随着电子产品的快速发展，散热器设计变得越来越重要，它不仅具有调节电子设备温度的能力，还可防止计算机处理器发生过热。传统上，散热器使用铸造、焊接以及金属挤压等技术实现制造，产品只能在制造限制和设备性能之间做出折衷。基于此，美国第18届电子系统热力学学会组委会发起了基于增材制造新技术的学生散热器设计挑战赛，并获得GE赞助。本期，我们来看这次大赛有哪些优秀设计。 进入决赛的设计作品 组委会最终在全世界21只参赛团队中评选出五支进入决赛，他们分别是亚利桑那州立大学、普渡大学、马里兰大学、宾夕法尼亚州立大学以及都柏林三一学院。他们设计的新型3D打印金属散热器，可以有效的冷却电子设备。 亚利桑那州立大学团队的设计集中在增加散热器的表面积，以使来自电气组件的热空气能够在不影响其效率的情况下流动，而这在传统制造中普遍存在设计限制。他们使用工程类的概念来提出各种方法，以充分利用其新发现的设计自由度并最大程度地提高效率，最终采用一种在空气流动时更好混合和产生湍流的设计来增强传热，该产品在应用增材制造技术时获得的设计自由度是巨大的。 亚利桑那州立大学团队的设计作品 都柏林三一学院设计作品 普渡大学团队使用拓扑优化来在给定的散热器设计尺寸中找到最佳的材料分布。其3D打印散热器一侧为平缓倾斜的“L”形，另一侧为凸出的“d”形，这使得气流回流并再循环，从而在散热器上停留更多时间。该团队冷却技术研究中心的博士生Serdar Ozguc表示：“当今电子组件面临巨大的散热挑战，计算机和电话的尺寸越来越小，但消耗的电能越来越多。这些CPU产生的热量会影响性能，安全有效地散发才能保证产品的正常运行。拓扑优化的结果往往非常复杂而令人震惊，传统方法难以制造，而采用增材制造则可以轻松实现。” 普渡大学团队的设计作品 德克萨斯大学设计作品 点阵结构不仅重量轻，而且具有超大的比表面积，这对于促进热交换和化学反应具有很大优势。传统散热器的散热片多是各自分开的，通过钎焊组成一个整体，不同部件之间的结合增加了热阻，从而降低了热效率。3D打印除了实现结构的一体化制造外，独特的晶格结构显著增加了表面积，从而能够以更经济的方式实现更高的换热效率。事实上，这种效率增益可以在许多不同类型的热交换器应用中实现，这些具有大表面积的小特征结构在没有3D打印的情况下几乎是无法制造的。 宾夕法尼亚州立大学设计作品1 宾夕法尼亚州立大学设计作品2 粉末床激光熔融技术已经生产出具有传统CNC所无法实现的、范围更广的复杂几何形状，而基于该技术所制造的包括金属散热器、发动机气缸和机油泵壳在内的零件的制造成本和材料成本却很低。五支决赛队伍的设计最终采用GE Concept Laser M2打印，并且所有的设计均采用相同的尺寸以及铝合金材料，并在相同的条件下进行了测试。 俄亥俄州立大学设计作品 马里兰大学设计作品 据参赛人员介绍，最终进入决赛的五项设计都令人难以置信，并且每支队伍都有自己独特的设计风格和解决问题的方法，因此设计人员必须学习很多不同的想法以及如何更好地思考。竞争更多的是为问题提供创新解决方案，而不需要再考虑制造限制。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用 2.考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3.采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 4.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景

不久前，德国Fraunhofer IFAM（制造技术和先进材料研究所）与其合作伙伴共同开发了一款功能齐全的燃气轮机演示模型，其按照“西门子SGT6-8000 H”进行25倍比例缩小，整件模型除主轴外全部采用3D打印制造，实现了多结构一体优化、多工艺和多材料集成制造。借此，我们提出3D打印组装结构的概念，并对此进行介绍。 ▌考虑功能和基于增材制造的设计要求，进行零件集成或重新设计 SGT6-8000 H燃气轮机演示模型原始结构包含近3000个单独部件，这些零件无论单独进行传统加工还是3D打印，都极其耗时。研究人员通过根据结构功能的划分结合实际打印要求，对这些部件进行了一体化集成或重新设计，最终所有组件减少为68个。 据Fraunhofer IFAM介绍，这些组件实际生产之前的准备阶段也特别重要而且非常复杂。工程师必须考虑零件精度和表面粗糙度，还必须考虑支撑结构的必要性、数量以及零件各位置的特征尺寸。 西门子SGT6-8000 H燃气轮机 演示模型实际上是一个复杂的组合装置，其功能性是所有准备工作的前提，而3D打印的组件在大多情况下需要结合传统机械加工才能满足零件要求。例如，轴和涡轮必须能够在定子之间自由旋转，并且组合装置的各个组件必须以最简洁的方式彼此连接，3D打印的零件必须保证足够的加工余量，结合后续机加，才能满足不同连接方式、精度和表面粗糙度的要求。 零件在设计过程中得到了工艺工程师的充分配合，结合后者的制造经验，设计师在原零件的基础上进行了结构性修改，以此能够更加符合3D打印的结构取向同时又能够保证组件的功能性。其中，采用316L不锈钢制造的壳体结构在经过优化后完全不需要支撑。 ▌3D打印制造定标组装结构面临的材料问题 使用3D打印制造定标燃气轮机的主要限制在于材料。Fraunhofer IFAM及其合作伙伴使用了多种可商购的金属粉末，然而由于目前可打印材料种类的限制，实际部件的打印材料并非完全都与燃气轮机的目标材料相一致。 优化后的组件分别采用SLM和EBM两种技术进行3D打印，使用的材料包括铝合金、不锈钢和钛合金。其中，带有定子台的壳体组件使用Arcam Q20电子束熔化Ti-6Al-4V制造，涡轮和其他壳体组件通过激光束熔化打印。最终，Fraunhofer IFAM及其合作伙伴共同完成了这款功能齐全的燃气轮机演示模型。 3D打印的燃气轮机演示模型 采用3D打印制造组装结构，其实在历次展会期间已经多次出现，但它们大多不具备功能性。而此前我们介绍过的国内航发团队打印的微喷发动机则经过了试飞验证。 ▌中国航发采用3D打印制造组装结构的案例 中国航发动研所以一款微型涡喷发动机为技术验证平台，开展了基于3D打印的航空发动机结构集成化及轻量化设计研究，并针对3D打印的零部件及整机开展了验证试验工作，获得了一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机。最为重要的是，这款发动机具备功能性，实验团队将其装在航模飞机上，进行了飞行试验，并取得成功。 中国航发3D打印的微型涡喷发动机内部结构 在此项目在实施过程中，实验团队充分理解项目目标及航空发动机在结构、性能、工艺、强度、刚度、重量等各方面的要求，实现了复杂零件的集成化设计、结构优化设计和一体化打印。与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数量减少81%，发动机本体质量减轻17.3%。 2016年GE 3D打印的微型涡喷发动机测试过程 ▌工艺进步释放更高的结构设计自由度 在这些案例中，我们多次提到零件的重新设计或结构优化要满足增材制造的打印要求，这实际上就是在迎合金属3D打印目前仍难以克服的难点，即支撑的添加与去除。支撑的添加限制了金属3D打印更加复杂的结构的能力。 SLM从传统有支撑打印到无支撑打印的工艺进步 从今年的SLM的发展趋势看，设备商似乎对此问题有了更多的重视。多个品牌在宣传中提到，其目前可以打印45度以下的结构，甚至能够实现低至15度的无支撑结构打印。在这些宣传中最引人注目是来自velo 3D的近乎无支撑的金属打印工艺。 SLM技术在大规模减少支撑的前提下，必然会给复杂零件的设计进一步带来灵活性。这些案例也再一次告诉我们，3D打印的优势在于生产那些传统加工方式难以加工出来的产品，从改变产品设计的源头创造产品附加值，而工艺的进步将使产品附加值进一步提高。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.中国航发：基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验 2.采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 3.全球最大一体式3D打印火箭燃烧室，获美空军150万美金资助 4.velo 3D SLM无支撑智能系统

在全球民营航空航天公司中，美国一直走在前列，对新技术的大胆使用使其持续保持强有力的创新性。新技术已经成为航空航天初创公司快速脱颖而出的重要途径，于2017年成立的小型火箭公司Launcher即是如此。该公司致力于创建高效的火箭解决方案，并将3D打印置于其外太空事业中的关键位置，借助该技术开发的先进产品，使该公司获得了大笔融资和美空军奖励。Launcher3D打印的E2火箭推力室3D打印全球最大一体式燃烧室，获美空军150万美元奖金E-2火箭发动机是Launcher目前正在开发的用于小型卫星运载火箭的性能最高的发动机，它能够产生10吨推力，可将重达773公斤的卫星有效载荷送至低地球轨道，具有最高的有效载荷与火箭质量之比。Launcher E-2火箭发动机燃烧室是E-2发动机的关键部件。其高85厘米、直径40厘米，与喷嘴一起被设计为整体部件，具有更高的冷却性能，同时减少了零件数量和对装配的需求，最终通过EOS M4K（M400改进版）进行打印。该部件据称是以单个部件打印的世界上最大的液体火箭发动机燃烧室。Launcher E-2火箭发动机铜合金燃烧室E-2火箭发动机的首次大规模测试计划于2020年第二季度进行。Launcher Rocket-1火箭采用五个E-2发动机提供动力，发射第一阶段使用四个，第二阶段使用一个。为帮助加快E-2发动机的开发和测试，Launcher在2019年11月5日举办的美国空军太空与导弹系统中心（SMC）“Air Force Space Pitch Day”期间获得了150万美元的奖励，这是一项用于航空航天创新的资助计划。照片为此前获得75万美金时拍摄拓展阅读3D打印技术的应用可以减少发动机零件的数量，缩短开发时间，并且更加易于制造复杂功能集成的部件，Launcher 开发的3D打印铜合金发动机部件就集成了复杂冷却通道，这一设计将使发动机冷却效率得到提升。Launcher 测试3D打印的E1火箭推力室火箭发动机燃烧室的制造材料非常关键。用来打印燃烧室的铜合金材料均来源于经过验证的传统铜合金。2014年，NASA对其GRCop-84（Cu-8% Cr-4% Nb）实施SLM用粉改造，采用该牌号粉末制造的燃烧室可以产生高达2000磅的推力。2019年，NASA研究人员宣布成功完成GRCop-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）粉末的改造和工艺开发，该材料旨在替代GRCop-84，它可以在保证同等高强度的前提下，大幅提高导热系数，而且它比当前燃烧室内衬用合金NARloy-Z（Cu-3％Ag-0.5％Zr）的导热率还要高。燃烧室内衬铜合金导热率比较（点击图片查看详情）发动机燃烧室复杂的冷却通道同样是制造的难点。传统的制造过程动辄数月甚至更长时间，并且容易导致不同部件的质量水平不同。采用3D打印制造带有复杂冷却流道的燃烧室，同时满足了对复杂设计、低成本和快速交付的要求。然而，基于SLM制造的发动机腔壁和内部冷却流通道表面通常较为粗糙，会造成热传递增加并降低冷却介质的流动效率，目前主要通过改进打印工艺或者在打印完成进行后处理来改善。3D打印的燃烧室双层夹壁结构通过3D打印技术制造整体式的火箭发动机是从事小型航天器发射的航天公司的技术聚焦点之一。实际上不只是国外，相信国内也在从事相关工作的研发，在一系列的展会期间，我们也曾多次看到一体打印的燃烧室部件。航空航天部门无法拒绝它兼具效率和经济性的制造特点，而一系列的测试也将其安全性不断向前推进。往期上传：NASA新材料3D打印工艺开发备忘录详细过程欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读：NASA新材料铜合金3D打印工艺开发备忘录3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量重点解析：铜材料的直接打印问题---广告--- 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：全球最大一体式3D打印火箭燃烧室，获美空军150万美金资助

今年10月，美国休斯研究实验室（HRL）开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600 Mpa，成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。 自上月起，HRL已开始探索7A77的工业应用。NASA马歇尔太空飞行中心已经开始将这种材料应用于大规模航空航天零部件的生产。近日HRL 又与3D打印设计和工程软件公司nTopology以及航空航天制造服务提供商Morf3D合作，开发了一项能够突出7A77传热和流动性能优势的应用，这也是3D打印技术参考本期介绍的重点。 ▌采用生成式设计制造高强度材料 利用7A77铝合金的固有热导率，HRL及其合作伙伴为航空航天用户开发了一项经过专门设计的机油冷却器。在这种设计中，合金的高强度满足了关键的爆破压力要求，同时能以与常规AlSiMg合金相比更薄的壁厚实现更好的换热效果。7A77铝合金的高屈服强度使热交换器设计人员将交换器的壁厚减少了50％，有效地提高了传热性能。 由nTopology设计、Morf3D打印的7A77铝合金，回旋结构热交换器 nTopology是一家为高级制造提供下一代工程设计的软件公司，它利用计算建模平台定义了一个结构，目的是使其质量最小而表面积最大。借助强大的计算功能，nTopology能够生成比传统管壳结构表面积大146％的内抽芯结构（专业术语），通过将HRL的高强度铝合金与生成设计相结合，nTopology设计的冷却结构能够将传热率提高300％。 ▌满足材料和应用需求 nTopology最终的设计结果呈现的是一种拓扑回旋换热器，可最大程度提高零件强度，并使质量最小化，性能优于其他3D打印的铝合金。该案例也揭示了高强铝合金的一大应用特点，即材料强度更高，可减少零件制造的材料用量，因此重量更轻，性能也更高。 最终的拓扑回旋换热器内部结构 美国航空航天制造服务提供商Morf3D提供了热交换器的制造。其采用EOS SLM系统进行打印，为了展现内部特征，该公司将零件切开进行了分别打印，从中可以看出内部回旋流道的复杂性。 拓展阅读 近年来，铝合金金属3D打印在生产中的应用迅速增加，但仍有许多应用领域以低强度的AlSiMg系为主，无法满足目前对铝合金增材制造零件高强度的要求。此前，3D打印技术参考曾对国内外商用高强铝合金的现状进行过介绍。 空客公司针对航空用铝合金零件增材制造需求，开发的世界上第一种增材制造专用高强铝合金粉末材料Scalmalloy，室温拉伸强度520MPa，已经应用于A320飞机机舱结构零件的增材制造。今年，英国铸造公司Aeromet International推出的A20X铝合金粉末经热处理后拉伸强度为511 MPa，屈服强度440 MPa，伸长率为13%，基于该材料开发的航空散热结构件已成功替代传统采用钛合金制作的中温构件，并帮助法国某型号发动机实现瘦身。 当前高强铝合金的性能对比，（笔者逐一查询，具体成分数据上传至QQ群） 今年2月，国内航天科工旗下长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段，成功研制出了一种高强铝合金粉末材料，其室温拉伸强度535MPa，屈服强度510MPa，延伸率为12%，在过去的几个月正在被国内某高端应用部门验证。8月，苏州倍丰吴鑫华研究团队宣布其3D打印的铝合金材料Al250C达到最高水平，其拉伸强度超过590Mpa，屈服强度580MPa，延伸率11%，制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验，因此获得包括通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。 3D打印的铝合金卫星支架 HRL高强铝合金的加入不仅仅丰富了材料种类，更代表了一种强大的应用趋势。从本文的案例中我们其实能够读出另一点意味，即国外针对新材料也在努力的寻找应用，不过他们会针对材料特点和应用要求进行产品的重新设计和制造，实现效能的进一步提升，这一点值得借鉴。 本期上传内容：HRL高强7A77铝合金详细研究资料往期上传内容：EOS AlSi10Mg、Scalmalloy、A20X详细数据文本以及上述材料的成分情况，吴鑫华研究团队关于高强铝合金的研究情况欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读：制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展激光粉末床熔融技术的安全性：危害和行动建议粉末可回收性因素对金属增材制造的影响国内外采用3D打印直接制造飞机起落架的技术和材料

在《3D打印实现制造轻量化：从材料到结构》的上篇中，我们介绍了轻量化的金属材料、碳纤维及工程塑料，并对这些材料的3D打印工艺和应用进行了介绍。本期我们推出下篇，即3D打印优化结构设计，实现制造轻量化的特点与意义。 ▌优化结构设计，降低材料使用要求 在经典的轻量化设计中，“通过替代材料减轻重量”一直是指导原则，因此，轻量化设计的附加值来自创新材料。然而，较轻的材料通常在采购、设计和使用方面都需要高昂的成本。现代轻量化设计会考虑整个系统，在概念阶段就已经专注于减轻重量。 赛车部件轻量化解决方案 采用优化设计的方法实现制造轻量化，不仅可以降低对材料的使用要求，还能减少昂贵材料的使用量，缩短加工时间。接下来，我们会介绍3D打印工艺条件下的结构优化方法以及在航空航天、汽车、医疗等领域的应用特点。 ▌轻量化结构设计方法 ●点阵结构大规模替代实体材料，减轻重量同时赋予结构功能性 在满足性能要求的前提下，采用点阵（网格）结构大幅减少了实体材料的用量，成为结构轻量化的重要手段。在传统上，金属网格结构的制造方式主要有机加工打孔和造孔剂成型，前者受到机加工条件的限制只能制造简单结构，而造孔剂造孔成型过程也并不完全可控。如今，增材制造技术极大释放了设计人员的自由度，网格结构设计的复杂程度也得以扩展，设计人员不必再过多考虑能不能实现的问题，而是哪种结构性能更好的问题。 点阵结构具有不同的胞元形状 网格结构的正向设计通过一系列的单元结构生成网格阵列，在实现轻量化的同时，填充结构的布局和设计又可产生隔振、吸声、吸能、传质等功能。组成网格阵列的单元结构也可产生不同的力学性能，关于最佳结构性能特征的设计特点以及提高网格结构可加工性和质量的设计规则也正在成为研究的趋势（研究详情请进QQ群下载）。 Materialise为Atos开发的轻量化卫星钛合金镶件（点击查看）网格结构的另一种设计方法是基于影像的反求法，主要应用于医疗领域。其原理是通过对自然骨的网格结构进行扫描，得到骨小梁结构的三维数据模型后，直接对三维模型数据进行修改设计，是基于逆向工程技术的一种延伸。这种方式设计的网格结构保留了生物网格结构的特征，但由于三角网格的数据非常庞大，对计算机的处理性能有较高要求。 基于人类松质骨CT影像数据，使用SLM技术直接制备具有类似人类松质骨结构的多孔Ti植入物，详情查看查看QQ群上传资料 ●拓扑优化为增材制造提供创新设计，增材制造为拓扑优化提供制造手段 拓扑优化是结构优化的另一重要手段，用于计算给定问题下最优的材料空间分布状态。一般而言，针对指定的目标，在给定的载荷、约束和边界条件下，通过拓扑优化算法可以在给定的设计区域内找到最佳结构配置。经拓扑优化后的零部件理论上可满足载荷需求，实现特定算法下的材料最优分布，可以获得在特定体积分数下的最优承力结构，从而实现结构的轻量化。 然而，拓扑优化的几何构型复杂，采用传统制造工艺制备非常困难，设计人员往往要基于制造技术及经验对优化结果进行二次设计，来满足可制造性，降低制造成本。这种做法往往会损坏结构的最优性，得到的结构性能甚至达不到已有构型。另一方面，受制于传统设计理念及制造工艺，结构往往仅进行宏观拓扑设计，并未充分利用结构在多尺度上的变化或者空间梯度变化所带来的广阔设计空间，使得产品性能提升非常有限。增材制造技术的出现，使得几何形式高度复杂结构的制备成为可能。著名设计专家程耿东院士提到，拓扑优化为增材制造提供了创新设计，增材制造为拓扑优化提供了制造手段。 ●创成式设计，突破设计极限，实现结构不断进化 创成式设计（Generative Design）是一个人机交互、自我创新的过程。通过算法，设计人员可以迭代数百甚至数千种不同的设计，而无需手工创建单个物理模型。通过输入不同的参数来创建多种设计结果，可以设置所需要的不同的应力水平、温度或湿度、零件可能在其工作环境中受到影响的其他因素，生成潜在的可行性设计方案，经过综合对比，筛选出设计方案供设计者进行最后决策。 通过创成式设计生成的轻量化丰田气缸盖 创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。而增材制造技术可以将复杂的设计变为现实，两者的发展正在改变着设计制造的模式。 ▌材料和结构协同制造，满足更高要求 在商用飞机、军机、火箭、卫星、汽车等领域，减重一直是永恒的话题。轻量化的材料+创新型的设计+3D打印，新模式为减重进一步释放了空间。材料和结构协同制造，使满足更高要求成为可能。 西北工业大学的研究团队调研了应用于飞机和航空航天结构设计的拓扑优化技术的最新进展。通过重新分布材料布局和相应的承载路径，拓扑优化已被认为是在航空和航天工程应用中最有效的设计工具之一。同时，航空航天结构工程快速发展中突出的大量技术难题也推动了拓扑优化理论的进步（研究内容已上传）。 传统的观测卫星天线支架由几个独立的部分通过柳钉结合，重量大、发射成本高。通过拓补优化和3D打印，天线支架减轻了40%的重量，比最低要求强度提高了30%，降低了系统成本和燃料消耗，并顺利完成静动态测试和可靠性测试，成为航天认证产品。在汽车领域，传统的车身结构及设计方法可能不再适用，取而代之的是创成式的优化设计方法，它既能减少零件质量，又能延长零件使用寿命。创成式的优化设计方法还能使车身零件数大幅减少，未来也会成为轻量化制造的有效手段。 宝马i8 Roadster软顶支架迭代过程及通用汽车采用创成式设计将8个零件集成为1个 点阵结构基于其强大的功能性，其应用覆盖高端领域和普通消费品。在点阵结构中，单胞排列可以是相同的，也可以是不同的；可以是均匀的排列，也可以是不均匀的排列；甚至可以是不同的单胞、不同的排列方式进行排列，结构可以是千变万化，对应的性能也是千差万别。 钛合金混合晶格结构 点阵结构医疗植入物 在医疗器械中，点阵结构不仅可以实现植入体减重，还可以促进人体组织的长入，加速愈合过程。在军工应用领域，点阵结构还可实现隔振、吸声、吸能、传质等功能；在消费品领域，点阵结构也广泛应用于运动鞋、头盔等产品的制造。 不同品牌不同点阵结构的3D打印运动鞋（点击查看） END 3D打印技术与制造的复杂性基本无关，结构优化能为增材制造提供创新设计，而增材制造则为结构优化提供制造手段，两者的结合实际上互相成就了对方，成为各领域结构减重、推出创新产品的新模式。 而优化的结构设计结合高性能的材料，再利用3D打印技术，采用最佳的工艺流程，就有可能实现产品的最终优化目标。 本期上传内容： 1.SLM网格结构类型力学性能及最佳结构设计特点 2.SLM直接制备近人类松质骨结构的多孔Ti植入物研究 3.西工大：航空航天结构设计中的拓扑优化 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印实现制造轻量化：从材料到结构3D打印实现制造轻量化：从材料到结构 考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

结构优化设计已成为结构创新设计的重要工具，可分为尺寸优化、形状优化以及拓扑优化。结构优化的结果有时会比较复杂，采用传统制造工艺制备困难，甚至无法制备。增材制造技术的加工方式极大地解放了设计自由度，弥补了传统制造手段的不足。将结构优化与增材制造融合，发展面向增材制造的创新设计技术具有广阔的前景。 3D打印的汽车结构复杂部件 然而，增材制造并非“自由”制造，设备的成型能力受到多因素的影响。以SLM为例，分层约束对曲面的精度有很大影响，激光深穿透约束会影响悬垂面结构的成型，而光斑约束限制了成型零件的分辨率。发现和描述增材制造约束，并融入结构优化过程，形成考虑可制造性的优质构型设计方法，成为实现增材制造与结构优化融合的关键。本期，我们借助华南理工大学等团队的研究成果，展示增材制造的结构特征约束类型并讨论其极限尺寸设计。（另，金属3D打印设计指南已上传QQ群） ▌薄壁特征 薄壁特征存在最小尺寸限制，由于激光光斑误差不可能成型出小于光斑尺寸的薄壁零件，过小的薄壁即使能够顺利成型，在实际机械零件上也不能应用。研究显示，薄壁的最小壁厚应大于0.3mm，而且尺寸越小，误差越大。 薄壁特征 ▌尖角特征   尖角特征存在最小尺寸限制，主要受激光光斑约束，在尖角处，由于光斑干涉会导致尖角形状、尺寸较大误差，一般而言，过小的角度不适合SLM加工。 角特征 研究显示，外尖角竖直摆放尺寸偏大，形状精度偏低，应当尽量避免；而小于8°的尖角不宜用SLM成型。内尖角的水平摆放精度较高；竖直摆放尺寸偏大，形状精度偏低，应当尽量避免；而且角度小于8°的尖角不宜用SLM成型。 ▌圆孔方孔特征 竖直孔的尺寸和形状精度一般较高，最小特征尺寸主要受激光光斑约束；水平孔受激光光斑和激光深穿透的影响存在最小和最大尺寸限制，而且形状和精度往往存在问题。 孔特征 研究显示，水平圆孔直径应大于0.4mm，但水平圆孔往往伴随顶部挂渣，影响圆度；竖直圆孔的最小直径应大于0.3mm。水平方孔的跨度应在0.5-1.5mm之间，竖直方孔的边长应大于0.3mm。关于圆孔的使用多见于随形冷却流道。 连接桥结构 ▌圆柱/方柱特征 柱特征受分层和激光光斑的影响存在最小尺寸和纵横比的限制，摆放角度和方式对成型影响较大。 柱特征 柱形的尺寸越小，尺寸误差越大，无论圆柱还是方柱，设计尺寸小于0.5mm时不宜采用SLM成型。其特征尺寸能为点阵结构的设计提供参考。 ▌球体特征 球体特征受激光光斑、激光深穿透和分层约束存在最小和最大尺寸的限制。由于无论何种成型策略，球体都受到激光深穿透效应的影响，球体的精度也会有一定程度的影响。 球特征 球径小于2mm时球体下半部分与基板粘结一起，形状精度低；球径大于8mm，下部分需要添加大量支撑，精度较差。 ▌高纵横比特征 高纵横比特征存在最大尺寸限制，过大的纵横比使得零件的强度难以满足实际需要，而且也受到设备成型范围的限制。实际上对于极限尺寸下的薄壁、圆柱、方柱等的影响最为显著，最小特征的成型高度会受到成型过程中应力等因素的限制。关于这方面的分析已上传至QQ群。 ▌悬垂约束 表面与水平方向所夹的角度低于临界值的悬垂结构需要支撑材料，这个临界值通常为45°。由増材制造原理和所用原材料可知在加工悬垂部分时，其下层是粉末等材料，无法为其提供足够的支撑力和热传递路径，结构容易产生塌陷或翘曲。添加支撑结构虽然能够解决这些问题，但却意味着额外的材料损失、成形时长和后处理工作的增加，还可能影响零件的内应力分布。 悬伸角度打印质量 实际上，打印材料的不同，自支撑角度的大小也会有区别。钛合金可具有40至45度的自支撑角，而钢、钴铬合金和铝合金可能介于50至55度之间。 ▌封闭空腔约束 如果零件中存在封闭的空腔,那么打印结束后，空腔中原本用于支撑的材料无法清理出来。对于金属粉末成形等来说,打印结束后，空腔中的粉末也无法清理出来，因此采用增材制造应尽量避免带有封闭空腔的结构。 SLM Solutions在打印的封闭空腔结构上留有小孔 ▌间隙特征 间隙特征面向的是直接打印的免组装结构，受激光光斑、激光深穿透和分层约束，间隙特征存在最小尺寸限制，并且间隙特征形状对其可成型性的影响非常大。间隙特征的大小决定了免组装结构是否具有运动属性，例如我们在《灵雀H》中介绍的整体活动结构在设计和制造过程中就遇到了间隙特征的设计问题。这是一个特殊的话题，本文难以展开讨论。同样将相关资料上传至QQ群。 灵雀H整体打印的活动结构 影响分析 SLM制造的最小结构会受到光斑尺寸、打印工艺、材料以及光学系统等方面的影响。 光斑约束主要体现在熔道宽度上，从几何关系上看，熔道宽度决定了SLM能够成型的最小尺寸。 对于工艺，就需要看它的先进性有多大程度，有时候在设计中遵循了极限约束，但通过工艺的调整其实又可以实现比极限特征更小的尺寸。例如对于0.1mm的薄壁，如果扫描间距为0.08mm，有些设备会扫描两道，薄壁厚度自然会增大；有的设备则会设置最小填充的识别值，面对厚度为0.1mm的情况，光斑可能只扫描轮廓。对于圆孔结构、方孔特征可能出现的挂渣，先进的工艺可能已经实现了完全无支撑的顺利成型，例如我们之前提到的SLM无支撑工艺。 材料的影响也非常显著，每种材料的成型特点不尽相同，有的可能很容易成型，细节表现力就会很好，特征尺寸就可以小一些。而有些材料的粘性可能比较大，细节表现力可能就要差一些。 总之，对于极限结构有一个参考值无论对于设计人员还是工艺人员，都大有参考意义。 金属3D打印设计指南已上传QQ群：867355738 欢迎转发 延伸阅读： 采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 3D打印自由设计与集成制造 中国航发：基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

传统的电子元器件通常是坚硬的，而柔性电子器件以其独特的柔性和延展性，在武器装备中具有广泛的应用前景。采用增材制造技术，将超薄的导电油墨等材料直接打印到柔性基底材料上，可实现武器装备的结构功能一体化。近年来，外军积极利用增材制造技术改进装备设计，实现结构功能一体化。 ▌将电子器件直接打印到武器装备上，提高装备性能 美国陆军尝试采用增材制造技术将电子器件打印至头盔、战服、无人机和火炮等装备上。研究人员使用喷墨打印机和电流传导油墨来打印电子器件。 3D打印的柔性电路板 3D打印的无人机电路板 这一工艺使工程师可将传感器直接打印至武器或一件衣服中。例如，将由银纳米粒子构成的无线电天线打印至一个灵活的聚酰亚胺衬底上，然后嵌入士兵的头盔中，取代目前附着在头带上的天线。或者，电子器件可打印至火炮旁侧，从而释放更多空间。 ▌开发新型3D打印可穿戴天线，可用于战场通信和监控等 印度军方开发出一种轻量、灵活和防水的3D打印天线，可以植入士兵们的军服中，该设计（由环氧树脂基板和薄铜膜组成）比传统的天线模型要更加灵活。 通过智能材料和结构实现功能性 3D打印天线长约3厘米，宽约4厘米，设定的工作频率在3.37 GHertz左右，可以嵌入纺织品，从而实现WiMAX（全球微波接入互操作性）应用。除了军事应用，这种天线也可用于远程医疗和环境监测。 ▌利用3D打印实现发动机叶片的监测功能 喷气式飞机的维护费时费钱，但将传感器打印到航空航天部件上的一种新的3D打印方法有助于优化这一过程。英国利用气溶胶喷射技术，能够将应变及光学蠕变传感器直接打印到喷气发动机压气机叶片表面上。 在涡轮叶片结构上直写传感器和电路 利用传感器的激光检测系统和光学测量功能，研究者们能确定10纳米内的元件蠕变。这使得人们可以实时监测叶片工况，有助于提高燃油效率和发动机工作温度，降低航空航天器维护成本。 END 目前，该应用方向主要开展了结构功能一体化设计、增材制造新材料开发、多材料3D打印等关键技术研究。未来，雷达、天线、探测器等电子器件将更多采用增材制造技术生产，而柔性电子器件的增材制造是未来发展的热点。此外，还将实现可穿戴式传感器、嵌入式电子器件的高效、低成本制造，大幅提升装备性能。 欢迎转发 延伸阅读： 阅兵式：我国新一代军机普遍使用3D打印技术 装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 外军：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

仿生设计往往具有复杂的几何结构，例如说蜂窝结构、复杂点阵结构、纤维角度和方向多变结构、弧面（波浪）型结构、混合材料及梯度结构等，通过传统制造方法难以实现。增材制造技术能够实现设计中的各种＂微结构”，在实现仿生设计、梯度设计等方面具有独特的优势。近年来，美欧利用增材制造技术实现仿生结构设计、梯度结构制造等方面取得了多项成果。 ▌开发仿生“传感羽毛”改善飞机性能 游隼是世界上飞的最快的鸟，能以非常陡峭的角度进行高速俯冲捕食，其生理机能表现出的机械性能，可改善飞机的空气动力学，提升飞机的安全性和燃油效率。 借助游隼羽毛特点，开发先进结构 英国BAE系统公司于2017年利用增材制造技术开发出“传感羽毛”，能够在飞机出现失速危险时提前预警，还可改变靠近飞机表面的气流，有效减少机翼遇到的阻力，提升飞机速度，未来有望用于战斗机等武器装备中。此项研究将为航空航天业带来真正意义的创新与效益。 ▌开发用于人体防护的仿海螺壳材料 2017年，麻省理工学院的研究人员采用3D打印技术成功制造出仿海螺壳的工程材料，并且进行了有效测试。海螺壳的内部结构非常独特，包含三个不同层次，导致微裂纹难以扩散，因此使其具有超强的耐用性和抗断裂性，它的韧性甚至能够达到珍珠层的10倍。 普通结构与仿海螺壳结构的力学实验对比 这种结构适合用于制备抗冲击防护头盔或人体装甲 采用3D打印技术仿制的海螺壳工程材料，防裂纹扩展性能是最强基材的1.85倍，是传统纤维复合材料的1.7倍，非常适合用于制备抗冲击防护头盔或人体装甲。研究人员表示，这种材料具有类似Z字形的矩阵，裂缝传播困难，采用传统方法很难仿制这种材料。 ▌利用增材制造实现可变形软体机器人 在光、热、溶剂、电场和磁场等刺激下，能够发生三维形状转变的软材料已经应用于各种领域，例如柔性电子器件、新型柔韧机器人和生物医学。 点击查看详情 美国陆军基于含有铁磁微粒的弹性体复合材料，并对结构、磁畴和磁场的信息进行编程，实现机器人的复杂形状变化，从而完成爬行、翻滚、跳跃或抓取等“动作＂，满足美陆军在机器人与自治系统研究需求。 ▌实现多金属混合火箭发动机点火装置 传统的火箭发动机点火装置会采用钎焊工艺来制造，既耗时又昂贵。其制造过程动辄数月甚至更长时间，并且容易导致不同部件的质量水平不同。高昂的制造成本以及漫长的等待时间让航天发射对增材制造的关注越发迫切。 多金属混合火箭发动机点火装置，点击查看详情 采用3D打印制造带有复杂冷却流道的发动机点火装置，可同时满足对复杂设计、低成本和快速交付的要求。2017年9月，NASA成功测试了首台由铬镍铁合金和铜合金3D打印制成的火箭发动机点火器，突破了多金属增材制造部件的技术瓶颈。 END 目前，该应用方向主要开展了智能仿生结构设计、3D功能梯度材料开发、梯度结构增材制造、多种材料集成等关键技术研究。未来，将有大量采用仿生结构、梯度结构设计的新型武器装备问世，例如仿生飞行器、仿生潜艇、仿生软体机器人等。随着新材料开发以及多材料集成技术的发展，增材制造技术将在催生新概念武器装备中发挥越来越重要的作用。 欢迎转发 延伸阅读： 外军：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能 3D打印磁性活化材料—赋予材料生命力 3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 阅兵式：我国新一代军机普遍使用3D打印技术 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

近年来，增材制造技术呈现出持续快速发展态势，军事强国围绕增材制造技术进行研究攻关，加速推进其在各类武器装备研制与维修保障中的应用。随着制造工艺、适用材料、设备加工能力、技术标准等不断优化和完善，增材制造工艺将获得更加广泛的应用，并扩展到更多的武器装备及其关键零部件设计及研制生产中。 综合分析近年来增材制造技术的研究进展，以及外军増材制造应用的典型事例，可以预见，未来将在八个方面将取得显著突破，成为武器装备增材制造技术应用的主要方向。本期我们介绍第一方面：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能。 随着航空航天领域的发展，发动机等复杂系统的性能要求越来越高，产品研发难度也将显著增大，采用传统设计制造模式难以满足需求。增材制造技术在复杂系统设计及制造方面的优势将使其在发动机等装备研发生产中获得广泛的应用。近年来，外军已将增材制造技术用于火箭发动机、航空喷气发动机等复杂系统的制造，不仅简化了设计流程，并且实现了传统制造手段无法满足的设计要求，大幅缩短了生产周期，降低了生产成本，同时提升了武器装备性能。接下来我们介绍几个典型案例。 ▌实现世界首台电动液体火箭发动机快速低成本研制 2016年，美国火箭实验室公司开发出世界首台采用电动泵输送推进剂的液体发动机——＂卢瑟福”，其75％以上的部件采用增材制造，可3天完成生产。由于减少了燃气涡轮泵系统中大量复杂的管路、阀门，及燃气发生器等装置，可大幅降低复杂度和制造成本，提高可靠性，便于快速批量生产。截至7月份，该公司已打印了100台卢瑟福火箭发动机。 Rocket Lab首席执行官彼得•贝克与3D打印（EBM）制造的火箭引擎▌实现火箭发动机喷嘴创新设计 火箭发动机喷嘴的外部结构看起来简单，但其内部结构非常复杂。2018年，NASA马歇尔太空飞行中心采用激光直接沉积金属丝材（LWDC）的方法，实现喷嘴冷却液通道的精确封闭，同时在适当的位置形成支撑结构，实现了火箭发动机喷嘴的创新设计，将喷嘴的制造周期从几个月缩短至几个星期。 NASA采用LWDC制造的多材料复合再生冷却推力室关于该工艺及产品的具体研究资料已上传QQ群▌GE公司将增材制造技术作为发动机设计制造的重要手段 2017年，GE公司采用面向增材制造的设计和制造方式完成了T901-GE-900涡轮轴发动机样件的生产，该发动机中使用了大量的增材制造零部件，其中一个零部件是由原来需要51个子部件组装而成的，使T901发动机的重量降低了20%，经过测试，其性能也获得了提升。 阿帕奇和黑鹰直升机使用T901动力 END 目前，该应用方向主要开展了复杂结构件设计、面向增材制造的设计、蜂窝结构设计优化、增材制造可靠性提升等关键技术研究。未来，火箭发动机、航空发动机等复杂系统将大量采用增材制造设计和生产，并且更多的复杂系统将逐渐采用面向增材制造的设计，突破传统设计局限，实现性能提升和创新式发展。更多内容，请关注延伸阅读。 关于NASA采用LWDC制造的多材料复合再生冷却推力室的具体研究资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

轻量化的实现途径主要有三大方面：一是材料的优化设计和应用；二是产品结构的优化设计；三是先进制造技术的开发应用。三者相辅相成以实现最终产品的轻量化制造，而这其中产品结构优化设计和材料的优化设计具有广大的研究和开发空间。本期我们讨论的重点是3D打印轻量化制造的第一部分，材料和工艺。 轻量化材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化，指的是在满足机械性能要求的前提下，通过采用轻量化的金属和非金属材料实现重量减轻的方法。在当前的轻量化材料中，钢铁仍然保持主导地位，但钢铁材料的比例逐年下降，铝合金、钛合金、镁合金、工程塑料、复合材料等材料比例逐渐增加。这些材料在汽车制造领域的应用尤其广泛，我们讨论的重点也在该领域。 ▌金属轻量化材料 铝合金 汽车上常见的合金材料大多为铝合金、镁合金。其中铝合金是现阶段应用最广、最为常见的汽车轻量化材料，曾有研究表明铝合金在整车中最多可以使用540kg，这样的情况下汽车将减重40%，奥迪、丰田等的全铝车身就是很好的例子。 目前铝合金3D打印材料种类主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等，其中AlSi10Mg几乎占据绝对主流。针对AlSi系列合金的力学性能不高，无法满足高强度要求的现状，目前开发出的高强铝合金有空客的Scalmalloy、英国铸造公司Aeromet International的A20X、长沙新材料产业研究院的AlMgSc系以及苏州倍丰的Al250C等。 奔驰汽车3D打印的铝合金恒温器盖 2017年，梅赛德斯-奔驰在制造业转型中迈出了重要一步：使用3D打印技术生产金属部件，其中就包括采用铸铝合金3D打印的奔驰卡车的恒温器。不仅如此，梅赛德斯-奔驰表示，该环节通过了所有严格的质量测试。 钛合金 钛合金的主要优点是低密度、高强度密度比和优异的耐腐蚀性，另外即使在温度升至500°C时仍能保持很高的强度。钛合金用于汽车与钢、铝合金以及镁合金相比的主要缺点是成本高，但其在汽车其他方面的应用具有轻量化的潜力，可用于制造悬架弹簧、排气系统等部件。 采用3D打印制造的布加迪跑车钛合金卡钳，重量由4.9公斤减少至2.9公斤 一个典型案例是布加迪对传统的刹车盘的设计优化，其采用高强钛合金代替传统铸铝，虽然材料的密度有所提高，但材料性能得到大幅提升，配合结构设计，最终通过3D打印制造的卡钳重量减轻了40%。除此之外，钛合金作为一种高强轻量化材料，在航空航天领域具有极大的应用空间。 镁合金 镁合金也是一种强度较大的合金材料，现阶段我们可以在汽车轮毂、离合器等部件上看到它的身影，尽管它比铝合金更轻，但在汽车上的用量却很少，从目前来看世界一流的汽车上镁合金用量也仅为10kg，而自主品牌汽车镁合金用量则更少，仅为3kg左右。想要大规模的使用镁合金，还需在技术和成本上有所突破。关于镁合金的3D打印应用，目前多见于研究，公开报道的案例非常少见。 镁合金在汽车中的应用 ▌非金属轻量化材料 碳纤维 除了合金以外，近些年汽车上也出现了一些新型轻量化材料，碳纤维就是其中之一。有研究表明，如果用强度可靠的碳纤维替代钢材，车身、底盘的质量将下降40%-60%，轻量化效果可见一斑。 多材料空间框架：铝合金+超高强度钢板+碳纤维增强复合材料 碳纤维目前无法直接用于3D打印，通常作为增强材料使用，包括基于激光烧结的短纤增强和基于FDM的长纤增强两种。将碳纤维嵌入到常规材料中，可以使部件强度提升几十倍，其强度重量比甚至超过很多金属材料。这种制造工艺更类似于新的材料设计，因此在轻量化方面有非常广的应用空间。 碳纤维长纤增强3D打印：左测基材，右侧增强材料 福特3D打印的碳纤维进气歧管 在2015年的托纳汽车耐力赛期间，福特采用碳纤维3D打印制造了赛车增压室进气歧管，部件的制造仅一周时间，从而为汽车开发工程师提供了更多的测试、调整和完善时间。除此之外，福特车队的赛车还包含众多其他的3D打印部件，为赛车的轻量化、快速制造提供了保障。此次比赛，该车队也赢得了冠军。 工程塑料 另一种轻量化的材料是工程塑料，多用于制造汽车内饰件、电器件、进气歧管、控制面板等部件，既可以用作原型验证，也可直接制造最终功能部件。武汉萨普曾采用尼龙材料打印了2*0.5*0.7m的大尺寸汽车仪表盘，可对抗高温和高频振动，研发周期缩短了47%，制造成本降低了54%，而且还实现了轻量化。 3D打印的尼龙材料2*0.5*0.7m的大尺寸汽车仪表盘 奥迪汽车3D打印一次成型彩色透明尾灯盖玻片 特种塑料的3D打印市场在近年来呈现增长趋势，这不仅体现在用于3D打印的特种材料的丰富，还包括打印设备、工艺以及应用的多样化。知名的特种塑料3D打印制造商还有Stratasys，其针对航空航天、汽车行业开发了专门的打印机和高性能材料，有的甚至已经获得了航空认证。 3D打印的汽车特种材料零件 特种材料的3D打印区别于传统的塑料打印机，它往往需要更高的打印温度和保温环境，在设备开发过程中往往具有一定的门槛。目前较为知名的FDM品牌有markforged、Roboze、Apium等，国内方面有一迈智能和上海远铸等公司。这些特种材料一般包括PA、PEEK、PEKK以及PEI等。 ▌轻量化材料与先进制造工艺结合 轻量化材料的使用必须与产品设计和制造工艺相结合，只有这样才能达到有效的目的。开发适应轻量化材料的新工艺不仅可以加速新材料在汽车上的使用，同时还可以降低材料成本，有利于扩大应用。据汽车界人士预测，在今后十年中，汽车自身质量还将减轻20%，除了大量采用复合材料和轻质合金外，新材料的集成制造工艺会显著降低车身部件数量，车身设计方法也将发生重大变化。 3D打印作为一种先进的新型制造工艺之一，受到了来自汽车制造商的广泛重视，它的优势体现在增量制造所带来的材料浪费损失的降低，以及集成制造带来的轻量化效果的大幅提升。即便3D打印可直接制造的材料仍然有限，但在轻量化材料直接制造方面似乎并未遇到太多阻力。 目前，成熟的3D打印工艺和材料受到了很多汽车制造商的重视，大众、福特、宝马等汽车厂商均设立了包括增材制造在内的先进制造中心，这无疑为汽车的轻量化制造带来了更多机遇。 欢迎转发 延伸阅读： 奥迪实现高效3D打印产出的应用经验 大众汽车：在生产线上使用3D打印机进行车辆生产 福特汽车：借助3D打印技术重塑汽车生产线 FDM 3D打印技术如何助力汽车行业应用 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738