航空航天领域陶瓷3D打印的主要兴趣之一是使用该技术来制造陶瓷基复合材料，此类材料相对于超级合金具有明显的性能优势，而且密度要低得多。对于航空航天应用，重点是开发SiC基复合材料的燃烧室衬里、预混合燃料喷嘴护罩、涡轮导向叶片、喷嘴等发动机部件。这些部件的常规制造方法均基于预成型件的渗透，如化学气相渗透、聚合物渗透热解、熔融渗透以及结合了这些过程的混合方法。这些方法通常速度很慢，涉及多个步骤以及大量的后处理。3D打印则会更简单，并且可以实现自由和复杂的几何形状，包括截面尺寸的急剧变化，以及混合和多功能复合材料的制造。此外，3D打印可以减少生产步骤，缩短生产时间，从而降低成本。其中的挑战主要在于纤维增强材料的混合，实现零件完全致密以及工艺和性能的优化。 GE在LEAP系列和GE9X发动机上大量使用陶瓷基复合材料 航空航天领域应用陶瓷3D打印面临的挑战 SiC基复合材料的3D打印工艺有层压制造（LOM）、粘结剂喷射（3DP）和直接墨水书写（DIW）。LOM可在对商用机器进行改造后用于生产连续纤维增强复合材料；粘结剂喷射技术则允许使用量身定制的粘结剂和短切纤维增强材料进行打印，即使对于高SiC纤维负载量（体积比高达65％），硅熔体渗透也能完全致密化；直接墨水书写技术也显示出一定的应用前景，一项重要的需求是建模工作，以协助进行材料设计和工艺优化。 HRL开发的3D打印SiC陶瓷耐高温达1700℃ 3D打印制造的SiC复合陶瓷零件的机械性能仍落后于常规加工手段，但该技术制造的涡轮发动机零件（如第一级喷嘴和高压涡轮喷嘴段）已经证明可行。 军用飞机行业也在探索3D打印以提高战备能力和负担能力。陶瓷3D打印已经证明可以用于生产金属铸造的型芯和模具，从而大大节省时间和成本。就此而言，陶瓷3D打印可用于模制传统零件并制造具有改进冷却通道设计的新翼型，而这些新设计无法通过传统方法制造。 使用Lithoz的CeraFab8500设备，LithaCore450材料打印的陶瓷叶片型芯 陶瓷3D打印也被视为在极限环境下使用的颠覆性创新技术，它可以满足对高温材料（如超高温陶瓷）和复杂几何形状的需求。但是，目前缺乏可低成本和大规模生产的3D打印工艺来进行高强度和耐损伤陶瓷的生产。早期采用陶瓷增材制造的一个吸引人的领域是小型无人机的低成本发动机开发，它可以显著提高发动机的性能。在这些应用中，较高的组件故障风险具有相对不重要的影响，可以视为原型设计和加速迭代的测试平台。 几种主流陶瓷3D打印工艺的关键特点 目前，几种陶瓷3D打印工艺都在探索军用飞机的应用，如SLA、DLP、直接墨水书写（DIW）、粉末床激光烧结以及气溶胶喷射（AJP）等等。 直接墨水书写（DIW）技术是将陶瓷粉末与各种有机物混合，制成陶瓷墨水，然后通过打印机将其打印到成形平面上形成陶瓷坯体。对喷墨打印技术来说，陶瓷墨水的配制是关键。这要求陶瓷粉体在墨水中能够良好均匀地分散，并具有合适的粘度、表面张力及电导率，以及较快的干燥速率和尽可能高的固相含量。目前，该技术的难点是墨水中的固相含量太低，这会导致陶瓷坯体致密度较低，而过度提高固相含量又会使墨水的喷射变困难。此前有研究人员采用该技术制备了Si3N4陶瓷齿轮坯体，其密度达3.18 g/cm3 ，断裂韧性为4.4MPa•m1/2，抗压强度为600MPa。可以看出，喷墨打印技术所得制品具有良好的力学性能。这也说明喷墨打印技术在高性能氮化硅陶瓷的生产中具有巨大潜力。   采用直接墨水书写技术3D打印的Al2O3坯体 粘结剂喷射技术（3DP）是在粉末床上选择性的喷射粘结剂，通过层层制造得到最终的陶瓷坯体。该技术在制备多孔陶瓷零件时有较大优势，但是其成形精度较差，表面较粗糙，这与粉体成分、颗粒大小、流动性和可润湿性等有较大联系。在制造过程中，可以通过控制粉末层的湿度来提高所得毛坯的尺寸和表面的精度。3DP成形法所制备的零件致密度一般较低，通常需要后续工艺来提高其致密度，如在烧结前进行冷等静压和高压浸渗处理，可以显著提高烧结后制品的致密性，但同时也会使生产率降低。研究使用3DP技术制备Ti3SiC2陶瓷，随后进行硅熔体和铝硅合金的渗透，复合材料密度可以达到4.1g/cm3，这种全致密材料的弯曲强度最高为233 MPa，力学性能较好。3DP技术为陶瓷复合材料的制备提供了一种新型方案。 NASA格伦研究中心采用粘结剂喷射技术打印的SiC陶瓷复合材料涡轮发动机部件 SLA与DLP具有类似的原理，都在树脂中加入陶瓷粉末得到陶瓷浆料进行3D打印。与其他技术相比，基于光固化的技术适合制备高精度、形状复杂的大型零件。但其对于浆料的要求一般较高，如浆料需要有较高的固相含量、较低的密度，同时陶瓷颗粒需要在树脂中分散均匀，而且该方法的所使用的设备昂贵，制造成本较高。国际知名的几家陶瓷3D打印设备商均采用该成型技术。 中国采用光固化工艺在太空打印的8个陶瓷样件 使用Lithoz光固化设备打印的不同尺寸的陶瓷型芯 粉末床激光烧结（SLS）是采用激光选择性地扫描粉末床表面，使粉末材料受热熔化并粘结在一起，并最终形成坯体。陶瓷材料的烧结温度很高，难以直接进行烧结成形。目前，只能通过间接激光选区烧结法对陶瓷材料烧结，其方法是将低熔点的有机粘结剂覆盖于陶瓷颗粒表面，然后激光只对有机粘结剂进行熔化，使陶瓷颗粒相互结合。虽然改进后的成形过程较简单，但是由于有机高分子粘结剂含量较高，因而所得坯体密度较低，疏松多孔，故通常需进行后续处理提高致密度，如等静压处理、浸渗技术等。   采用激光烧结技术打印的SiOC/SiC涡轮叶轮：（a）SLS成型；（b）烧结后；（c）与硅渗透后 END 尽管一些公司已经开发出了完整的陶瓷3D打印技术，但截至目前，陶瓷相对于其他材料的3D打印仍然非常小众，属于新兴技术领域。据SmarTech分析公司发布的最新《陶瓷快速成型零件生产：2019-2030年》显示，随着所有主要的陶瓷增材制造技术的全面发展，并建立起足够的系列化生产，陶瓷3D打印市场将在2025年后迎来一个拐点。届时，一大批公司和行业将受益于该技术。到2030年，陶瓷增材制造市场的收入估计将达到48亿美元。 作为航空航天领域极富前景的高温陶瓷材料，3D打印将为其专业化组件的生产发挥作用。无论是作为高温合金替代物的陶瓷基复合材料，还是作为飞机或者火箭发动机高温结构组件的先进陶瓷材料，3D打印或将改变这些领域的制造方式。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.现在及未来，那些将受益于陶瓷3D打印的行业 2.2019年3D打印材料市场的演变：趋势和机遇（陶瓷金属篇） 3.LITHOZ 3D打印航空发动机陶瓷叶片型芯 4.ExOne金属粘结剂喷射系统，可打印金属、陶瓷和复合材料

在1991年，3D打印可是一项看起来像是从未来穿越回来的神奇魔法——受限于技术水平，彼时3D打印只能在财大气粗企业的前瞻实验室中看到，如德国高档汽车品牌宝马就在那一年，将3D打印零部件纳入概念车研发体系之中，专注新材料研发应用的“快速成型创新中心”那时还只是一个小型部门。 宝马采用3D打印工艺为劳斯莱斯开发零件 经过10年发展，宝马开始推广3D打印工艺，最初是生产小批量零部件，如水泵皮带轮。2012年，劳斯莱斯幻影的激光烧结零部件应用3D打印；2017年，劳斯莱斯曜影的光纤导轨固定装置也开始交给3D打印。 过去十年间，宝马通过3D打印工艺生产了100万个零部件，仅2018年一年，宝马集团3D打印生产中心的产量超过20万件，同比提升42%。2018年底，一件3D打印的车窗导轨被安装在宝马i8 Roadster上，这是宝马集团的第100万个3D打印量产零件，宝马i8也因此成为世界上第一台使用该技术的量产车。 宝马为劳斯莱斯古斯特开发的3D打印零件 在高性能车型领域，3D打印更是如鱼得水。有高低功率两个版本的新一代宝马“机皇”——S58B30里的气缸盖，便是3D打印的杰作。 宝马为劳斯莱斯古斯特开发的3D打印零件 复杂的管路结构和轻量化需求超过了传统铸造工艺的能力范畴，面对这一难题，3D打印实现了传统铸造做不到的工艺。同时，S58B30发动机气缸盖避免了冗余结构造成的材料浪费，达到了更好的轻量化效果。 全新一代宝马M3和M4就会应用S58B30发动机。 这是宝马在快速成型制造系统整合方面的里程碑式事件。宝马集团负责生产集成和试验工厂的高级副总裁Daniel Schäfer说：“快速成型制造等工艺帮助我们加快开发周期，让我们的汽车更快地进入系列成熟期。3D打印缩短零部件的生产时间，同时满足严格的质量要求。” 宝马为劳斯莱斯古斯特开发的3D打印零件 自今年年中以来，宝马集团一直在为劳斯莱斯汽车增加新型材料部件。这些部件在全球生产网络中的不同环节和不同地点制造。 这些部件用于车身和乘客舱，具有高刚性。在宝马集团Landshut工厂，这些金属部件通过激光束熔化制造。在生产中，金属3D打印部件在一个完全自动化的过程中被安装到车身上。 宝马为劳斯莱斯古斯特开发的3D打印零件 事实上，3D打印虽然快捷又方便，但也不是一拍脑袋就能用上的。 在汽车开发早期阶段，工程团队就确定了快速成型制造在零部件生产中的应用程度。根据不同车型的标准和要求，在数字化生产工具的协助下，这些标准和要求被定义并转化为3D打印听得懂的 “机器语言”。这标志着宝马集团能够更快、更早地确定哪些部件有可能通过3D打印生产。 宝马为劳斯莱斯古斯特开发的3D打印零件 以前几乎不可能实现的零部件，对3D打印来说，易如反掌。 自今年6月起，宝马集团将全部快速成型制造技术集中到慕尼黑郊外的新制造园区。目前，该中心拥有80名员工，已经运行了约50套金属和聚合物加工系统，另外还有50多套系统在世界各地的生产基地运行。 通用成立3D打印“递增产业化中心” 美国汽车制造商通用汽车近日宣布，该公司在美国底特律市郊的沃伦技术中心（Warren Tech Center）布设了24台3D打印机，将致力于推动3D打印技术在汽车产业的应用和发展。 通用递增产业化中心 据悉，“递增产业化中心”的发展目标之一便是将3D打印产业化，彻底改变汽车的制造工艺、缩短开发时间、降低成本以及提升品质。 过去数年，通用汽车在“递增产业化中心”建设上投入大量资源。目前部署在该中心的24台3D打印机已具备生产能力，支持通过激光烧结、熔融沉积、多喷射聚合等技术，将聚合物和金属原材料制成所需的汽车零部件。 通用汽车传统座椅支架与3D打印支架的比较。通过采用生成设计和3D打印，将支架从八个组件整合为一个组件 通用方面介绍，利用3D打印技术加工而成的汽车零配件具有传统工艺所不能比拟的优势。例如，使用传统加工工艺制作一个零配件，其生产时间动辄需要数周乃至数月，但利用3D打印技术仅需一天就可以完成定制环节，还能节省下大量能源成本及工具成本。 2018年通用采用3D打印制造工具节省了30万美元 雪佛兰 Corvette C8.R 赛车上的铝制油箱和进气组件原本需要8个单独的组件，但利用3D打印技术，8个组件将实现一体成型，并消除了相互间14条焊缝，整体重量也减轻了32%。 此外通用汽车还在德克萨斯州的阿灵顿装配厂部署了3D打印机，辅以将近 100款手动工具，为雪佛兰Tahoe、GMC Yukon、凯迪拉克Escalade等全尺寸SUV的制造提供支持。 凯迪拉克CT4-V和CT5-V的Blackwing版本将分别安装四个3D打印部件 竞争？不存在的，只是为了更好的创新 跨国汽车公司越来越多地使用3D打印，不仅用于原型制作，而且还开发了最终用途的零件。至于多家公司纷纷公布其3D打印技术的应用情况，这不是为了争夺眼球，二手为了更好的自身创新。 雷诺将增材制造作为其新“Re-Factory”的重中之重，后者正在法国小镇弗林斯制造。该工厂致力于通过回收和翻新车辆来减少浪费，并提供3D打印备件服务。 同时，保时捷与机床制造商通快和汽车零部件公司MAHLE合作，为其911超级跑车的发动机提供3D打印活塞。通过使用AI引导的增材制造工艺，这些公司能够将组件的重量减少10％，并能增加引擎效率。 在其他地方，Fraunhofer IAPT的研究人员与菲亚特·克莱斯勒汽车公司合作，为其一辆跑车开发了3D打印的悬架零件。通过部署3D打印工艺，该团队得以将车辆的制动钳集成到其轮架中，从而使其重量减轻了36％，并且更耐疲劳。 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 2.3D打印对汽车制造的内外驱动力及当今汽车增材制造市场 3.FDM 3D打印技术如何助力汽车行业应用 4.嘀！你有一条来自宝马增材制造中心的视频邀请

12月10日至13日，第一届全国技能大赛在广州顺利落下帷幕，本次大赛是新中国成立以来举办的规格最高、项目最多、规模最大的全国性、综合性职业技能赛事。作为一种新型的制造与工程技术，增材制造首次出现在国家级技能比赛中，同时也将首次成为2021年第46届世界技能大赛的新增比赛项目。本次技能大赛的优胜选手，将入选明年世赛国家集训队。 为人才培养、职业及技能认定起到示范作用 世界技能大赛是最高层级的世界性职业技能赛事，每两年举办一次，被誉为“世界技能奥林匹克”。增材制造被列为该赛事新增项目，足以证明在世界范围内，该技术已被公认为一种新兴并日益发挥重要作用且不可或缺的加工手段。 2020年5月，人社部职业能力司首次将“增材制造（3D打印）设备操作员”拟定为新职业，从而对促进技能人才培养、职业技能培训以及产业发展起到积极推动作用。作为国内第一届职业技能大赛，将增材制造纳入其中，对该技术领域的职业以及技能认定将起到示范作用，后续更将推动更加系统的人才培养规范建设。 2020年5月，人社部首次将“增材制造设备操作员”拟定为新职业 增材制造项目在此次大赛中要求选手为1999年以后出生，对技能和能力的要求主要包括3D数字化扫描、测量扫描到CAD的重新设计和CAD设计、CAE、构建过程分析和后处理、测量、扫描和准备及成型。所有事项均会涉及，对选手具有广泛的技能要求。从参赛的年龄段要求可以看出，本届技能大赛是对我国第一批经过系统3D打印相关专业培养的学生的检验，后续更将推动相关教育体系的建设。 增材制造人才的培养需要国家机构顶层设计、教育部门协调推进、全社会共同参与，才能实现职业教育与增材制造产业人才需求的高度契合。将增材制造引入技能大赛，势必将引起社会各阶层的连锁反应，积极探索人才培养模式，推动职业资格认证体系建立，解决增材制造从业人员供给不足的问题。业内相关企业的支持，便是其中不可或缺的一环。 业内实力品牌加持，助力大赛顺利进行 本次大赛充分借鉴世界技能大赛和有关体育赛事活动的有益做法和成功经验，创新引入社会赞助参与办赛工作，通过公开遴选方式确定了105家设备设施支持单位，主要目的是发挥企业在技术标准、设备设施、服务保障等方面的优势，借助企业的社会影响力和号召力，建立完善“政府+企业”合作办赛的新模式，营造良好的社会氛围。 作为业内领先的金属3D打印设备商和服务商，铂力特公司具有严格的技术标准和管理体系。经过层层选拔，BLT-A300+成为本次赛事唯一指定的增材制造项目中现场使用的3D打印机。14台BLT-A300+助阵现场赛事，成为26名进入决赛选手的“作战武器”。铂力特在设备、技术、服务等方面均以高质量高水准，全方位助力赛事顺利完工。 铂力特赛前部署设备 在赛事筹备阶段，执委会就在发布的赛事设备设施要求中提到，厂商需提供14台硬件、软件、参数完全一致的金属3D打印设备用于比赛供应，以保证比赛的公平公正。这要求参赛设备必须具有非常高的一致性和标准化程度。BLT-A300+是铂力特针对职业教育“简单、安全、专业”的要求，在已经有广泛工业应用的BLT-A300机型的基础上，升级了智能化软件开发的标准化机型，经过多场省赛的实战检验，最终通过层层选拔，获批赛事唯一指定金属增材制造设备。 在今年10月底接到赛事任务后，设备制造团队历时一个月的时间完成了设备装配、调试、打样验证等工作，服务团队同步开展了粉末、耗材、场地评估、装机准备等系列保障工作；所有设备于11月30日晚从西安出发，于12月6日完成全部安装部署工作，并于12月7日至9日完成赛前测试工作。整个备货、装机工作，响应及时、有条不紊，刷新了跨部门协作的铂力特速度。 铂力特为赛事保驾护航 12月10日和12月11日，各有13名参赛者使用13台BLT-A300+打印其设计的零件，所有设备、所有批次的软硬件需一致，比赛过程中，设备一切运行顺利。得益于长时间的设备生产和使用经验，严格的出场标准，严谨赛前测试，专业的赛事保障服务，参赛者操作设备过程一切顺利，BLT-A300+的稳定性再次经受住了考验。 以赛促学，为培养高素质职业技能人才贡献力量 铂力特在深耕产品设备应用的同时，始终坚持“以人为本”，一直以来关注对职业技能人才的培养与发展。希望在国家打造全新的、综合性的国家职业技能竞赛品牌的道路中尽己所能，共促国家高素质职业技能人才建设。 基于广泛而丰富的金属增材制造技术研发和应用经验，铂力特针对企业内部职业技能人员，建立了完善的培训体系、专业的培训方案以及丰富的课程资源，先后助力2021年世赛增材制造项目广东省选拔赛、山东选拔赛。本次赛事前，铂力特技术人员对教练员和参赛选手也进行了有针对性的强化培训，充分发挥企业在增材制造领域精湛的工艺水平，为赛事的顺利进行提供了技术保障和支持。 铂力特助力职业技能大赛广东省选拔赛签约现场 而笔者从赛事的基本形制发现，参赛选手需要具备CAD建模、逆向扫描、3D模型结构优化、3D打印准备(支撑、切片)、3D打印设备的安全操作、打印零件及后处理以及CNC加工等技能。能够熟练掌握这些技能的人员在当前的市场环境下当属优质人才，而在实际的岗位上也少有人员能够全面掌握，这也侧面证明当前部分职业院校所培养的学生是符合当前行业所需的。 最终经过激烈角逐，来自广东机械技师学院的林伟桐获得金牌，吉林代表队的刘晋廷获得银牌，山东东营市技师学院的魏龙翔获得铜牌。以赛促学，国家将增材制造技术纳入全国职业技能大赛，势必推动我国增材制造从业人员技能培训水平的系统性提升，而铂力特也将继续为世赛国家集训任务提供技术支持。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.职业平台报告：3D打印人才技能的要求有哪些？ 2.国外3D打印从业人员如何进行职业培训和资格认证 3.李方正博士：我国增材制造从业人员现状分析 4.薪资调查2019：随着市场的发展，3D打印行业的工资水平下降了？

本文概述了2020年以来3D打印市场范围内比较重要的5项技术突破和应用，以及5项重要的市场事件。相比去年而言，引人关注的新技术较少，但关键应用增多；此外，几项重大市场行为引起业内广泛关注，在突出显示技术应用深化的同时，市场格局也在悄然发生变化。 1. 陶瓷烧结只需10秒钟，速度提升1000倍 传统的陶瓷烧结通常需要借助昂贵的商业设备处理数小时时间。为了克服这一挑战，美国马里兰大学的研究人员发明了一种超快的高温烧结方法，既可以满足现代陶瓷的需求，又可以促进新材料创新的发现。在这项发明中，将压制的陶瓷前体粉末生坯夹在两根碳条之间，该碳条通过辐射和传导（以103-104°C/min）快速加热，能够在不到10秒的时间内达到高达3000°C的高温环境，陶瓷粉末被迫快速凝固，比传统的熔炉烧结方法快1000倍以上。 快速烧结原理 研究人员指出，新工艺可防止由于烧结时间短而引起的挥发和不良扩散问题，可广泛、快速地烧结各种陶瓷和金属材料，包括3D打印的陶瓷和金属生坯。将烧结时间从数十小时减少到几分甚至几秒钟，将为陶瓷3D打印的发展，带来极大推动。同时，这或许对太空陶瓷和金属3D打印带来新的机会。 2. 中美成功验证多种太空3D打印技术 2020年5月，新一代载人飞船实验船在轨飞行的2天零19小时内，以航天五院为代表的团队完成了多项空间科学实验和技术试验，其中包括多种3D打印技术的太空在轨验证。其中，中科院空间应用中心研究团队研制的“在轨精细成型实验装置”，成功克服太空失重环境导致的打印材料流变行为，创新采用立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行了微米级精度的在轨制造，为我国未来在轨制造零件提供了技术储备。 新飞船试验任务成功在轨制造的8件陶瓷样品 由529厂—西交大团队共同研制的“连续纤维增强复合材料太空3D打印装备”实现了国际首次连续纤维增强复合材料太空环境增材制造技术。连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料，密度低、强度高，开展复合材料空间3D打印技术研究，对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造具有重要意义。 12月初，美国Redwire也成功在太空在轨打印陶瓷零件。 3. 超多激光、超大型金属3D打印时代到来 突破了持续许久的四激光限制，2020年当属超多激光金属3D打印时代到来的元年。 10月20日，Velo3D推出新一代具有“超大容量”的Sapphire XC 3D打印机，φ600*550mm的构建体积配备了八台1000W的激光器，是市面上第一款商用化的超多激光金属3D打印机。 11月10日，SLM Solutions正式发布其下一代12激光金属3D打印机，使打印速率提高到1000cc/h及以上成为现实。12激光系统的推出不仅对于增材制造业来说是一个颠覆性的突破，对于整个制造业来说也是一个重大的进步。 多激光金属3D打印机的基本特点 同月，3D Systems公布了其为美国陆军正在开发的开发“世界上最大、最快、最精确的金属3D打印机”的更多细节，该系统配备9台激光器，成型尺寸达到1*1*0.6m。 除此之外，弗劳恩霍夫研究所开发的5激光器原型机成型尺寸为1*0.8*0.5m，Additive Industries明年将推出10激光金属3D打印机建造尺寸为0.6*0.6 *1m。 4. 国内大型金属和非金属构件实现关键航空航天应用 2020年5月8日，由中国航天科技集团空间技术研究院抓总研制的我国新一代载人飞船试验船返回舱，在东风着陆场预定区域成功着陆！此次试验船飞行任务的圆满成功，实现了我国超大尺寸整体钛框架3D打印制造的首次航天应用。 载人飞船返回舱防热大底框架结构是气动力热作用下最主要的承力部件，由航天五院总体部主导研制的直径达4米的超大尺寸整体钛框架全部采用鑫精合公司的3D打印工艺制造，成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本的目标。新一代载人飞船试验船的成功返回标志着我国超大尺寸关键结构件整体3D打印技术通过大考。 新一代载人飞船试验船返回舱及采用激光沉积3D打印制造的返回舱防热大底框架实物 2020年7月23日，长征五号运载火箭搭载“天问一号”火星探测器成功点火起飞。这是长征五号运载火箭首次执行应用性发射，运载火箭上的一个重要部件——级间解锁装置保护板，由中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所通过采用华曙高科连续增材制造系统HT1001P解决方案加工而成。 级间解锁装置保护板 级间解锁装置保护板直径达5米，单批次加工件数较少，加工频次较低，如采用传统注塑方式需要使用模具，模具成本高，且模具的保存成本也较高。而采用3D打印技术，则无需开模、一体成型。研制单位将保护板拆分成50件分别打印，每个部件尺寸约为370mm*100mm*125mm，最后将零件拼接而成，耗时仅48小时。该部件的成功应用，实现了国产新型大幅面增材制造装备的应用验证。 5. 3D打印为欧美对抗疫情发挥重要作用 自欧美爆发疫情以来，3D打印为这些地区快速提供物资发挥了巨大作用，多家3D打印公司将本公司的技术用于用于医疗领域。 Carbon每周生产的鼻咽拭子和防护面罩分别超过100万支和18000个；Formlabs则使用250多台内部3D打印机，每天生产多达15万支检测拭子，Markforged的生产规模也扩大到了每天10万只；英国的Photocentric公司则采用光固化技术进行呼吸器兼容阀门的打印，每周的生产量达到4万个。除此之外，巴黎医院紧急安装了60台Stratasys F123打印机，生产各种用于救援工作的产品，包括面罩、口罩、电动注射泵、插管设备以及呼吸阀等。 3D打印批量制造鼻咽拭子 面对疫情，3D打印快速制造的优势解决了一些国家产品供应短缺的问题，这些例子说明在紧急情况下3D打印可以快速反应。 6. 投资超1亿元人民币的宝马增材制造中心正式开业 6月，总投资超过1500万欧元的宝马增材制造中心正式开业。该中心汇集了宝马集团迄今为止所有关于该技术的专业知识，囊括了当今市场范围内几乎所有最为先进的3D打印装备和最广泛的技术门类。此举将加强宝马创新先锋的地位，保持其在汽车增材制造领域的发展。 宝马新增材制造中心内景 据统计，宝马集团使用3D打印超过27年，已经生产了数百万个零件，成为3D打印领域的深度玩家。宝马集团力图在单个组件、小批量生产及大规模生产零部件的多个领域，都能够提供最佳的技术和生产工艺链条。高大上的3D打印制造、未来数字化生产的新方向成为宝马集团生产系统中非常重要的组成部分，在大批量生产方面拥有巨大潜力。 7. 飞而康规划50台华曙金属3D打印机，欲打造一流增材制造超级工厂 近年，国内航空航天事业迅猛发展，增材制造的应用不断深化，而专注于航空航天增材制造服务的飞而康因此也迎来了历史上难得的发展机遇。2019年，飞而康与华曙高科达成战略合作，双方致力于航空航天最新设备研制和飞而康材料及工艺研发，打造基于华曙高科金属解决方案的“飞而康金属增材制造产业化超级车间”。车间列装华曙高科超大型、大型、中型金属设备，已支持多项国家重点型号工程的研制，涉及数十个航空航天器型号任务。 飞而康增材制造车间局部 为满足快速增加的订单需求，飞而康进一步扩充车间产能。今年5月，飞而康发布消息，将规划产能再翻四倍，将华曙高科金属设备的列装数量将会扩充至50台，届时车间的加工能力将跃上一个新的台阶，成为名副其实的增材制造超级车间。10月初，飞而康已经收到第20套金属3D打印系统，其中19套是大幅面的 FS621M和FS421M系统，飞而康将继续打造其超级增材制造工厂。 8. 铂力特中标4600万元金属3D打印项目，产业化应用加深加快 据中化商务电子招投标平台11月消息，西安铂力特中标北京动力机械研究所3300万元高尺寸、大幅面激光选区熔化成形设备和1300万元中小规格激光选区熔化成形设备项目。招标人隶属中国航天科工集团第三研究院，具有明显的航空航天背景。如此大金额购买相关设备，定是基于明确的应用需求以及对设备质量的绝对信心，而这种信心也定是来源于长时间的验证。 铂力特2020年推出了多款金属3D打印机。据官方介绍，铂力特于3月发布BLT-S450，可满足我国大推力重型运载液体火箭发动机关键部件大尺寸、复杂曲面精密结构成形要求，为航天液体动力领域高质量发展赋能；6月发布BLT-S600，突破了四光束联动扫描与拼接等关键技术，成形尺寸、成形精度处于国际先进水平；8月发布BLT-S510，首次在全球实现单向1000毫米级大尺寸金属3D打印，填补了国内外空白，达到国际先进水平。 BLT-S600市场价格1000万以上 除中国供应商获得较大订单之外，无支撑金属3D打印的领导者VELO3D，于今年6月宣布获得航空航天客户2000万美元的订单，这也是迄今为止该公司获得的最大订单。通过这三项市场行为，3D打印技术参考认为，航空航天领域对3D打印技术的应用正在进入快速发展时期。 9. Stratasys 1亿美元收购可编程光固化创业公司，完善聚合物3D打印体系； Stratasys公司以FDM技术起家，其基于该技术的工业级3D打印机在各行各业广泛使用， 在该市场具有领导地位。2012年，Stratasys与以色列Objet公司合并，从而将Polyjet技术收入囊中，基于该技术的彩色3D打印机具有业内最高的精度和最优秀的表面质量，继续奠定了其在业内的领导者地位。2014年，Stratasys 4亿美元收购MakerBot，弥补了其在大众消费级市场的短板。 然而，随着3D打印独角兽企业Carbon的崛起，CLIP、HARP等高速光固化制造技术受到广泛关注，并日益显示出批量制造的优势。本月，Stratasys宣布将以1亿美元（约合6.5亿人民币）的现金加股票，收购基于光固化3D打印技术来大规模生产零件的美国初创公司Origin，希望步入光固化树脂3D打印批量化生产的大潮流中。Origin凭借专有的高速P³技术，可以使3D打印尽可能的实现自动化和可扩展，同时提供针对速度和批处理进行了优化的打印技术和材料，以可预测的和具有竞争力的成本扩大规模。此次收购预计将于2021年1月完成，届时 Stratasys将 巩固其在聚合物和3D打印生产应用领域的领导地位。 10. 国际巨头2020营收喜忧参半，伴随大幅裁员 2020年上半年，3D Systems总收入2.468亿美元，与2019年上半年的3.093亿美元相比下降20％。即便第三季度有所好转，但前九个月营收仍比去年同期降低17.8%至3.81亿美元。在此情况下，3D Systems于二季度开始减少其运营及研发费用，并开始重组计划，以专注于其医疗保健和垂直行业，与公司新战略不符的业务部门将会被剥离。该公司希望将其运营成本降低1亿美元，作为重组计划的一部分，3D Systems计划裁员20％，希望明年实现盈利。截至目前，公司"战略再聚焦 "和削减成本的努力正在取得成效。 Stratasys在今年6月宣布，为减少疫情影响，将在全球范围内裁员10%以“精简”业务，即便必须支付约600万美元的遣散费，但此举以及其他降低成本的政策预计将为公司每年节省约3000万美元的运营费用。Stratasys在今年前九个月收入3.94亿美元，相比去年同期降低14%，公司业务自第三季度开始改善，自二季度为通用汽车安装了17台FDM打印机后，8月份又获得了公司有史以来最大的航空订单——为AM Craft安装4台F900系统。…

尽管3D打印汽车已经有了显著的发展，但要进入量产时代可能还需要一点时间。大多数3D打印汽车项目要么是原型车，要么是3D打印的汽车零件。而且尽管在优化、设计和可持续发展方面取得了相当大的进展，但3D打印技术仍然无法打印出整辆汽车。这种情况下，有人认为3D打印只是个噱头，在汽车工业的整套生产体系中存在的意义并不大，然而事实并非如此。 汽车行业已是3D打印最主要的应用市场 如今，汽车行业已经成为3D打印技术最为重要的市场。虽然仍旧不能大批量、低成本、高效率的制作出类似汽车三大件的核心零部件，但在其他方面，3D打印确实能起到很好的替代作用，在整车的生产链条中属于锦上添花一样的存在。 纵观所有应用，3D打印主要在三个方面发挥作用，分别是原型制作、轻量化、复杂最终用途部件以及工装夹具。 采用3D打印进行原型制作在今天仍然被广泛使用，它可以快速开发和测试不同的零件。因为可以制造多种具备不同机械特性的材料，这一优点被许多制造厂商应用到汽车内饰部件的产品设计及研发阶段的评估中。方向盘、仪表板、空调排气扇、汽车操纵杆等多种材料和工艺组成的零件，都可借助3D打印技术和设备实现原型制造。 聚合物3D打印材料可用于各种类型的汽车零件（来源：BASF Forward AM） 由于材料和技术的进步，3D打印近几年也被用于最终零件的生产，尤其是具有复杂结构的轻量化部件、因车辆停产导致的缺失备件以及定制化部件。根据Sculpteo的最新调研报告，在去年使用3D打印的公司中，有50%的公司是为了生产最终用途零件。 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。 日系企业也已经把3D打印作为王牌武器添加到他们的生产线里。在今年年初，本田的研发部门就与软件公司Autodesk展开合作，双方设计了一款曲柄轴部件并采用3D打印技术制造样品，从而实现车辆轻量化并提升发动机燃油经济性。因为曲轴部件的材料及制造工艺特殊性，曲轴整体结构自发动机诞生以来都没有发生太大的变化。如今，随着3D打印技术的应用，本田的设计方案相较前述产品减重30%，可以说是一项新的突破。此外，本田一直致力于使用3D打印技术及智能设计方案来优化汽车零部件的设计。迄今为止，本田对座椅安全带支架、发动机控制单元及车架等多类汽车零部件都进行了升级，也利用3D技术实现了车身零部件的轻量化。 奔驰3D打印的卡车恒温器 本田3D打印的曲柄轴 3D打印技术的采用可以提高产量并降低成本，同时也为大规模定制打开了大门。如今，OEM也可以提供个性化的零件，同时能够为汽车提供定制零件。保时捷在今年利用3D打印技术制造了全新形态的全桶式座椅，不仅更加符合人体工程学，还具有更轻的重量和更好的乘坐舒适性，可为量产车客户提供体验赛车运动的机会。保时捷计划在2020年限量生产40个3D打印定制座椅，用于保时捷911和718系列车型当中，搭配用于赛道的六点式安全带。保时捷收到这些客户的反馈后，将在2021年年中在个性化定制服务中推出。 工装夹具，是3D打印技术在汽车领域的另一个重要应用。相较于数控机床加工，3D打印夹具和固定装置所需的生产时间减少了75%，浪费的材料更少且不会增加操作复杂性，而且几乎可实现无劳力生产。2014年，大众集团葡萄牙工厂采购了7台FDM打印机进行工装夹具直接制造，将传统制造商完全甩开。现场制造的特点规避了很多不确定性，打印机的投资在两个月内快速回笼，并且制造成本大幅降低，也不再需要备件库存。更为关键的是，采用3D打印制造的夹具完全符合使用要求。2016年，葡萄牙工厂3D打印了约1000个工装零件，已成为整个大众集团的最佳实践。目前该工厂93％的工装夹具采取内部按需制造，节省时间并极具成本优势。因原型和工装夹具采用内部3D打印，该工厂在2016年节省了16万欧元的开发成本，2017年这一数据达到32.5万欧元，成本降低比例达91%；与此同时，其开发时间也减少了95%，大大加快了产品上市速度。 3D打印的机器人终端夹持器 大众集团采用3D打印制造的工装 将3D打印技术融入汽车生产制造过程中，这些案例只是冰山一角。宝马、大众、福特、本田等车企都在各自的设计中心探索着3D打印对汽车生产制造带来的更多可能性，相比于传统造车过程，3D打印技术可以为车企节省更多的成本，缩短研发到上市的时间。3D打印机可以24小时全天候工作，并且可以通过接收到的数据进行逆向生产，让整个汽车制造过程变得更加灵活多变，使汽车制造业变得更加高效。 3D打印改变电动车行业的“游戏规则” 对于电动车行业来说，3D打印或将"改变游戏规则"。目前，在电动车的推广上来说，消费者对于有限续航里程的担忧是一大障碍，而车辆变轻不仅能够改善燃油经济性，还能够延长车辆续航里程。 轻量化制造已经成为了汽车产业发展的重要方向，而3D打印技术的出现及应用，让汽车轻量化制造的目标变得更容易实现。以特斯拉为例，作为电动车市场绝对的领军企业，特斯拉似乎使用了一种多轴聚合物DED工艺将材料沉积在注塑成型零件的表面上，从而重新生成所需的形状。在金属覆层中，零件修复的类似做法在某种程度上很常见，但在聚合物零件生产中尚未见到。Stratasys和西门子（以及波音和福特）一直在研究这种3D打印硬件，主要用于沉积复合材料。   特斯拉Model Y一体成型车架，将原来70个零部件合为2个大件 特斯拉Model Y具有3D打印部件（上图左） 在此基础上，特斯拉汽车公司希望更广泛地采用3D打印技术来改进生产效率。日前，特斯拉发布了最新的招聘启事，为美国内华达州超级工厂招聘增材制造技术员，其中提及到了快速发展增材制造业务，可以看出特斯拉看好3D打印技术的潜力，未来将可能会投入更多的应用。 然而，特斯拉对自己使用的3D打印技术严格保密，但结构一体化与轻量化的结合是新能源汽车抢占技术发展前沿的一大努力方向。新能源汽车设计迭代快，产量大小存在波动，制造商对于创新生产理念的追求，使得新能源汽车的生产要在灵活性和生产率之间取得平衡。而采用3D打印技术制造整车，在人们觉得疯狂的同时，却已经走下生产线。 意大利XEV是全球增材制造（3D打印）的领头羊，是一家“互联网+工业4.0+智能电动汽车”的新兴造车公司。团队由来自宝马、大众等知名车企。XEV开创性的将3D打印技术应用到汽车研发和生产中，以达到降低造车成本，满足高度定制化需求的目的。 XEV创新型汽车工厂的核心为智能增材生产解决方案，通过多台汽车级智能3D打印机的配合，达到环保高效以及低成本的汽车3D打印生产线。XEV创新型汽车工厂相比传统的汽车生产线，可将成本和新车研发时间减少多达90%。 XEV旗下LSEV电动汽车的每个部件采用3D打印需要花费的时间 2019年3月，XEV与韩国济州的JMC公司签订了世界首个汽车级增材汽车生产合同，这一智能生产解决方案包含了50台3D打印机和4个后处理站，总价超过300万欧元。2020年4月，XEV与中国富路集团成立合资公司，后者将以制造经验与精益生产工艺为XEV提供稳定且高品质的产品输出，充分围绕3D打印技术，打造完整汽车生态圈，协助提升XEV在欧洲市场占有率，巩固XEV在新能源方面的强势地位。合作合资以后，率先推向欧洲市场的是富路集团首批100台产品“北汽小猫”。 XEV的另一款最新产品YOYO，全身采用3D打印技术制造，尽管只是首批试制车，YOYO目前已获得多项认证。作为全球首台量产化3D打印新能源汽车，其最大的特点就是安全性。3D打印的复杂结构可提升零件的强度，同时也会提升整车的安全性和可靠性。 YOYO新能源汽车 XEV 的目标是改变用户城市内出行的通勤方式，通过创新的增材制造方式，达到产品的个性化定制，最终改变用户的出行习惯以及生活方式。据悉，首批YOYO新能源汽车将于今年12月底交付，在欧洲的预订已经超过34000台。此外，XEV在香港、上海均设有研发中心和商务机构，旨在于2025年成长为中国年出口量最大的新能源汽车企业。在北京摇到号的小伙伴会不会购买这台仅重550公斤的3D打印汽车呢？ END 使用3D打印技术，可以更好地满足车企的需求。在竞争激烈的汽车制造行业，已经有越来越多的制造商采用3D打印技术在大批量生产前低成本的测试产品和制造定制化的配件。虽然现今阶段主流的3D打印技术只停留在样品生产阶段，还不能进入大规模生产环节，但仅在样品试制阶段，就已经为企业节省了不少成本及时间。相信在未来，3D打印势必会给造车行业带来重大突破，类似YOYO这样的量产型3D打印新能源车将越来越普遍的出现在购车清单之中。 注：本文内容由百姓评车原创，3D打印技术参考再编辑，转载已获授权。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 2.3D打印对汽车制造的内外驱动力及当今汽车增材制造市场 3.奥迪实现高效3D打印产出的应用经验 4.德国推动汽车产业金属3D打印工业化集成 增强制造业强国地位

自SLM Solutions正式发布其下一代12激光金属3D打印机之后， Additive Industries以及3D Systems随即也公布了多激光金属3D打印机的研发进程。而多激光的概念早就超越了我们的传统认知，向着5激光、8激光甚至更多数量发展。到目前为止，从事该技术开发的企业和机构明确的已有五家。本期，我们一一介绍他们的技术亮点，并在最后对比国内玩家当前金属3D打印机发展关注的重点。 Fraunhofer——5振镜、可扩展的下一代金属3D打印技术 弗劳恩霍夫基于粉末床的金属3D打印技术新型加工解决方案是其FutureAM项目的一部分。该项目于2017年11月推出，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍，重点呈现从订单到完成金属3D打印组件的数字和物理增值的整体视图，目标是向增材制造的新一代技术迈进。该项目截至本月结束，所有课题均取得了技术上的飞跃。 基于此所开发的原型机集成了五个激光扫描系统，其最大制造尺寸为1 m x 0.8 m x 0.5 m。为了提高系统的生产率，Fraunhofer采用了扫描振镜和线性轴系统的同步运动（也即光学系统可移动），这便为打印尺寸的可扩展提供了可能。这也是与其他品牌的产品相比最大的亮点，从此，基于SLM工艺的金属3D打印技术的成型尺寸可能不再受限制。 Fraunhofer 多激光3D打印的下一代劳斯莱斯发动机的演示器组件 SLM Solutions——12激光、双向铺粉、大层厚烧结工艺的搭配 SLM Solutions 12激光设备的上市对于整个制造业尤其是金属增材制造行业来说无异于一场技术革命，具有里程碑式的意义，它必将引起一系列的追赶浪潮。配备12台1千瓦的激光器和0.6 x0.6 x0.6 mm的成型舱室，新设备比SLM 280单激光设备快了20倍；同时使用光学变焦等创新技术、全新优化的风场舱室设计以及成熟的烧结多孔风墙专利技术，使其能够达到最佳的生产效率和稳定性。 除了激光数量的增加，该设备同时配备双向铺粉和大层厚烧结工艺，三者的配合无疑会带来一场关于打印速度的革命，使打印速率提高到1000ml/h及以上成为现实。 为了便于将新设备集成到工厂和供应链中，SLM Solutions还将自动成型缸替换、自动打印开启以及外部预热站和外部除粉站等自动化功能集成其中，在提高生产效率和降低人的参与的同时，使其更加满足工业自动化的发展要求。 新设备打印的大尺寸IN718中框组件，φ560*427.5mm Velo 3D——8激光、一键式校准、可质量追踪的无支撑SLM解决方案 Velo 3D是业内第一家推出商业多激光金属3D打印机的企业，这家公司能够像往常一样备受关注，仍然是其解决了该技术所固有的多个痛点。配备8台1KW的激光器，成型尺寸保持了一贯的光学设计、重复涂铺技术、气流技术和计量系统等体系结构，Flow预处理和Assure质量控制软件也集成在内。 Velo3DSapphire XC3D打印机 Velo 3D最亮眼的技术除了无支撑外，还包括预检和自动校准功能，系统在设备打印前会对光斑、激光叠加精度、窗口镜、传感器等进行预检和自动校准，在打印过程中也会时刻跟踪每一层的关键参数，如粉末平整度、熔池数据等是否符合规格。这些措施相比其他品牌极大保证了制造的安全度，同时降低了操作人员对设备调试能力的要求；其质量追踪系统可以逐层提取和跟踪数据，监视构建过程的任何缺陷，确保生产质量，并最终提供详细的构建报告。 Sapphire XC配备Velo3D集成化的解决方案 Velo 3D要解决的是一切在生产中遇到的设备操作、打印失败、后处理以及后检测的难点，让金属3D打印更方便、更进一步、更低成本的落地应用。 3D Systems——受美军方委托开发世界上最大、最快、最精确的金属3D打印机 如标题所示，3D Systems在美国陆军研究实验室（ARL）作战能力发展司令部处获得了1500万美元的机器开发合同，所设计的金属3D打印系统配备9台激光器，成型尺寸达到1m x 1m x 0.6 m。美军方希望将其用于满足武装部队的弹药、地面车辆、直升机和导弹防御需求。 3D Systems大型设备的关键器件源于其成熟的DMP打印机技术 上月，新系统的第一份测试打印已经完成。该机器的光学系统能够为九台激光器中的每一台提供单独的熔池监控系统，从而改善零件质量控制。由于采用了几乎相同的光学系统，新机器能够利用公司现有的材料工艺库。3D Systems还将六台高对比度单镜头反光（SLR）摄像机集成到机器的构建室内，从而可以进行现场监控。除了粉末床图像外，该系统的固件还可以捕获传感器数据、位置数据和熔池数据，并将所有数据整理到SQL数据库中，以待全面了解零件质量。 3D systems DMP Inspection自动执行数据分析 与传统的PBF技术不同，新设备采用了选择性粉末沉积工艺，仅通过在需要的地方沉积材料，因此可以减少在打印非常大尺寸零件时所需要的金属粉末的用量。与其他品牌的不同之处还包括，新设备使用真空构建室，氧气含量可保持在25ppm以下，氩气的消耗大约相当于其他类型金属3D打印机的十分之一，从而使零件具有较高的化学纯度，显著降低机器运行期间氩气的总购买成本，并通过提高粉末的可重复使用性来节省总成本。 Additive Industries明年推出10激光金属3D打印机 Additive Industries虽被我们提及不多，但它的实力不容小觑。这家荷兰3D打印机制造商在2015年就推出了大型设备，并在汽车和航空航天获得应用。 近日，该公司公布了其在研产品的研究进展，新型MetalFAB-600配备10台1kW激光器，建造尺寸为0.6 m x 0.6 m x 1 m，打印速度可以达到1000ml/h。新打印机还将实现关键生产流程的自动化，如粉末处理、激光对准和校准，以最大程度地提高机器产能。 Additive Industries上一代MetalFAB1 打印机 MetalFAB-600将于2021年底正式推出，主要面向传统的铸造和机械加工行业。…

如果你以为3D打印还没有搞明白却去搞什么4D打印，并对其嗤之以鼻，那一定小看了这个概念。4D打印技术自2013年提出以来就引起了学术和工业界的广泛关注，它属于智能构件的增材制造技术，是在材料、机械、力学、信息等学科高度交叉融合基础上产生的颠覆性制造技术。华中科技大学史玉升教授团队在该领域已经进行了大量研究，当属国内在该领域的研究先驱，本文将展示他们在4D打印概念、研究进展及应用领域的部分见解。 01 4D打印技术研究概况 4D打印技术是3D打印在三维坐标轴基础上增加了“时空轴”，也应当归入增材制造技术的范畴。2013年1月到2019年12月，WebofScience统计了关于4D打印技术的研究论文发表情况，从中可以看出关于4D打印的论文发表数量逐年增多，论文引用量也在逐年增多；关于4D打印的研究主阵地在美国，中国紧随其后，论文发表数量大约只有美国的一半。而目前研究4D打印的工艺以现有常见的3D打印工艺为主，主要有FDM、SLA、墨水直写、喷墨打印、DLP、SLS以及SLM技术。 Web of Science 关于4D打印研究论文发表的统计数据 尽管在4D打印领域已有比较多的研究，但4D打印的概念与内涵还存在争议：是“3D打印+时间”，还是“3D打印+智能材料”？抑或“3D打印+智能材料/结构”？众说纷纭，尚未达成共识。4D打印是否“只能看、不能用”？应当以什么思路进行研究？现在发展到什么程度？今后又该从哪些方面入手研究，这些都是4D打印领域的研究者迫切想知道的问题。 02 4D打印技术内涵不断丰富   4D打印的概念最初是由美国麻省理工TIBBITS教授在2013年的TED大会上提出，他将一个软质长圆柱体放入水中，该物体自动折成“MIT”的形状，这一形状改变的演示即是4D打印技术的开端，随后掀起了研究4D打印的热潮。4D打印在提出的时候被定义为“3D打印+时间”，即3D打印的构件，随着时间的推移，在外界环境的刺激(如热能、磁场、电场、湿度和pH值等)下，能够自驱动地发生形状的改变。由此可见，最初的4D打印概念主要体现在现象演示方面，注重的是构件形状的改变，并且认为4D打印是智能材料的3D打印，关键要在3D打印中应用智能材料。 MIT 4D打印的功能结构 随着研究的深入，4D打印的概念和内涵也在不断演变和深化。2016年，华中科技大学史玉升教授组织国内的有关专家，在中国武汉召开了第一届4D打印技术学术研讨会，提出4D打印的内涵，即增材制造构件的形状、性能和功能能够在外界预定的刺激下，随时间发生变化。推动了4D打印技术由概念向内涵方向发展，相比于最初的4D打印概念，新提出的内涵表明4D打印构件随外界刺激的变化不仅仅是形状，还包括构件的性能和功能，这使得4D的内涵更丰富，有利于4D打印技术从现象演示逐渐走向实际应用，只有性能和功能发生了变化才满足功能化、智能化的定义，才具备应用价值。 华中科技大学4D打印柔性磁电器件流程示意图 然而，史玉升教授团队发现上述新提出的4D打印内涵仍然存在一定的局限性，尚未完全揭示4D打印的内涵。为此，他们随后每年举行一次4D打印技术大会进行讨论和交流，通过持续交流讨论认为，4D打印不仅是应用智能材料，还可以是非智能材料；也应当包括智能结构，即在构件的特定位置预置应力或者其它信号；4D打印构件的形状、性能和功能不仅是随着时间维度发生变化，应当还能随空间维度发生变化，并且这些变化是可控的。因此，进一步深化的4D打印内涵注重在光、电、磁和热等外部因素的激励诱导下，4D打印构件的形状、性能和功能能够随时空变化而自主调控，从而满足“变形”、“变性”和“变功能”的应用需求，这“三变”中只要实现了其中一个，便认为是实现了4D打印。今后，随着4D打印研究的持续深入，其内涵也必将进一步得到升华。 03 4D打印技术的应用场景   4D打印技术是在材料、机械、力学、信息等学科的高度交叉融合基础上产生的颠覆性制造技术，是制造复杂智能构件的有效手段。因此，4D打印技术具备广阔的应用前景，必将推动高端制造领域的发展。 1. 航空航天领域 4D打印技术不仅可解决航空航天领域部分构件结构复杂、设计自由度低、制造难的问题，而且其“形状、性能和功能可控变化”的特征在智能变体飞行器、柔性变形驱动器、新型热防护技术、航天功能变形件等智能构件的设计制造中将展现出巨大的优势。下面以航空领域的智能变体飞机和航天领域的人造卫星天线为例阐述4D打印技术在航空航天领域的典型应用。 美国国家航空航天局提出的智能变体飞机的概念设计 美国国家航空航天局提出一种未来的智能变体飞机的设计构想。该智能变形飞机的外形可随外界环境而产生自适应变化，能保持整个过程中性能最优，舒适性高同时成本降低。飞机在巡航、起飞、降落和盘旋的时候，可以自动响应环境的变化分别变形至最佳形状，以获得各种状态下最优异的性能。比如，适当改变展长可以使得升阻比提高，从而增大航程和航时；改变弦长可以优化升阻比，提高飞行速度和机动性；改变机翼的弯度可以增强飞机的机动性。这是4D打印在航空领域典型的、极具前景的应用。 形状记忆合金成形的人造卫星天线 4D打印技术还可用于成形折叠式卫星天线。形状记忆合金是一种具有变形回复能力的智能金属材料，常用于4D打印工艺，用来成形结构复杂的智能构件，这种折叠式的卫星天线就是一例典型应用。当卫星在地面尚未发射时，将用形状记忆合金丝4D打印成形的天线在冷却条件下揉成团状，等卫星发射后进入太空，天线受到太阳的辐射而温度升高，即能回复到原来的初始形状。这种4D打印的折叠式可展开天线可具备复杂的空间结构，其性能能够人为定量控制，这是传统制造工艺无法实现的。并且天线可以在发射前以折叠的形式放在卫星舱体内，使得卫星的空间可以得到很好的利用，关键是相对于传统卫星的太阳能电池板和天线，折叠式天线还具备体积小、重量轻的优点。 2.汽车领域 在汽车领域，智能自修复材料可以大显身手。汽车凭借智能材料，可以“记住”自身原来的形状，甚至可以在汽车发生事故后实现“自我修复”的功能，还可以改变汽车的外观和颜色。4D打印构件组成的汽车会具有可变的外形，比如可调节的天窗和扰流板，汽车可以根据气流改进其空气动力学结构，提升操纵性能。丰田公司采用TiNi基形状记忆合金成形散热器面罩活门，当发动机的温度低于形状记忆合金的响应温度时，形状记忆合金弹簧处于压缩状态，则活门关闭；当发动机温度升高至响应温度以上时，弹簧则为伸长状态，从而活门打开，冷空气可以进入发动机室内。 记忆合金温控器 3. 生物医疗领域 生物支架经常用在外科手术中。如血管支架，起到扩充血管的作用。我们希望支架在植入时所占空间较小，处于收缩状态，当植入到指定位置时再撑开以实现扩充血管的功能。支架一般是多孔结构，这些特点使得4D打印技术尤其适用于生物支架的成形。采用光固化成形的具有形状记忆功能的气道支架，从临时形状到永久形状(功能实现)的形变过程仅需要14s。除了生物支架，接骨器也是4D打印技术的重要应用，和生物支架具有相同的形状记忆原理，4D打印形状记忆合金得到多臂环抱型锁式接骨器，形状记忆合金在温度刺激下发生变形，撑开以实现骨骼的固定。 4D打印技术在生物医疗领域的应用 4. 软体机器人领域 软体机器人也是4D打印技术的典型应用之一。软体机器人广泛采用仿生结构设计技术，模仿自然界中的软体动物，由可承受大应变的柔软材料成形，可以在大范围内任意地改变自身形状和尺寸，具有无限多自由度和连续变形能力。4D打印软体机器人不需要复杂的驱动机构，并具有多种功能属性，包括传感、自修复和自组装等功能。哈佛大学在2014年采用高弹性硅胶材料成形的仿海星软体机器人，利用压缩空气提供软体机器人运动的驱动力；利用橡胶材料成形的气动肌肉可通过气泵对肌肉充气促使其发生形变。采用光固化成形的形状记忆光敏树脂，可通过加热至材料的玻璃化温度以上，具有形状记忆效应的高分子由于弹性势能的释放能从临时形状回复至初始形状，从而实现一个抓取的动作，实现了软体机器人的雏形。 哈佛大学4D打印的16脚软硬质弹性体功能机器人 04 结论与展望   4D打印在3D打印的基础上引入了时间和空间的维度，通过对材料和结构的主动设计，使构件的形状、性能和功能在时间和空间维度上能实现可控变化，满足变形、变性和变功能的应用需求。3D打印技术要求构件的形状、性能和功能稳定，而4D打印技术要求构件形状、性能和功能可控变化。4D打印这种极具颠覆性的新兴制造技术在航空航天、汽车、生物医疗和软体机器人等领域具备广阔的应用前景，由此可知4D打印不只是“能看”，而且要“能用”。对4D打印的深入研究必将推动材料、机械、力学、信息等学科的进步，为智能材料、非智能材料和智能结构的进一步发展提供新的契机。 注：本文内容来自史玉升教授《4D打印——智能构件的增材制造技术》。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.史玉升教授团队4D打印仿生结构，实现传感-执行一体化 2.哈佛：多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统实现功能器件制造 3.3D打印磁性活化材料—赋予材料生命力 4.生物组织工程技术的变革—体积打印技术 --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。

​据11月30日工信部官方网站发布的消息，2020年1-10月，全国规模以上增材制造装备制造企业营业收入80.6亿元，同比增长13.7%，实现利润总额7.8亿元，同比增长160%。 另，2020年1-10月，全国工业机器人完成产量183447台，同比增长21%；全国规模以上工业机器人制造企业营业收入396.2亿元，同比增长2.3%，实现利润9.2亿元，同比下降58.6%。2020年10月，全国工业机器人完成产量21467台，同比增长38.5%。欧美疫情期间，中国3D打印机出口量暴涨。中国最大的B2C跨境电商平台全球速卖涌数据显示，疫情期间平台上3D打印机销售额同比去年翻了一番。在全球供应链受疫情影响下，速卖通上中国制造的3D打印机热销，为稳定供应链提供了可供尝试的新路径。另一家来自深圳的企业纵维立方也面临同样的情况:尽管4月已开始增加海外仓备货，但海外仓近日也已被抢购一空。纵维立方销售总监冯可表示，该公司的3D打印机九成销往美国、德国、法国、西班牙、意大利等市场，海外订单在疫情发生后开始快速上升，“往年同期大概一个月也就1万多台，而现在一个月2万多台，翻了一倍。我们预计今年全年的销售也将翻番。”国家统计局数据显示，受海外热销提振，一季度中国3D打印设备产量同比增长了87.7%，而4月份这一增速进一步攀升至344.7%，7月份为351.9%，到9月份的增长幅度也在70%以上。国内的3D打印机生产企业主要位于珠三角的深圳、东莞和长三角地区，外贸基础雄厚，在疫情中普遍呈现逆势上扬的趋势。3D打印销售如此火爆的重要原因，是因为3D打印为解决全球供应链难颗提供了全新可能性。全球速卖通总经理王明强表示:全球供应链主要以传统的线下渠道为主，疫情期间，海外大量工厂关闭，线下流通渠道受限，但线上跨境渠道是畅通的，于是很多人在速卖通上买3D打印机打印口罩、汽车零件，甚至打印飞机零部件。1-10月，全国规模以上增材制造装备制造企业营业收入80.6亿元，消费级3D打印机势必占据很大比例。 因此看来，即便在疫情影响的大背景之下，工业级和消费级3D打印都获得了极大发展。 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738

清华新闻网12月1日电 11月27日，清华大学机械工程系助理教授赵沧与卡内基梅隆大学和弗吉尼亚大学的学者合作发布了关于金属激光3D打印的最新成果。该项研究起于宏观工艺，立于微观细节。宏观层面上，在激光功率-扫描速率空间中，匙孔气泡缺陷区域的边界清晰而平滑，且受金属粉末加入的影响甚微。在微观层面上，这些气泡缺陷的形成与匙孔根部的临界失稳有关；后者可以在熔池中释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔、并被凝固前端捕捉。 关于匙孔气泡区边界和气泡缺陷起源的艺术插图。左侧，在激光功率-扫描速率空间中，匙孔气泡区边界清晰而平滑。右侧，在该边界附近，匙孔根部的临界失稳释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔。当气泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。（插图设计者：清华大学冯叶；版权所有者：清华大学赵沧） 激光粉末床熔融成形是金属3D打印中广泛使用的一门技术。在一个典型的成形过程中，基于一个离散化的三维数字模型，高功率激光快速扫过一层金属粉末颗粒（厚度为几十到一百微米），有选择性地将粉末颗粒熔化和融合。因此，该技术在复杂几何结构零部件的直接制造方面具有无与伦比的优势。但是，气泡总是如影如随，损害零部件的抗腐蚀、抗疲劳性能，因此，往往在尖端应用领域（如航空发动机涡轮叶片）成为阿喀琉斯之踵。一般认为，在激光粉末床熔融成形中，激光加热处于传导模式，而匙孔的广泛存在性直到2019年初才被揭示。这意味着，匙孔作为气泡缺陷的一种可能来源，不可被忽视。 该研究围绕匙孔气泡缺陷展开，主要回答了三个问题。其一，匙孔气泡区的边界是否可以被清晰定义并且具有重复性？在激光粉末床熔融成形中，“激光功率-扫描速率”工艺图谱将产品质量（如相对密度）与工艺参数（亦包括扫描间距）直接联系起来，便于3D打印机的用户查询和参考。然而，在该图谱中，几个关键部分仍然缺失，以至于无法准确确定打印工艺的优化窗口，其中一个就是匙孔气泡缺陷区域的边界。该边界将划分出稳定熔化区和匙孔气泡区，而全致密成形仅存在于前者。其二，金属粉末颗粒的作用？一般认为，粉末颗粒的存在会产生更大的匙孔涨落和更多的气泡。但是，该认识一直停留在定性的描述上，粉末颗粒的作用缺乏定量化的评价和分析。其三，匙孔气泡缺陷的起源？目前的知识边界：匙孔气泡的产生与匙孔的孔壁失稳有关；匙孔的根部在多种力（比如马兰戈尼对流、反冲压力等）的综合作用下被掐掉，如果被凝固前端钉扎，便成了一种微观缺陷。该理解相对宽泛而缺乏细节，有必要深究，特别需要关注匙孔气泡区边界附近气泡的形成和最初的运动。 关于匙孔气泡缺陷的起源，该研究结果揭示了两种机理。第一种与声波（冲击波）有关，广泛存在于整个匙孔气泡缺陷区域的边界附近。如图1所示，匙孔根部的临界失稳释放出声波（冲击波），驱动气泡快速远离匙孔。此外，在匙孔气泡区边界的低端共存着第二种机理。匙孔剧烈涨落（特别是回缩，在粉末颗粒存在的情况下尤甚），为气泡创造出足够的时间以等待凝固前端的捕捉。在等待的过程中，气泡可能被局域的熔体流动产生的拖拽力加速并远离匙孔。这项工作为未来无气泡全致密金属激光3D打印提供了理论支撑和技术支持。 该研究工作以“激光加热中匙孔根部的临界失稳产生气泡缺陷”（Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting）为题发表在《科学》（Science）。论文独立第一作者为清华大学机械工程系和先进成形制造教育部重点实验室的赵沧。论文共同通讯作者为清华大学的赵沧、卡内基梅隆大学的Anthony Rollett和弗吉尼亚大学的Tao Sun。论文合作者还包括阿贡国家实验室和犹他大学的研究人员。该项工作得到了机械工程系都东教授团队的支持和清华大学人才引进经费的资助。 赵沧，清华大学助理教授、博士生导师，机械工程系都东教授团队成员。主要研究方向为金属增材制造关键机理的探索，完成了美国先进光子源金属增材制造同步辐射在线监测平台的设计和研制，并深入研究了匙孔演化、液滴飞溅、匙孔气泡等基础问题。此前，严格定义了激光加热的三种模式，指出了增材制造中匙孔的广泛存在性，并且发现了一种新的快速飞溅机理。在本项研究中，又确立了匙孔气泡缺陷区域的边界，发现了一种新的气泡缺陷起源机理，代表性论文发表在《科学》（Science）和《物理评论X》（Physical Review X）上。 主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738