3D打印赋予了它跳跃和翻腾所需的强度/重量比。接下来，让我们再来学习3D打印如何帮助这些世界上最先进的机器人减重、提高空间利用率并提升效率。 Atlas的高级控制系统可实现高度多样化和灵活的移动 1. 3D打印定制非标部件 当机器人的体积越来越小，小到人类规格的时候，市面上便很难找到适用于它的高性能伺服阀。研究团队自行开发，采用3D打印制作了比航天使用的更小巧、更轻质的伺服阀，新的伺服阀拥有多种模式，阀门响应时间短，旁路泄露极低。这也是3D打印参与Atlas非标部件制造的典型案例。 借助3D打印制造的伺服阀 2. 3D打印优化结构设计，减轻机器人肢体惯性 无论对于人还是足式机器人，两足行走都是自然界非常高效的运动方式。不论加速还是减速，机器人系统的大部分动力都消耗在腿部的摆动上，由于其本身重量较高，肢体惯性便成为步行机器人的大问题。为解决这一问题，研究团队对Atlas的腿部进行了优化设计，使其更轻、更紧凑、更加集成。 从结构图可以看出，Atlas腿部采用了仿生设计，具有高强度/重量比的晶格以及类似人类骨骼的多孔结构，既保证强度又减轻质量，这种结构也只有3D打印能够制造。 腿部结构细节，集成多种部件 然而找寻到这种结构却并非易事，研究人员还需要将歧管、液压管路以及执行器都集成进腿部结构里面，这么多部件的集成也为结构设计带来困难。其封闭处理步骤之多，甚至足以抵消增材制造 (对比传统机械制造) 的部分优势。最终，3D打印技术使有限的空间得到更加高效的利用，Atlas的肢体惯性得到了有效降低。 波士顿动力为Atlas3D打印的液压歧管 3. 3D打印液压动力单元（HPU）实现更高效率 液压动力单元其中一个很重要的优势就是具有极高的功率重量比—极小规格尺寸的单元可以传递很高的功率。采用3D打印来制造液压动力单元，可以制造紧凑、轻量型阀块，极大减轻重量并提高空间利用率。 3D打印参与Atlas液压动力单元制造 Atlas使用3D打印零件来赋予其跳跃和翻腾所需的强度/重量比 波士顿动力将3D打印应用于制造Atlas机器人的液压动力单元（HPU），并具有相当的可扩展性。HPU位于机器人的中心位置，3D打印用于制造收集电力并输出液压动力所涉及的稳态控制器、传感器、过滤器、排污阀等部件，有效利用了原本剩余的空间。 Atlas使用的3D打印轻量化零件 另外，Atlas的歧管有18个阀门，实现机器人上半身功能，通过结构有机设计和3D打印减轻了压力下降的问题，并淘汰了大量过剩的组件。最终，整个结构的重量仅为5千克，功率达到5千瓦。设计人员介绍，如果没有先进的设计技术和3D打印，这不可能实现。 Atlas腿部采用的仿生设计提供了最佳的强度/重量比 END 从3D打印助力Atlas和SpotMini机器人制造来看，3D打印不仅仅是用来制造，设计也不仅仅是设计，两者的有机结合再加上深入应用，将发挥重要作用。可以想象，这两个机器人如果在月球或者火星表面行走，这不就是我们一直说的外星人吗？ 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.新一代群组协作3D打印机器人 2.人工智能和3D打印：满足制造业的未来 3.3D打印 | 一体式构建人工智能（AI）驱动设计的火箭发动机新型结构 4.美借助3D打印实现十年前的先进仿生结构制造

继2018年采用3D打印制造了轰动一时的钛合金卡钳后，布加迪在3D打印技术应用方面又有新动作。近日，布加迪发布消息称，其新开发的3D打印中空推杆（底盘区域的压力加载连接杆）重量仅为100克，却可传递高达3.5吨的力，使3D打印在结构设计、轻量化应用方面更推进一步。该项目由布加迪博士生Henrik Hoppe领导，他自2017年以来一直在开发创新的金属材料和制造工艺。其硕士论文就是关于钛合金制动卡钳，3D打印将已经高度优化的生产部件进一步减轻了43%的重量，同时保持了其良好的机械和制动性能。在其博士论文的研究中，Henrik Hoppe更进一步的研究了汽车制造用功能性3D打印金属部件的商业和技术潜力，并通过针对特定零件的应用来予以证明。在此前，这些类型的部件主要用于航空航天领域。 布加迪最新型Bolide跑车 3D打印复杂的类骨骼结构 结构优化在汽车制造领域非常普遍，但采用3D打印则可以打破传统的设计局限，实现更为复杂的三维结构。布加迪运用仿生学原理，使3D打印的部件具有骨骼般的结构：薄壁、中空内部和精致细节。这种组合使部件既轻便又具有极高的刚性。 中空、内部填充网格的结构（示意） 在新型跑车的设计过程中，研究团队继续减轻汽车重量，同时在每一个可以想象的领域增强创新。项目负责人Henrik Hoppe解释，从构思到生产，再到安装，工程师需要设计、规划各个步骤并进行所有计算，同时还包括评估生产组件的商业可行性。尽管布加迪在材料、制造工艺和零部件方面要求最高的质量标准，但必须在商业上可行。简单的说，无论设计如何创新，都不能显著增加成本。 在布加迪最新型Bolide跑车中，这种薄壁、中空的骨骼结构被大量使用。 3D打印的连接杆，实现“2两”拨千斤 在布加迪Bolide跑车中，3D打印的连接杆尤为突出。尽管尺寸狭长，但其内部采用支撑拱形结构，仅重100克。受力加载的钛合金连接杆位于底盘区域，根据操纵情况，连接杆可传递的力高达3.5吨，可谓2两拨千斤并不夸张。 3D打印的连接杆 该连接杆也是布加迪有史以来第一个在长度范围采用变壁厚的实例。根据3D打印技术参考找到的视频介绍，零件两端壁厚小并向中心增加，总体在0.4-1mm之间，这意味着该部件同时针对局部应力和重量进行了优化。布加迪甚至已经为该结构申请了专利。 280mm长、0.5mm厚、不到750g的排气尾管外壳 排气尾管是由3D打印的钛合金外壳和陶瓷制成的混合组件，已经重量优化的钛合金排气尾管已被系列生产。这种部件的长度超过280mm，壁厚一致只有0.5mm，重量不到750克。陶瓷材料的导热系数远低于钛合金，将其内置于钛合金外壳中，可以保证在高温废气下不会损伤外壳。混合组件与此前批量生产的组件相比，其重量减轻了约50％ 3D打印的钛合金外壳和陶瓷制成的排气尾管 此前布用于加迪凯龙的3D打印排气尾管外壳 以325g的身躯，抵挡1.8吨的力 Bolide跑车的前机翼安装支架也采用了3D打印的钛合金，同样具有空心的内部空间，壁厚为0.7mm，仅重600g，可承受800公斤的空气动力。 后机翼的下压力在时速320公里时可达到1.8吨，通过中央碳纤维翅片传导压力，机翼与翅片之间则通过3D打印的钛合金零件连接，其重量也仅有325g。此外，工程师还使用钛合金打印了转向柱的安装支架，一个部件集成了仪表板支架、转向柱支撑环以及车内的两个通风口。所有构件均设计为轻质空心结构，平均壁厚0.5mm。 转向柱支架 在其他方面，3D打印的钛合金还被布加迪用于制造前轴运动部件以及控制摇杆支架，后者壁厚仅0.4mm，重量为95g。使用布加迪内部开发的特殊热处理工艺，所有3D打印的钛合金零件强度达到1250Mpa，高断裂应变至少为19%。 END 尽管布加迪在Bolide跑车上应用了大量的钛合金3D打印零件，然而唯有连接杆的开发让他们尤其认为成就巨大。然而笔者并未查询到关于该部件的专利信息，只能猜测其内部结构可能较为复杂。通过本文也可知道，采用3D打印减轻车辆重量，很多部件不仅可以优化形状，还可做成中空或内置点阵结构，潜力巨大。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.详述：主流汽车制造商正在如何使用增材制造技术 2.宝马故事：还在专注锻造？不，它早已将3D打印规模化应用在日常生产中 3.嘀！你有一条来自宝马增材制造中心的视频邀请 4.布加迪极限测试3D打印制动卡钳 为批量生产铺路

粒子加速器作为一种广泛应用于化学、物理和生物研究中的实验设备，一直是各国科学家研究的重点。当前世界上最大的粒子加速器——欧洲大型强子对撞机，位于瑞士和法国交界侏罗山地下100米的位置，环形隧道的长度达到27公里，横跨了瑞法两国边境。在粒子对撞实验过程中，为了提高实验的分辨率，必须采用越来越敏感的传感器。而在最新的实验要求中，需要将一条长140m的光子检测条冷却至-40°C，才能提供所需的灵敏度。欧洲核子研究组织的设计和制造人员为此花费了数年时间，终于借助3D打印技术实现了技术要求。 欧洲大型强子对撞机实验装置 -40°C冷却条件的极端设计要求 由于检测条的宽度小于2mm，冷却组件必须在非常有限的空间内均匀地散发大量热量，因此需要极高的设计精度和散热效率。在此背景下，欧洲核子研究组织与3D打印机制造商3D Systems以及荷兰国家亚原子物理研究所合作，采用3D打印技术制造了壁厚仅为250μm的复杂高精度冷却回路组件，成功提高了粒子的监测能力。 44个冷却组件阵列 将长达140m的光子检测条均匀冷却，需要一个与传感器直接接触的冷却系统，它同时需要充当机械支撑，并具有微米级的精度。传感器的对准对于图像重建至关重要，否则会导致生成的照片变形。因此，冷却系统必须温度均匀，而且机械稳定性非常好，其精度是毫米级的数百倍。研究人员最初在尝试解决此问题时虽取得了一些成果，但所设计的冷却系统制造过程既繁琐又复杂，以至于花了一个多星期仅制造了一个元件，而设计的总数量达300个。之后，研究团队的成员提出尝试3D打印技术。 在实验洞穴中安装新的传感器 荷兰国家亚原子物理研究所的团队所构思的系统具有非常严格的要求：通过液体冷却，就要使制冷剂尽可能靠近传感器，因此内壁的厚度必须非常薄，同时又不能泄漏。一旦安装，单个传感器就将无法修复，如果泄漏就会损坏整个检测器。3D打印成为克服该项目带来的技术挑战的关键。在对3D打印市场进行了调查之后，研究团队选择了3D Systems共同开发。 制造精度问题 3D打印面临的第一个问题是确定工件的打印方向。3D Systems所面对的是一个由许多组件组成的设计，研究团队需要从3D打印的角度出发考虑功能和整体设计，不能仅考虑成本，而且要消除由于多个组件相互连接而造成的泄漏风险。对3D Systems制造团队来说最大的挑战是来自对管壁厚度和结构平面度精度的要求，这促使他们重新考虑组件的设计，以及3D打印过程中的方向，而方向是增材制造过程中最重要的方面。因此，有必要了解如何在制造过程中确定工件的方向，以便能够符合非常严格的项目规范，如平面度必须在零件长度上具有50微米的精度。 3D打印面临的第一个问题是确定工件的打印方向 3D Systems的团队通过测试对原有设计进行了迭代，并与欧洲核子研究组织共同合作修改了冷却结构的设计，以满足制造和最终功能的要求。 经优化设计的冷却棒结构具有以下特点： ▪ 极端壁厚：其内部有两个平行的管道进行冷却液循环，0.25mm的壁厚提供了最大的换热效率，而这需要调整工艺参数以达到熔池的稳定性和宽度。▪密封性：对密封性的要求使制造团队选择了Ti6Al4V ELI（23级）。▪平整度：零件必须在263mm的高度上具有50μm的精度。这是通过3D Systems应用工程师针对增材制造策略进行的各种设计以及诸如垂直方向的构建策略建议来实现的。通常，以这种精度水平进行3D打印需要留很多加工余量，然后再进行铣削加工。但壁厚太小，铣削很可能造成厚度减小，从而导致制冷剂泄漏，因此这种方案并不可行。采用垂直方向打印，使零件在平面度方面获得了最高的精度。此时的挑战是确定可实现最高分辨率和精度的激光参数，以确保壁厚厚度为250μm，制造团队通过调整工艺参数达到了熔池的稳定性和宽度要求。 材料的重要性和钛合金的选择 3D Systems建议使用特殊的钛合金制造冷却棒，但是即使材料本身选择也不容易，并且导致了自己要克服一系列的技术挑战。理想情况下，冷却组件使用的材料是铜，但在该项目中，由于设计方面的限制，这不是一个可行的选择。双方团队也尝试采用不锈钢进行打印，但却无法保证冷却组件的密封性，因此最终选择了钛合金。 一旦找到了正确的材料，纠正了设计并改进了制造工艺，3D打印便可以快速进行批量生产。对于欧洲核子研究团队来说，3D打印最大的优势在于，在原型制作阶段之后，通过3D打印可以在三天内生产44个零件，而传统加工在一周内只能制造出一个组件。为了最大程度地提高生产效率，制造团队将完整的冷却杆设计分成两部分，以更好地利用3D打印机的成型空间，最后通过焊接将其链接。最终300个元器件被分为600个组件，总共花费了大约一年的时间制作完成。 3D Systems从原型到生产的过渡和扩展的系统化方法确保了零件打印的简化途径： ▪ 设计策略：最终的冷却棒被一分为二分别相同的两部分，之后通过焊接形成一个完整的零件。这使欧洲核子研究组织能够以最少的组装获得所需的功能、尺寸和质量。▪打印方向：根据设计的几何形状，3D Systems的工程师采用了垂直方向，以便使零件尽可能具有自支撑。▪零件清洁：经过重新设计的冷却棒结构具有平行的冷却通道，可确保在后处理过程中100％去除粉末。 装有传感器的冷却棒。该结构不是连续的，而是像被切成了四个部分，这使它们彼此之间保持一定的柔韧性。检测器必须非常接近冷却棒，定位要求探测器能够轻微变形而不断裂 在实验室中，冷却棒连接到再循环系统 在该项目的实施过程中，3D Systems也增强了对工艺技术的理解。当时之所以选择钛合金，是因为它是制造团队理解最为深入的材料，他们也因此了解到如何使用钛合金满足诸如壁厚或水密性等要求。 将传感器安装在冷却装置上进行实验发现，冷却温度可以已达到-40度。而根据压力测试，冷却棒的使用寿命至少可以达到十年。由于3D打印减少了组件数量，因此冷却棒的结构将更加可靠。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.超制造预期12个月，毅力号火星车的3D打印组件制造有多困难 2.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 3.SpaceX 龙飞船3D打印推力室中的增材设计思维和规则 4.由GE赞助，排名第一的散热器有怎样的结构设计和材料布局 --广告--

本文内容来源：3D科学谷。 尽管较大的工业热交换器仍采用传统的制造技术，但大多数时候，对热交换器的需求朝向尺寸越来越小，结构越来越紧凑的趋势发展。 金属3D打印-增材制造助力实现越来越小巧的热交换器，在更紧凑的设计中找到了越来越多的应用，例如电子设备、可再生能源应用、制冷循环、燃料电池，ICE电动汽车。本期内容将带领大家一起来领略通往这些更高效、更集成的热交换器3D打印的设计之路。 3D打印-增材制造技术提供的主要好处是增加了设计自由度，这允许更有效的传热，同时减少所需零件的数量。这带来更少的空间占用和更少的材料，从而使设备的重量更轻，且同时可以管理更高的热负荷和功率密度。 CAD建模-更智能 有多种方法可以利用增材制造优势获得更高效的热交换器。到目前为止，最常见的是通过使用点阵晶格结构，针状鳍片和微通道来增加可用于热交换的表面。 胞元填充方面，可以尝试nTopology的nTop平台，在这里通过创成式算法来完成复杂的设计。nTop平台的一大优势是可以实现看智能化的点阵结构自动圆角。当通过点阵技术减轻零件重量时，从DfAM（增材思维）角度看，在点阵晶格和外蒙皮之间建立牢固的连接非常重要（以防止分层）。传统的3D建模过程首先需要选择所有交叉点，然后才能尝试在所有位置创建回合。 软件工程师知道这会带来非常痛苦的工作量，更不用说当新的圆角值根本无法重建时，重建错误的加剧会带来沮丧的情绪。通过启用nTop平台的高级计算方法，可以通过输入圆角值（包括较大的圆角值），消除了对模型故障的担心。 点阵结构填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。对设计进行修改的时候，例如仅在节点，横梁和连接体之间应用圆角或倒圆角所涉及的工作量在使用传统软件工具的时候往往变得“浩瀚无边”。这种低附加值的工作会延缓工程流程，抑制真正的创新，并扼杀组织保持竞争优势的能力。 圆角应用的答案在于自动化，nTop平台提供了自动圆角化的解决方案。由于nTop 平台中3D模型背后的底层数据结构，传统上被视为有风险或脆弱的操作在nTop平台中可以轻松得以实现。 来源：additivalab 除了点阵的应用，针状鳍片的设计几乎总是有益的：虽然圆形和椭圆形鳍片带来的改进或许很小，但金刚石、翼型和矩形鳍片带来的改进很明显。 所有这些特征允许更高的热传递，不过如果不适当地设计，由于与流体流动相反的阻力增加，尤其是点阵晶格结构会损害系统的整体效率。 CAE仿真-驱动设计 仿真驱动设计在热交换器的设计方面体现得尤为明显，利用众所周知的流体动力学公式，对于每个模型都可以追踪总热交换和热交换系数。再次注意到，随着网状结构的密度增加，压力损失和热交换增加。而且，在制冷剂侧，管道厚度的增加对应于通道部分的减小，并因此导致相当大的压降。 提高热交换器效率的另一种方法是增加内部通道中的湍流。在轴向流中产生涡流，有可能创建一个次级正交速度场，从而减小边界层的厚度并促进热交换。这种涡流可以通过扭管或涡流发生器产生。 通过提高粗糙表面方法可以获得传热增强，不过在某些案例中虽然这种方式可以获得高达70％的传热系数改进，但这种方法大大提高了摩擦系数，从而又导致了更高的压降。这样的效果对于具有较小水力直径的微通道变得更加敏感。 来源：additivalab 通过Ansys Fluent来计算各种结构CFD模型中的压力损失和热交换情况。在相同的重量下，某些几何形状在热流体动力学性能方面优于其他几何形状。通常，空气侧压力损失的增加与模型内材料的密度成正比，通常具有更致密的网状结构的几何形状阻碍了空气的通过，产生了局部重要的压力跳跃，增加了总体损失。 通过Ansys的CFD-Post可以定性评估散热器各个点的压力和温度条件，以便能够解释热交换器各个区域中的热流体动态交换行为模型。 通过选区激光熔化技术（SLM / DMLS），可以与热交换器的主体以结构一体化的方式制造出来，而无需组装，并且几乎不需要额外的费用，从而确保将传热系数提高诸如40％或者更高的水平。 开启材料人工智能开发之路 此外，除了几何形状方面的设计考虑，通过3D打印实现更具热传导效率的材料方面的设计是另外一条曲径通幽之路。Intellegens的机器学习工具AIchemite™为波音亞仕得加速器提供最高的热传导性能产品且不降低机械性能要求。其中，Alchemite™人工智能引擎几乎是在最大化热传导性能和抗拉强度的两个方向上寻找到了最佳材料组合。 通过Alchemite™人工智能引擎可以将通常需要2年的材料开发设计过程缩短为3个月。通过调整金属元素的组合，来开发适合性能要求的热交换器。通过Alchemite™人工智能引擎可以将开发过程可视化，持续性的获得开发进展。 除了从设计端发力，另外一个重要的考虑因素是认证。 工业革命以来，热交换器在工程系统中具有长期的应用，这意味着传统工艺制造的热交换器的性能和可靠性的置信度很高，而增材制造热交换器所采用的是新兴的制造工艺和创新性的设计方式，这样的新兴工艺需要更多的资格鉴定数据来支持和加速产品的认证过程。 增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。西门子研究院还推出了基于模型的快速认证技术（ICME），这是一种数据驱动的快速认证技术（机器学习）。如何通过数据、仿真以及人工智能的结合实现数据驱动的认证以打开产业化大门。 工欲善其事必先利其器，在所有创造价值的源头，在所有可能颠覆的源头，不管是CAD,CAE还是人工智能开发新材料组合，算法无疑是最重要的部分之一。 而总体来说，设计出轻量化、高效的热交换器需要对增材制造设计（DfAM）建立基本了解，只有充分的了解设计的理念和制造的约束，才能确保零件的可制造性。

经过十年的试验和完善，制造商已经将航空和医疗领域中小型零件的增材制造转向更大规模和尺寸的应用。在很大程度上，这是由新兴的商业航天公司和美国其他大型国防承包商推动的。在这里，重点主要放在结构和推进组件上，很多公司正在从设计和机器的角度寻求功能的突破，在保持SLM打印质量的同时，整合越来越多和越来越大的零件正在成为趋势。尽管大型零件的增材制造设计和制造具有极大的吸引力，但同时也充满挑战，如零件几何形状、支撑的角度、打印机的功能，以及粉末质量、重量和可追溯性等都需要被考虑。 3D打印的优化设计需要多团队密切合作 GE Additive的高级设计工程师Mark Fuller解释，“在项目开始时，多名设计人员、工程师以及其他分析人员会聚在一起，记录哪些是重要内容以及为什么重要。通常，大家面对的都是一个看起来很笨重的传统零件，设计师需要对其进行优化使其更易于打印。当开始更改一些功能或特征时，必须了解它是否更容易构建。在正式进行零件生产之前，工程师会进行零件预打印，以便验证和量化一些较高风险的区域。” GE Additive的首席制图技术员Bill Schneider对此表示同意，自2014年以来，其一直在从事增材设计工作，即便准备上机打印之前也会发现一些复杂情况，如文件大小以及文件管理等。大尺寸零件的复杂度会呈指数级增长（文件越复杂，文件越大，给打印机软件的识别带来困难），此类零件的打印会花费几天甚至一周时间，有时甚至更长的时间。这就是准备工作非常重要的原因，严格遵守设计规则并与各团队保持沟通，投入足够的精力才能保证成功构建。” 3D打印将中框结构的300个零件合并为1个 GE Additive的SLM产品经理Du Cauze de Nazelle指出，大型零件的3D打印设计与200x200mm的零件完全不同。“增材设计的学习曲线非常陡峭，多年来，我们已经在大型市场和设计领域获得了很多专业知识，因此在这个增长领域为合作伙伴提供支持是我们工作的关键部分。我们将继续学习，如何在更大的设计规模上纳入小尺寸特征，以及是否有额外的考虑因素。我们一直在重新思考如何设计零件或整个系统，前所未有的设计自由度将带来显著的性能提升，并改变我们设计太空飞船或飞机发动机的方式。” 3D打印的零件设计具有不同的复杂度等级 业界一致认为，这种设计自由只是大型零件增材制造改变行业的开始。 预计到2040年，全球航天工业将产生1.1万亿美元或更多的收入，而航空和汽车工业正在研究在疫情之后它们如何更好地重建，很明显，大型应用的增材制造将会越来越多。GE Additive将继续开发软件，实现工具和流程的自动化，使行业中的每个人都受益，推动大尺寸零件的设计。 3D打印将中框组件原来的50处维修点减少为5处 Mark Fuller补充说：“经验确实没有任何取舍。为了充分利用我们在通用电气学到的知识并继续深化对增材制造技术的掌握，我们正在考虑实现设计过程的自动化，软件将帮助发现潜在的问题，并让设计人员知道他们需要调整以及可能构建失败的区域。多激光在快速打印大尺寸零件方面具有显著优势，而打印机的质量和重复性则至为重要。 实际3D打印的中框结构 内置3D打印B型油箱的燃烧室外壳 3D打印将燃油加热器的零件数量由300个减少到1个，将曾经可能出现的燃油泄漏问题完全排除 2016年GE收购Concept Laser ，随后这一品牌的金属打印机就鲜少出现在市场范围内，GE已经将其纳入内部生产体系，Concept Laser X Line 2000R便是其中的杰出代表。 Concept Laser X Line2000R非常适合在航空航天和汽车工业中生产大型组件X Line 2000R的打印尺寸为800×400×500毫米，生产容积为160升，是世界上最大的粉末床激光熔融设备，用于无工具制造具有可重复材料特性的大尺寸功能部件和技术原型。由于该设备提供的大型构建平台可以容纳更多零件，因此还可以提高生产效率。 实际上，GE Additive的主要工作在于设计，最终的零件生产需要委托服务商。Protolabs是与GE Additive 重要的合作伙伴，其大部分金属3D打印客户都分布在航空航天、工业机械和医疗领域。 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.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 2.GE Additive：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺 3.由GE赞助的增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 4.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？ --广告--

在《南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战》一文中，我们已经介绍了顾冬冬教授关于航空航天领域高性能金属材料的综述，以铝、钛为代表的轻质高强合金，以及以Ni基高温合金为代表的承载耐热合金，是激光增材制造中重要的应用材料；轻量、大型、整体及复杂结构则是增材制造主要的发展方向，这其中包含了非常多复杂而先进的科学问题。本期，我们继续跟随顾冬冬教授的脚步进行深入学习。 一、大型金属构件的激光增材制造 应用于航空、航天、船舶、核电等现代工业的大型金属构件正朝着复杂化、一体化、高性能化方向发展，激光能量沉积技术已证实可满足大型金属构件的成形要求。然而若要在钛合金、镍基高温合金、高强钢、难熔合金等难加工金属材料大型关键构件上获得更广泛的工业应用，仍需进一步解决两大关键难题： 1. 高能激光长时间剧烈非稳态循环加热和高速冷却条件下，成形材料的晶粒形态及显微组织很难控制，以凝固晶粒、内部缺陷及显微组织为核心的冶金质量和性能控制是激光增材制造大型金属构件的基础难题； 2. 激光增材制造过程中热应力、组织应力、凝固收缩应力等多种类型复杂应力的累加与耦合，易导致大型金属构件变形，甚至开裂，大大制约了大型金属构件激光增材制造的控形与控性。 有研究指出，增材制造技术实现工业应用的最大障碍是成形件中的热应力及多种结构缺陷。北京航空航天大学王华明院士认为，内应力及变形开裂是长期制约金属构件激光增材制造技术发展的瓶颈。钛合金密度低、比强度高、耐蚀性强，已被广泛应用于飞机发动机构件、主承力构件、起落架等，但其较差的加工性能制约了它的工程应用范围。 经过多年研究，王华明院士团队突破了飞机钛合金大型主承力构件，TA15、TC4、TC11等大型复杂整体结构主承力飞机钛合金加强框及 A-100超高强度钢飞机起落架等关键构件的激光增材制造，并实现了主承力构件的装机应用。 大型整体金属构件的激光熔化沉积制造 (a)钛合金飞机大型关键主承力构件；(b)航空发动机梯度性能钛合金整体叶盘；(c)轮盘-叶片梯度过渡区的凝固晶粒组织　 西北工业大学黄卫东、林鑫教授团队面向中国C919中型客机的需求，利用激光能量沉积技术制造了TC4合金体系C919飞机翼肋缘条，其长为3100mm，探伤和力学性能测试结果皆符合中国商飞的设计要求。 (a)LMD成形C919钛合金翼肋缘条 (b)SLM成形钛合金风扇叶片包边 (c)SLM成形镍基高温合金发动机机匣 此外，近年来大型SLM装备的发展为结构更为复杂的大型整体金属构件的成形开辟了新途径，基于SLM成形的钛合金风扇叶片包边长度可达1200mm，具有复杂的空间曲面结构，且成形尺寸精度较高；基于SLM成形的镍基高温合金发动机机匣尺寸达到了Ф576mm×200mm，为发动机关键零部件的设计、制造及应用验证提供了重要的技术支撑。 二、复杂整体结构的SLM制造 随着航空航天领域对热端部件服役性能要求的日益提高，整体结构的设计与制造越来越受到重视，内含复杂内流道、多孔点阵等难加工结构，已超出了传统工艺的制造能力，而基于SLM技术可使这些复杂整体结构的快速制造成为可能。 整体结构的增材制造技术已证实对未来空间探索至关重要，NASA提出了火箭发动机核心部件“制造速度提升10倍、生产成本降低50％以上”的目标。其采用SLM技术实现了氢火箭助推器的整体制造，继而实现了结构减重、制造效率和服役性能的显著提升；火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件的打印和应用是其近年来的另一项成功实践，该案例克服了铜材料的高反射和微细流道结构优化以及激光增材制造成形质量的多重挑战。这种大型复杂结构的整体制造，为增材制造技术的发展提出了更高要求。 NASA基于SLM成形的铜合金整体构件及性能测试。(a)NASA和AerojetRocketdyne公司开展的激光增材制造构件点火试验；(b)火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件 美国GE公司基于SLM技术研发了发动机新型燃油喷嘴，这是近年来复杂整体结构增材制造航空工业应用最为著名的案例。燃油喷嘴作为典型的复杂装配体，无论是成形制造还是装配组装，工序多、工装多、耗时长、成本高，且加工精度及稳定性很难达到使用要求，对于传统制造技术来说都是一大挑战。针对这一难题，GE公司采用SLM技术加工IN718镍基高温合金，实现了燃油喷嘴的整体设计与制造，将原先20个小部件的“组件”变成一个整体的构件。这不仅消除了不同部件之间冗余的连接结构，还对燃油喷嘴结构进行了优化。最终整体设计制造的燃油喷嘴实现了25％的减重效果，同时缩短了制造周期，降低了生产成本，且使用寿命提升了5倍以上。 GE公司基于SLM技术制造的航空发动机燃油喷嘴构件。(a)先进涡桨发动机(ATP)；(b)燃油喷嘴在发动机内的工作原理；(c)激光增材制造燃油喷嘴构件 三、轻量化点阵结构的增材制造 对于航空航天飞行器而言，减重是永恒的主题，而传统制造方法已将零件减重的可能性发挥到了极致。将点阵结构优化设计与增材制造技术相结合，可使构件具有高比强度和高比刚度等优异的力学特性。激光增材制造因具有叠层自由制造的工艺特性，赋予了复杂轻量化结构极高的设计及成形自由度，可成形传统加工方法难以成形的轻量化复杂点阵结构。 点阵结构在多领域广泛应用 近年来，激光增材制造成形复杂轻量化点阵结构已成为热点研究方向之一，为航空航天等领域轻量化金属构件性能及功能的突破带来新契机。传统经典结构、创新结构以及基于拓扑优化的点阵结构都能为构件性能提升带来突破。 增材制造技术在航空航天点阵结构产品设计与制造领域已展现出一定的发展与应用潜力，并以轻量化和高性能作为主要考核目标。而且，激光增材制造点阵构件已在国际民航客机制造领域获得了实际工程应用。空客公司基于SLM技术设计和制造的仿生点阵结构机舱隔板，在成形材料上选用新型轻质高强铝合金，该在结构设计上基于生物启迪实现了跨尺度仿生点阵结构设计，在宏观尺度上基于“黏菌自适应网络”算法实现了主体结构设计，在微观尺度上则借鉴了骨骼生长的生物灵感，完成了超过66000个网格的排布，实现了微观网格稠密度与应力分布相匹配，最终使得跨尺度仿生点阵构件较原蜂窝复合材料隔板结构在相同冲力下的位移减少了８％(９mm)，有望批量应用于A320客机上。 空客基于SLM技术设计制造的新型仿生点阵结构机舱隔板.(a) 机舱仿生隔板结构图 ;(b) 机舱仿生隔板实物图 ;(c) 跨尺度仿生结构设计 ;(d) 机舱仿生隔板零部件选区激光熔化成形实物图 四、多功能仿生结构的增材制造 激光增材制造的金属构件正从高性能向多功能发展，Nature以“推开3D打印的限制”为题发表评述指出，材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展，并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”，道法自然，突出生物仿生、生物灵感，以实现预期的功能。 空客为未来航班生成仿生设计 未来增材制造的发展将更加凸显材料创造、结构仿生以及多功能集成优化。生物系统经过数十亿年的进化和自然选择，已形成并优化了其复杂的多层级组织结构，以达到最优的性能/功能来应对环境的变化。许多生物系统具有独特的多功能组合，而这往往是人工合成材料难以实现的。现代分析表征技术已证实，天然材料的优异性能或特殊功能，是依靠其内部复杂的多层次结构实现的，其尺度范围通常横跨纳米尺度到宏观尺度。对于性能/功能驱动的增材制造，基于生物灵感的仿生结构设计，是创新增材制造结构的重要途径之一，并有望实现增材制造结构性能/功能的跃升。 然而，仿生设计在原理上很简单，但在实际制造中却有相当难度，原因主要是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。 顾冬冬教授团队基于下一代高超音速飞行器、空间探测器等航空航天装备的整体化、多功能化发展趋势及潜在工程应用，面向减振抗冲击、隔热/防热等综合功能需求，创新发展了仿生结构及材料布局，实现了仿生结构的激光整体增材制造及其多功能化，其中涉及结构、材料、工艺、功能等多因素的耦合、匹配及一体化调控。 激光增材制造轻量化抗冲击仿生功能结构.(a) 皮皮虾尾节宏观形貌 ;(b) 仿生双向波纹板抗冲击结构SLM加工;(c) 水蜘蛛及其在水下构建的住所—潜水钟;(e)SLM成形仿生网壳结构 仿生设计为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径，但“结构易仿、制造不易、科学更难”，其中涉及的关键科学难题包括：仿生微结构与构件典型功能的映射关系及优化模型；仿生设计的跨尺度结构激光增材制造工艺约束性及成形机制；激光增材制造仿生结构的多功能一体化评价方法及响应机制等。因此，增材制造新技术与仿生结构设计相辅相成、相得益彰，而关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。 思考与展望：激光增材制造技术未来的研究与发展趋势 激光增材制造技术的科学内涵决定了其发展趋势是实现微观-介观-宏观跨尺度的材料-结构-工艺-性能/功能一体化。激光增材制造技术未来的研究与发展趋势中，下列方向值得进一步关注： （1）以高性能/多功能为驱动的激光增材制造材料-结构-工艺一体化，主动实现构件的高性能和多功能； （2）激光增材制造的“多相材料”和“多材料”设计、制备与成形，以实现将“合适的材料添加到合适的位置”； （3）激光增材制造创新结构设计实现构件高性能化和多功能化，以凸显“独特的结构实现独特的功能”； （4）构建面向全尺寸构件和全工艺流程的激光增材制造工艺仿真、监测、反馈及工艺优化关键技术与方法，全面提升激光增材制造工艺技术水平、质量以及工业应用水平。 注：本文主要内容来源于顾冬冬《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》，部分内容参考自《中国激光》。文章原文已上传至QQ群。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读： 1.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 2.航发综述：增材制造典型复杂结构的种类及应用情况