7月12日，美国GE航空集团在举办的百年庆典活动中，宣布旗下的GE9X发动机凭借单发超过60.9吨的推力获世界新吉尼斯记录。该发动机集成了GE航空集团在过去十年中开发的先进技术，其中包含增材制造的零件304个，是新一代商用发动机家族中的巅峰之作。本期3D打印技术参考详细讲述GE9X发动机中3D打印产品的甄别与开发过程。在LEAP发动机上取得的成功，促使GE航空对发动机生产技术和材料选择发生了系统性变化。GE9X作为一款巨大的高旁通比涡扇发动机，拥有304个3D打印的零件，首次将多种材料和打印工艺投入到单一航空发动机的生产中。基于此，GE航空建立了第一个增材制造技术工业化航空航天供应链。▌七大部件、304个零件的甄别GE9X中七个增材制造部件分别是：燃油喷嘴 T25传感器外壳热交换器 粒子分离器5级低压涡轮(LPT)叶片6级涡轮(LPT)叶片 燃烧室混合器识别出适用于增材制造的GE9X组件是非常复杂的。基于LEAP发动机的成功经验，GE9X首先选用了高度集成的3D打印燃油喷嘴，该部件也是代表工业增材制造巨大潜力的首要案例。GE9X发动机喷油嘴GE9X的燃油喷嘴与LEAP发动机基本相同，该部件也是GE航空公司为发动机应用确定和开发的第一个3D打印部件。然而，该公司在打印首批燃料喷嘴头之前，首先为超过400台GE90发动机打印过T25传感器外壳，它是第一个获得FAA认证的增材制造飞机发动机部件。T25传感器外壳位于高压压缩机的入口处，用于保护传感器电子元件免受冷却气流的冲击，从2015年开始被装配在GE90-94B喷气发动机上。因此在GE9X的3D打印部件甄别过程中，燃油喷嘴和T25传感器外壳成为第一批被选择的部件。T25传感器外壳GE9X热交换器和粒子分离器的选择则不同。热交换器传统上由数十根细金属管焊接组成，用于GE9X的3D打印热交换器具有完全不同的外形，其中包括优化的通道和充分利用3D打印设计自由开发的复杂内部几何形状，通过一体打印而成，大大提高了热交换效率。3D打印的热交换器，从多个零件到单一零件粒子分离器的作用是排出发动机中的灰尘、沙子等杂质，能够提高发动机耐久性。该部件以前从未在GE商用喷气发动机中使用，制造难度很大。GE9X粒子分离器采用了区别于传统的设计方法，工程师通过3D打印将多个部件组合成了一个单元。热交换器和粒子分离器的3D打印一体化制造显示了GE航空制造转型的巨大努力，而采用该技术进行涡轮叶片的制造则是一次巨大的飞跃。▌TiAl合金涡轮叶片，3D打印航空应用的飞跃LPT叶片的3D打印制造非常困难。叶片采用TiAl合金，相比传统使用的镍基合金轻50％左右，具有更加优异的强度重量比。由该材料制成的叶片，会使整个低压涡轮机的重量减少20％，同时将使GE9X提高10％的推力。考虑到燃料占航空公司运营成本的比例达到25％，TiAl合金的性能便体现出极大的优势。GE9X发动机低压涡轮TiAl合金叶片此前，TiAl合金叶片通过铸造+精加工的手段完成制造，这种方法的缺点在于模具制造周期太长。然而，该材料的3D打印也同样面临问题，它在激光打印时存在严重的应力开裂问题。而EBM技术被证明可以比激光更高的效率来加工这种材料，每层高达1000°C的预热温度最大程度的避免了应力产生。意大利Avio Aero公司基于在TiAl 3D打印方面的成功经验，而被GE公司收购，专门进行TiAl合金叶片的打印。EBM可对每层粉末实现高温预热远远超过SLM的预热温度Avio Aero 3D打印工厂拥有30台大型Arcam A2x打印机，每台打印机配备3千瓦的电子束，可同时生产六个15.75英寸的叶片。到今年年底，将有50台机器主要用于LPT叶片生产。此前采用铸造工艺制造叶片时，往往会提前一年半甚至两年开发模具，3D打印无疑节省了供应链成本。Avio Aero的Arcam A2x打印机▌多部门间的通力合作在为GE9X 3D打印的七个部件、304个零件中，除LPT叶片和热交换器外，其他零件均是采用钴铬合金由Concept Laser M2打印制造，主要是由GE增材制造技术中心（ATC）和奥本工厂负责生产。ATC研发中心的Concept Laser打印机ATC拥有上百台金属3D打印机，其中18台固定用来打印钴铬合金零件，还有一些用来生产热交换器的F357铝合金。然而ATC毕竟属于研发部门，更多的生产任务还是需要工厂承担。从左到右：ATC研发中心现场负责人GE航空材料工程负责人GE航空设计工程负责人ATC航空增材制造集成产品团队总经理奥本工厂同时也负责LEAP发动机燃料喷嘴的制造，其每周800个喷嘴的产量在当前增材制造的行业现状下已经属于完全工业化的大批量制造，而且其产量还会在今年翻倍增长。此外，从LEAP发动机获得的大批销量订单来看，奥本工厂未来的生产任务将更加繁重，目前ATC的一些设备正在搬往奥本工厂。ENDGE9X是GE航空首次将多种金属材料3D打印用于航空应用，但这些零件需要与其他传统方式制造的零件一样经过严格的测试，符合相关标准才能获得使用。对于一种新工艺来说，标准非常重要，美国联邦航空局和研发中心的工程师正在一起探索，大批量应用的存在无疑会推进相关标准的制定进程。关于航空应用中设备、材料、工艺等的相关认证，可以查看《关于增材制造的航空认证问题》。GE9X认证测试GE9X发动机是波音777X客机的动力引擎，是世界最大的商用航空发动机，其推力是许多战斗机的几倍，甚至超过了美国首次载人航天飞船中使用的火箭“水星-红石3号”的推力。如此强劲的推力也意味着飞机制造商可以更加轻松开发更大更重的客机衍生型号。目前，GE9X已获得来自8家客户的700多台订单。欢迎转发延伸阅读：新一代增材制造 : 金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功专门的增材制造业务部门对整个公司采用新工艺的重要性深度：增长再次加速？公司开启3D打印战略的路径与建议复制联系笔者：2396747576技术交流QQ群：867355738，所有资料均在群文件夹 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者

此前我们印象中金属线材这类有别于纯聚合物的材料往往只能使用如Markforged MetalX和Desktop Metal Studio这样的专用金属FDM系统进行打印，而近日巴斯夫推出的新款316L不锈钢线材则将其适用性拓展至普通的FDM打印机，这使得金属打印变得更易触及，而且其金属含量比目前常规使用丝材的比例都要高。本期，3D打印技术参考对该产品进行介绍。▌材料特点与打印条件新型的Ultrafuse 316L线材由超细不锈钢粉和聚合物混合而成，与标准热塑性线材相同，其线径分为1.75mm和2.85mm两种，在打印过程中线材内的聚合物充当粘结剂，打印完成的部分称之为生坯。其中的主要聚合物成分在催化脱脂过程中会被除去，剩下的部分则由纯金属颗粒和残余粘结剂组成，接下来会在稍低于金属熔点的温度下进行烧结形成最终的金属零件。巴斯夫号称该材料在传统的开放式FDM设备上均可以打印，其官方给出的打印条件如下：●挤出温度：230 - 250°C●加热温度：100 - 120°C●丝材直径：1.75mm●单盘重量：3kg●打印速度：15 - 40mm / s●零件冷却：无该材料在Ultimaker S5打印机上面进行了实验并取得了成功，基于该打印条件，国产FDM也有很多型号能够满足使用。而且此类设备相对于专业的Markforged和Desktop Metal肯定要便宜很多。打印条件设置▌高金属含量，高性能此前市面上的金属线材中金属的含量普遍在50-80％，Metal X线材中金属粉末、蜡和树脂的组分比例为60:20:20，而Ultrafuse 316L的金属含量则达到了90％。高金属含量意味着降低了产生缺陷的风险、提高了成功率。巴斯夫采取了一些措施来确保在生产过程中均匀分布金属颗粒，使每个粉末颗粒都可以被一定量的聚合物包裹。这对于减少挤出过程中的不均匀流动、提高表面质量和可靠性具有重要意义。此外，高金属含量也意味着具有更高的性能，笔者对比了Ultrafuse 316L与Desktop Metal 316L不锈钢的性能数据，发现前者在拉伸强度、断后延伸率和致密度方面均优于后者。然而两者的使用成本却不可同日而语。Desktop Metal 316L官方性能数据巴斯夫Ultrafuse 316L官方性能数据在烧结过程中，Ultrafuse 316L的XY轴的收缩率约为20％，Z轴的收缩率约为26％。放大收缩比：X/Y=1.2 ; Z=1.26▌新材料的适用领域巴斯夫3D打印解决方案总经理表示，其公司的目标是开发一种高质量的金属丝材，使金属部件的3D打印变得更容易、更便宜、更快速、更易获取。基于FDM的金属打印在以下领域可发挥价值：●功能原型●装饰件●近表面冷却的工装和模具嵌件●具有高耐腐蚀性和韧性的非磁化零件●手表●医疗设备●食品化工零件●轻质空心件和填充件在Ultrafuse316L推出之前，金属丝材的打印几乎只能通过上文提到的两家制造商实现，其入门级的工业机器和材料对于普通用户来说仍然是一项昂贵的选择。而从材料方面入手，对现有的FDM打印机进行适当的升级，便可以使小规模的工业金属打印变得更加经济实惠和更加容易获取。END客观的说，金属FDM打印也有弊端，即后续的脱脂和烧结过程。往往办公室生产的名头非常诱人，但后续的两步重要操作是否只能外协完成，如果要采购设备，固定的投入也会较大。此外，FDM打印的金属材料在性能方面与SLM相比还是会存在质量差异，这因此限制了其应用范围。而且巴斯夫也表示，尚不确定使用相同的设备、材料、工艺，金属线材能否达不同批次间性能的均一稳定。但无论如何，Ultrafuse316L的推出仍然是很大的进步。关于金属FDM的更多内容，请查看延伸阅读，本文不再综述。欢迎转发延伸阅读：基于烧结工艺的金属增材制造工作原理基于烧结和熔化工艺的金属3D打印成本结构对比由Markforged Metal X了解金属桌面3D打印机的应用特点Desktop Metal金属桌面打印机---DM STUDIO解析复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：普通FDM即可打印金属线材：巴斯夫优化新材料配方

近两年，我们经常会看到包括央视在内一些媒体报道“XXX团队完成世界首例、国内首例、XX市首例3D打印辅助、置换XX手术”，看的多了，思想意识会从震惊、喜悦变至…..着急。因为3D打印技术发展已逾30年，但直到今天依然被当做新奇事物被报道，这说明3D打印还未实现大规模的临床应用。上周，国内第一批定制式医疗器械团体标准正式实施，这预示着我国医疗3D打印应用开始走上快车道。▌回顾3D打印医疗发展进程在2017年，十二部委就联合制定《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》(以下简称《计划》。其中将“3D打印+医疗”内容列为重点任务之一。《计划》中指出：针对医疗领域个性化医疗器械（含医用非医疗器械）、康复器械、植入物、软组织修复、新药开发等需求，推动完善个性化医用增材制造产品在分类、临床检验、注册、市场准入等方面的政策法规，研究确定医用增材制造产品及服务的医疗服务项目收费标准和医保支持标准。其中还提到行业应用显著深化，推动增材制造在航空、航天、船舶、汽车、医疗、文化、教育等领域实现规模化应用。盘点国外3D打印发展状况就会发现，在3D打印医疗应用领域中，萌芽期的产品还在萌芽，过热期的产品也没有如预期般迎来成熟，3D打印植入物也没有迎来过热期，而在相对平缓的发展。近几年，国内3D打印在医疗领域的应用取得了哪些突破？据动脉网统计，国内外涉及医疗3D打印的企业一共有78家。其中涉及口腔类3D打印的企业共20家；骨科植入物企业14家；生物组织企业5家。而从融资数据来看，除去未公开的融资数据，A轮企业有10家，IPO的企业大部分在发展3D打印业务前就已上市。2018年共有13次融资，2015年是18次。赛伯乐松石投资有关人员介绍，3D打印医疗应用整个市场趋于理性，初期涌现的大量企业，大部分都找到了自己的位置，有些企业自身已经具备造血能力。在方向逐渐明朗，市场逐渐冷静的环境下，接下来的项目一定将技术突破和市场需求结合。▌骨科植入物是热门，审批成为最后门槛在3D打印医疗应用的产品中，骨科是比较热门的领域。一是行业不确定性还存在，有突破空间，不像齿科应用市场比较成熟，也不像生物组织打印那样技术还未完备。二是市场体量也较大，但离大规模临床应用还有很多障碍。接下来，我们通过3D打印骨科植入物方面的研究者、从业者和投资人的观点中，厘清行业发展共同的壁垒，回望这些年来的成就。在3D打印骨科植入物方面，已被CFDA批准的产品有爱康医疗与北医三院合作的3D打印髋臼杯、3D打印人工椎体、3D打印脊柱椎间融合器。3D打印在骨科领域的应用，可以分为术前、术中两个部分。术前的应用可以利用CT、MR数据建立三维模型后，打印3D打印术前模型以及3D打印手术导板。而3D打印手术导板则可以帮助医生在手术中快速确定髋臼的定位、磨锉的大小、深度、角度以及髋臼螺钉入钉位置、角度、长度等，实现精确手术方案。术中的应用，主要是个性化的骨科植入物。3D打印的金属材料植入物，可以做到形成多孔结构，也就是说可以模仿人体骨小梁结构，让更多地骨组织长入。另一方面，3D打印的骨科植入物可以做到个性化定制。3D打印的髋关节多孔结构从市场规模和反应来看，骨科植入物同样值得期待。我国每年有超过100万骨科植入物需求，爱康医疗、春立医疗年收入都超亿元，并且保持超过50%的增长率。两家机构也都布局了3D打印人工关节应用，其中爱康医疗还与GE展开合作，春立医疗则与惠普医疗合作。爱康医疗被称为3D打印第一股，但是总的来看目前爱康医疗主要收入还是来自常规的膝关节、髋关节置换产品。2017年，常规产品占到销售收入的87.4%；而3D打印的髋关节、脊柱置换产品销售收入占比9%，收入为3340万。而2018年公布的年中报显示，爱康医疗3D打印骨科植入物产品业务增速达到178.6%，仅去年上半年3D打印产品销售收入就已达到2720万。这个数据以及增速足以说明，3D打印在骨科植入物方面拥有的市场潜力。作为目前中国唯一获得相关注册证的商业化3D打印骨科产品（3D打印用于铸造下颌骨除外），爱康医疗与竞争对手相比，先发优势明显。▌标准初定 , 产品认证问题正在获得解决但是目前来说，行业内共同面对的问题，不在于技术难题而是审批之路，以及目前还没有先行的标准规范。业内人士表示，目前国内研究骨科植入的有很多机构，产品基本上都能满足临床需求，但是卡在审批这个流程可能需要三年左右的周期。艾科赛龙是一家数字骨科医疗产品和解决方案的专业服务商，其创始人赵小文提到，“我们在基础研究领域做了很多年，但是在从基础研究转化为临床过程中，审批和认证标准比较模糊和缺失，有了框架之后没有细则，这是一个很困惑的过程。当然这其中肯定也是技术和政策相辅相成的过程，政策有了明确，技术却没有突破也是不行的。我们在人体骨骼的生理结构量化方面做了很多基础研究，但是在转化过程中就遇到没有标准的问题，后来2018年有一个相关文件，我们就马上进入了临床，所以我认为获得认证过程是较难的一点。”不过这个困扰3D打印医疗发展的老大难问题也在逐步得到解决。前不久，国家药监局发布关于组建人工智能等3个医疗器械标准化技术归口单位的公示，其中包括医用增材制造技术医疗器械标准化技术归口单位组建方案。而上周发布的第一批定制式医疗器械团体标准，则将定制式医疗产品的制造要求进行了明示，这意味着我国3D打印医疗器械标准体系的逐步建立。来源：定制式医疗器械医工交互全过程监控及判定指标与接受条件不过比起FDA目前在骨科植入物方面已经批准的超过30多种产品来说，CFDA审批速度还是较慢，而且在已发布的标准中尚未看到具体的产品指标要求，因此我们也期待第二批团体标准的发布，相信不会等待太久。但正如《计划》汇总指出的一样，其它还有很多需要政策指引的文件，包括推动完善个性化医用增材制造产品在分类、临床检验、注册、市场准入等方面的政策法规，研究确定医用增材制造产品及服务的医疗服务项目收费标准和医保支持标准等等。在此方面，3D打印技术参考也已经看到了推进计划的具体进展，目前湖南、广东、江苏、山东、河北、安徽、四川等省份均已发布关于3D打印医疗服务项目的试点收费指导标准。▌成本不会高于现有产品，医生患者接受度将成为接下来的难题3D打印医疗产品的临床应用，会直面产品成本问题。借助3D打印制造的医疗器械在价格上是否在患者可负担的范围内，患者可及性有多大，同样会成为临床应用的门槛。对于医生来说，全新的技术应用带来了对传统医学治疗方式的挑战，医生是否愿意借助3D打印，3D打印又能否满足医生的实际需求，对新技术应用带来了双重考验。在此背景下，加强3D打印医疗器械医工交互人员的从业上岗资格培训被纳入到团体标准的实施中来，它将为从业人员准确判断3D打印医疗器械是否满足临床需求提供保障。从成本上看，3D打印的医疗产品价格是否会高于现有产品很多呢？业内人士表示，3D打印的医疗产品价格整体不会高于现有的产品，并不会给患者造成高额的负担。以骨科为例，以往的骨科耗材利润率非常高，3D打印生产的植入物在成本上并没有劣势。▌编后语3D打印能够以更低成本、更高效的方式提供更好的医疗体验，无论是不是在风口上，它都将在未来的医疗应用中扮演越来越重要的角色。关于第一批定制式医疗器械团体标准可进QQ群下载。欢迎转发延伸阅读：医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活医学3D打印的主要类别及其改变该行业的方式3D打印如何辅助医生手术，如何宽慰患者复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：标准初定，国内医疗3D打印的现状及未来发展的难题在哪里

采用3D打印制造火箭发动机部件已经被业内专家作为一种潜在的解决方案，基于轻量化和一体化的制造优势，3D打印可以减少部件的总数量并能释放火箭的容量，同时带来成本的降低。在这个过程中，材料及其安全可靠的打印工艺是极其重要的。本期，3D打印技术参考带来NASA对一种火箭推进部件用新合金的开发备忘录。▌项目背景2014-2017年，来自马歇尔航天飞行中心（MSFC）、美国宇航局格伦研究中心（GRC）和兰利研究中心的团队完成了GRCOP-84（Cu-8%Cr-4 %Nb）铜合金SLM工艺开发，并利用其进行了液氧甲烷发动机燃烧室的低成本制造。2016-2017年，MSFC进行了几次成功的高温试验。该项目的另一个里程碑是发布了GRCOP-84的成分数据，其目的是可以获得更多的粉末供应商以及3D打印服务商。下一步的开发工作自然指向了GRCOP-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）铜合金，这是一种相比前者具有相似强度但可以提供更高热导率的新材料，这使得发动机的性能可以进一步得到提高。2015年，NASA 3D打印首个全尺寸GRCOP-84铜合金燃烧室GRCOP-42粉末此前难以生产，但参与GRCOP-84制造的粉末供应商现在已经准备好进入这种类似合金的生产开发。较低的Cr和Nb含量实际上比GRCOP-84更容易加工，因为当铜熔化时，Cr和Nb反应非常迅速，Cr2Nb会漂浮到静止熔化物的表面。因此，GRCOP-84中增加的Cr2Nb超过了GRCOP-42的溶解度。本研究中使用的GRCOP-42粉末的尺寸规格为0–44μm。▌开发过程GRCop-42的3D打印工艺开发是基于Concept Laser M2完成的，选择该设备的主要原因是，它曾被用于GRCOP-84开发，具有一定的“铜友好性”，400 W的激光功率可以很容易地达到完全熔化GRCop-42所需的高能量密度。虽然GRCOP-84采用0.03mm的分层厚度并取得了成功，但事实证明，以这种速度构建较大的组件非常耗时，基本上275毫米高的部件需要28天才能完成打印。在GRCop-42的开发过程中，人们希望它能以更快的速度进行打印，并可以扩展到更大成型尺寸的设备，以生产更高推力的发动机。GRCop-42的高导电率意味着可以使用更低的能量，在较厚的粉层上实现稳定的熔池，调试工作最终以0.045 mm的分层厚度开始。M2打印机参数表在2018年初，研究人员对42个参数进行了初步试验，建立了不同工艺组合的25个小块。GRCop-84最佳的打印工艺能量密度为95.2 J / mm3（见表A栏），GRCop-42测试矩阵以与其相似的能量密度开始，其中功率范围为225-325w，扫描速度范围为800-1200mm/s，最低能量密度相当于GRCop-84的一半。据推断，较厚的层需要稍微更小的扫描间距才能完全熔化，因此扫描间距稍有减小（见表B栏和C栏）。GRCop-42边界参数在实验过程中发现，较高能量密度条件下样品存在过熔现象，零件周围的粉末迅速吸收热量。将25个样块进行破坏性显微镜检测，对YZ平面使用图像分析软件确定每个样本中孔隙的平均孔径和平均孔隙度，在Excel中计算圆形等效直径，并将这些值绘制在与参数对齐的颜色图上。孔隙度图谱 : (a)总孔隙度(%), (b)平均孔径(μm)在所有数据中心找出平均孔径小于15μm，密度大于98%的参数集，这些参数随机分布在构建板的25个样块中。然后进行机械测试件的打印，测试件直径为13 mm，Z方向高度为100 mm，每种参数均使用不同参数打印。研究人员对功率与扫描速度以及构建板上每个试样的位置进行了标注，左上为NW，右上为NE，左下为SW，右下为SE，其中“O”为中心样本。▌后处理与机械测试打印完的样品遵循GRCOP-84的标准处理工艺进行热等静压，然后进行机加工和室温拉伸试验。测试件被加工成ASTM E8型圆形拉伸试样，然后按照相关标准进行拉伸试验。无论每个试样的制造质量如何，测试过程都要保证快速和一致性。机械测试样件分布图上图显示了构建板上的样件布局。20个绿色试样的极限拉伸强度（utss）范围很窄，仅从339MPa到356MPa不等，延伸率大于20%。在剩下的5个标本中，有2个（黄色）的拉伸强度与大多数样件类似，但延伸率仅有12%和15%；另外两个（红色）的拉伸强度仅有180MPa和197MPa，几乎没有延伸；最后一个（蓝色）的拉伸强度最高，达到459MPa，具有中等延伸率（12%）。在初始密度研究中，NE1-1、NE1-2、E-1和E-2样本具有最高的总孔隙度和最高平均孔径。NW1-1样本并未进行热等静压处理，这也解释了它非常高的强度和较低的延展性。END这项研究发现，GRCOP-42是一种易于打印的合金，可以制备完全致密的部件，相比GRCOP-84可以达到更快的成型速度并具有一致的性能。利用平均孔隙度和孔径进行初始参数测试也显示出预测力学性能的良好效果，对延伸率的影响尤其明显。采用优化的新工艺，3D打印速度提升越20%，原来28天才能完成打印的部件现在仅需要22天多一点，几乎节省了一周的时间。然而这并不意味着这已经是最优的工艺，更高的功率往往会导致孔隙增多，而且还可能造成零件粘粉难以去除。因此，需要找到能量密度更低、更快、更加适宜的参数。研究人员仍需要对确定的参数集进行广泛的测试，同时需要对不同批次的粉末进行研究，排除外在因素的影响。欢迎转发延伸阅读：重点解析：铜材料的直接打印问题激光成型高温难熔金属材料的种类及应用Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战金属3D打印的最佳实践（一）：Magics混合支撑结构复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：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

导读：两弹一星考验的是一个国家的科研能力，发动机技术考验的则是一个国家总体的工艺技术能力。作为一国科创的最高水平，航空发动机也是透视科创模式成功与否的水晶球，而鉴于航发技术的种种特性，实质决定了科创核心需求的模式，而不是反过来。本文内容来自澎湃·政务，仅代表该机构观点。国产WS-10太行涡扇发动机如果说航空工业是现代工业的皇冠，航空发动机就是皇冠上的明珠。这个世界上能自行制造核武器的国家有9个，能自行制造洲际弹道导弹的国家有5个(美俄中英法)，但能自行制造大推力军用涡扇发动机的国家只有3个(美俄中)，能自行制造大涵道大推力高性能民用涡扇发动机的国家只剩2个(美英)。世界上掌握一流水平涡扇发动机制造技术的仅有英国R&R（罗尔斯·罗伊斯）、美国P&W（普惠）和GE（通用）3家，俄法都属二流，行业的垄断程度可见一斑。毕竟一代发动机决定一代飞机，美国一直未放松过对中国航发技术的封锁，而我国之所以在航空领域薄弱，就被卡在了发动机上。航空发动机作为地球上技术水平最高、核心技术门槛最严格、涉及理论最高深、整体结构最复杂的工业产品，代表着一国科创的最高水平，无疑也将是透视科创模式成功与否的一个水晶球。航空发动机制造有多难？为什么中国造得出神舟飞船、造得出歼-10战机，偏偏造不出先进的航空发动机？因为航空发动机是经典力学在工程应用上逼近极限的一门技术，本身具有超常难度。且不说，先进发动机的工作温度在1700摄氏度以上，大大超过涡轮叶片镍基合金的熔点，单从承受压力看，发动机压气机增压后的压力高达50多个大气压，相当于3倍的蓄满水后的三峡大坝底部压力，更别提，转子每分钟旋转几万转，叶尖承受的离心力相当于40吨重卡车的拉力。虽然中国已在单晶涡轮叶片和粉末涡轮盘获得重大突破（已开始规模化生产、应用于太行发动机），但航发技术浓缩了太多尖端，仅以涡轮叶片为例，其材料就要求不仅能在1200℃以上的高温下持续工作，还能承受巨大的离心力、气动力、腐蚀、疲劳应力等常人想不到的载荷。而几平方厘米的叶片上分布的许多散热小孔位置设置极为讲究，是根据气路走向而定，即便当年我国试图拆解CFM-56（用于波音737、空客A320上的发动机）也很难“山寨”，就连维修都得靠原厂家，可见技术高超。更为重要的是，由于航空装备的特殊性，研制需要的大量数据只能靠自己试验，即便设计制造出来，还需大量试验验证，暴露问题进而改进。其中，整机试验就要做几千小时甚至上万小时；而一些性能指标比如疲劳寿命，试验累积不到一定时数，就无法知道达不达标。有些试验甚至是破坏性试验，如涡轮盘破裂试验，做完就报废，近乎“烧钱”！据统计，过去50年美国投入航空发动机预研经费就超过1000亿美元。而装备美国第四代飞机F-22的F119发动机，从最初的部件研究到具备完全作战能力历经32年，其中仅验证机研制和原型机研制共投入31亿美元。航空发动机产业显然是典型的资金和技术密集型产业，离不开大量投入，更依托于一国的总体科技、经济实力。就中国目前的航发技术看，和美国的差距仍很大。相比西方先进发动机已开始采用整体叶盘，俄罗斯、中国至今尚未或是刚展开单晶空心涡轮叶片的工业化制造，我国业内承认与“先进”之间尚有约30年的差距。中国航空发动机的落后，除了国外最严密的技术封锁以及我国科技基础相对落后、一些决策失误之外，最主要的因素还在于放不下传统的“反向设计”模式。中国军事工业以苏联技术援助起家，一度擅长逆向仿制，即拆解-仿制-组装，但涡扇发动机这个“工业王冠”就连“知其然”都难，又如何仿制创新？因此，除太行发动机装备少量歼-11B战斗机外，中国多数新研军机都是买装或仿制国外的发动机，如“飞豹”战斗轰炸机使用的是仿制英国“斯贝”发动机的涡扇9-“秦岭”。而且，从科研体制看，相比欧美等航空强国极其注重基础研究和预研（预研工程-核心机计划-发动机系列化），中国则历史上长期恰恰相反，将发动机视为飞机项目的附属，等飞机立项开始研制，才考虑发动机的研制，并有了具体型号，才去搞基础研究、应用探索，这不但不符合航空动力型号研制的客观规律，而且一旦该型号飞机下马，那么跟随的发动机也将下马。对科创模式的特殊要求鉴于此，航发技术种种特性，实质决定了科创核心需求的模式，而不是反过来。一是，航发技术的代际升级，少则几年，多则几十年，时间极长且不容中断，这就决定必须要超越国策及人事的周期性波动。不然，正如涡扇-6的命运，经历了“三下四上五转移”，耗时20年，可最终还是因歼-9、强-6先后下马而停止研制。二是在于国家与企业的界面，因为航发技术涉及国家机密，又高度垄断于美英之手，排他性不说，即便自主研发，也需国家倾一国之财力、精英共同攻克难题。罗尔斯·罗伊斯公司就曾因“台风”战斗机的巨大成功（以致欧洲战斗机市场在未来20年内都没有大规模更新换代的需求）陷入困顿，军用高科技领域一旦出现产品或技术断代之后几乎无可弥补。三是事关社会各行业间的相关合作。毕竟，航空发动机工业的技术体系相当庞大，有4个层次、5个系统、27个子系统、188个技术单元，涉及主要装备制造技术领域，这都需要各方鼎力合作。单是当初“秦岭”（原型为“斯贝”MK202）国产化参与其中的单位就达上百家，还通过全国性有组织、有计划、有步骤的推广才让“斯贝”给我国整体的机械工业领域带来醍醐灌顶似的提高。四是对材料工业的依赖与突破。研究表明，在新一代航空发动机性能的提高中，制造技术与材料的贡献率为50%-70%;而在减重贡献率中,制造技术和材料的贡献率占70%-80% , 可见先进的材料和工艺的重要性，更依赖于技术的突破。单是能完整加工钛合金的国家就只有美俄日中，更别提生产工艺的艰难与材料耗损之大了。此外，航发技术的研发需要前瞻性、超越性、关联性、跨界性。比如美英等的发动机研发就比飞机研发提前很多。美国F-22战机所用的F-119发动机属于第四代发动机，但美国的核心机技术已发展到第六代。而正是在研制之初未充分估计航空发动机工作状态转换问题，美国三代动力系统的第一个作品F100-PW-100在装备部队以后大量出问题，以致F-15战斗机经常性“趴窝”。因此，航空发动机研发不能只盯着自己的一亩三分地，还需考虑天气异常等一切可能发生的特殊情况，所涉之处皆有所求，可谓千丝万缕之中仍需纵横捭阖。缺一不可的“四个要”如此看来，任意单一变量显然是不够的，至少要适合航发技术的四个要，既要倾一国之力咬定青山不放松，又要发挥社会的力量，还要以资本杠杆进行市场化运作，更要未雨绸缪超前为未来战争做好科创准备。印度上世纪70年代引进阿杜尔发动机试图“山寨”，可惜卡佛里发动机国产化接近26年，心血还是“付诸东流”。航发技术的突破艰难在全球都是有目共睹的，即便是英国罗尔斯·罗伊斯公司当初研制首台大涵道比、三转子涡轮风扇发动机时也因研发费用严重超支与无法按时交货而破产，还是靠英国政府为其失败买单（收归国有助其研发成功）才有了今天的成功。中国也饱受航发悲痛的“血泪史”，涡扇-5、涡扇-6“半途而废”，“运-10”配套的涡扇-8同样下马，并伴随科研人员一度逐渐流失，将中国与美欧的航发技术能力差距越拉越大。因此，即便我国“两弹一星”异常成功，但一国航发技术仅靠“重点保障”、“特殊照顾”是不能持久的，也是建立不起完备先进的科研工业体系的。美国就深知这一点，在苏联卫星上天后，为防止竞争敌手出现技术上的意外领先，就专门成立了国防高级研究计划局（DARPA是美国军事科研的最高机构），专门负责高新技术的研究、开发和应用（电脑、软件、通信、Internet和网络技术等都发端于DARPA），其完全不受官僚机构的任何干扰，最大限度地容忍风险与失败、保障创新思维的产生与实现，而美国国防部就提供自由的环境与庞大的资金罢了。也正因其独立自主的科创模式，不仅为美军成功研发大量先进武器技术，还为美国积累雄厚的科技储备，引领了世界军民两用高新技术研发的潮流。美国独占科技鳌头都尚且如此，中国急需纠偏仍部分存在的“反向设计”的传统模式，以设计歼20的创造性思维去设计航空发动机。在“中国制造2025”计划提出的十大重点工程中，排名第三即为航空航天装备，要求突破高推重比、先进涡桨（轴）发动机及大涵道比涡扇发动机技术，建立发动机自主发展工业体系。这就不难预判，中国未来航发技术的进步将步入快车道，并将真正在创新驱动战略中起到引领作用。来源：澎湃·政务欢迎转发复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：观点：中国造得出两弹一星，航空发动机为何迟迟突破不了

自2017年5月以来，EOS联合戴姆勒汽车、Premium Aerotec（飞机零配件制造商）发起名为“NextGenAM”的新一代增材制造试验性生产线项目，旨在探索金属3D打印在批量生产中的自动化潜力。今年5月，该项目成功完成。本期，3D打印技术参考对该项目进行阐释。▌无人干预，全自动化的生产线该项目的实施基于一个复杂、可扩展的增材制造生产线，从数据准备到打印直至热处理、线切割、后处理以及质量检测等过程全部实现自动化，无需人工干预。生产线的核心是用于金属工业3D打印的四激光EOS M 400-4系统，它与EOS其他外围设备如粉末站和拆包站等配合使用。无人驾驶运输系统和机器人确保零件在整条生产线间流动。无论实际生产过程如何，它们都可以执行单独的操作，如为新订单进行打印准备、已完成的部分进行拆包、线切割完成的零件进行机械加工等等。零件在不同站点间的流动时，在必须的环节都会有惰性气体的保护。自动化生产线包括：线切割设备、Kuka机器人、几何光学测量站、控制单元、拆包站、运输车辆，EOS M 400-4等等EOS粉末站与M 400-4打印机零件打印完成后的操作在很大程度上实现了自动化：机器人从打印机中取出构建板和零件后送其进行热处理；随后，这台机器人还会运送它进行精度和质量检测，最后进行零件和构建平台的分离。所有这些过程都是由中央控制站进行管理。零件在机器人运送下执行去应力、光学检测和线切割▌所有机器的网络化零件的整个生产和处理过程无需人工干预，全部由中央自动控制站发出命令并控制。该生产管理系统的最大挑战在于软件开发，它负责打印机、机器人、后处理设备以及自动运输系统间的交互，并涉及错误消除，确保所有系统的一致性。自动化实现的基础是所有机器的网络化。事实上，参与该项目的三家公司遇到的第一个挑战就是协调问题。对于应用型公司来说，其对未来系统的定位在于产品的应用，而EOS则更注重设备销售，这造成在一些接口权限上的限制。为推进项目，EOS需要对不同的市场需求开放不同的权限。在生产过程中，订单数据被传送到控制站，控制站会按照优先级处理订单并将它们分配给增材制造系统。在生产过程中，也可以从任何位置调出生产状态。整个生产过程完成后，质量报告将被发送回中央控制站，它提供了零件在生产过程中的所有数据，全面实现可追溯性。▌容量可随意扩展集成质量管理的连续3D数据链使该生产系统成为未来工业4.0基准的首批案例之一。制造过程是完全可扩展的：生产线可被轻松复制，以扩大工厂的产能。随着这一数字的上升，未来有望进一步大幅节省开支。如今，试点设备已经能够实现零部件的自动化生产并达到批量生产的质量标准。戴姆勒公司所需的零部件已经由Premium AEROTEC新技术生产线所制造，后者生产的卡车柴油发动机支架已经作为戴姆勒卡车部门的第一批更换用零件。Premium AEROTEC为戴姆勒生产的卡车柴油发动机支架▌以高产品质量为标准高产品质量是中试工厂的标准要求，在该项目中，航空航天零件使用高强度铝镁钪合金，汽车零件使用传统铝合金（AlSi10Mg），这些材料的特性在试点项目中不断得到改进，与两年前开始合作相比，材料强度和表面质量显著提高。▌项目成果与愿景NextGenAM项目的成功提供了一个非常明确的信号，金属3D打印完全可以自动化的实现经济、高效的批量生产，同时也证明了数字化制造的可行性；就Premium AEROTEC的整体生产流程而言，与现有的3D打印制造相比，全自动化使制造成本降低了50%。目前所有质量检查都已通过并且结果令人满意，同时这一项目正在根据行业标准为审查做准备，这也是戴姆勒选择3D打印供应商为其提供零部件批量化生产的先决条件之一。未来，整个增材制造生产链的自动化将更加完善，批量化生产将成为可能，通过增材制造生产的零件在可靠性、功能性、耐用性和经济性方面将与传统生产的组件相同。新车组件在设计阶段依据3D打印规则进行优化，可以带来更多成本优势；同时，3D打印轻量化制造也更加符合电动汽车的设计要求。对于备件生产，3D打印“按需”制造的特点将节省大量仓储成本。END关于项目合作，Premium AEROTEC是世界上第一家为空客飞机批量生产3D打印部件的制造商，在联合项目中负责整个生产过程；EOS是金属和高分子材料工业3D打印的全球技术领导者，负责提供所有3D打印技术和相关软件解决方案，以及连接和管理生产线的控制中心；戴姆勒为该项目贡献了大规模批量化生产经验，同时还针对批量生产的相关标准进行监控验证和认证。3D打印作为一种补充性、多功能且相对新型的制造手段，正在汽车和航空航天领域获得进一步发展。如果抛开自动化谈金属3D打印的制造过程，很难界定它是否仍然属于劳动密集型技术，在当前的3D打印生产模式下，人发挥的作用至关重要，有些工作也是非人力所不能及。全流程的自动化不仅仅意味着控制系统的成熟，更在于它可能解决了一些类似工艺规划、打印失败等关键问题的处理能力。 欢迎转发延伸阅读：增材制造的工业化与金属数字工厂专门的增材制造业务部门对整个公司采用新工艺的重要性深度：增长再次加速？公司开启3D打印战略的路径与建议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复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：新一代增材制造 : 金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功

在此之前，笔者以为隐形牙套就是3D打印的，铺天盖地的广告也是这样告诉我们的。然而，很多时候我们不得不面临一些噱头的侵扰，至少在隐形牙套这儿，我们是中奖了。本篇我们就来讲述与隐形牙套相关的3D打印故事及其代表性案例！▌隐形牙套与3D打印口腔隐形矫治（无托槽隐形矫治）20年的发展史完全建立在3D技术基础之上。3D打印技术的成熟为隐形牙套提供了精密牙模原型，让隐形牙套有了可靠的技术保障。口腔隐形矫治过程中一个非常重要的环节就是获得患者当前情况下每一颗牙齿的分布状况（即三维数字化牙模），获取方式的不同将矫治方案分为了间接法和直接法。间接法即用硅橡胶印模或拍摄CT获取患者的全牙列信息，直接法采用口内扫描仪获取牙齿分布信息。间接法矫治流程直接法矫治流程之所以要获取牙齿分布的三维数据信息，是为了在软件系统中进行矫治方案的设计。直接法相比间接法的优势在于数据的获取更加高效，精度也大大提高。医生将口内扫描仪的光学扫描探头伸入患者口内直接对牙齿、粘膜等软硬组织进行扫描，实时获取患者三维数字化模型，简便高效而精准。间接法对印模扫描获取数据直接法进行口内扫描获取数据对获取的原始数据进行矫治过程设计矫治方案确定后，便获得了每一阶段的矫治后牙模模型，将该牙模3D打印出来后，就有了制作透明牙套的“模具”。3D打印的牙模牙模采用3D打印制造，保证了高精度和高速度，为接下来透明牙套的制造提供了保障。目前，包括隐适美在内的隐形牙套制造商也是采用的热压成型工艺制造透明牙套（矫治器）。网友利用热压成型原理自制透明牙套通常，一个患者需要更换30-40副左右的隐形牙套，通过对牙齿持续形成的轻力，达到矫正的效果。30-40副隐形牙套意味着需要打印30-40个矫正牙齿模型，每个模型之间只有非常细小的差别。如果采用传统加工方式，根本无法在短时间内为患者量身定做和批量化生产矫正模型。3D打印作为一种数字化成型技术，能将任何数字化的设计转化为实物，而在牙科矫治行业，3D打印技术恰恰可以满足个性化和批量生产这两种条件。可以说，隐形牙套是一个因3D打印而生的行业。当前很多牙科诊所也在推进这一服务，笔者特意去自家楼下的诊所拜访医生，得知三维数据的获取无论是咬模还是口内扫描目前都采取免费，这也许能在一定程度上推进口腔数字化的发展。接下来，我们来介绍几种牙模的3D打印工艺极其代表性事例。▌牙模多类型3D打印工艺及代表性合作事例1. 惠普尼龙熔融技术，每天打印5万个牙模今年五月，惠普宣布与医疗公司SmileDirectClub合作，后者将部署49台HP MJF 3D打印系统，每天24小时运行打印超过50,000个牙模，预计未来12个月将生产2000万个。惠普MJF技术生产牙模SmileDirectClub旨在对传统的口腔正畸行业进行数字化改造，使其更加个性化、价格合理。惠普突破性的3D打印和数据智能平台使其能够将生产力、质量和制造可预测性推向前所未有的水平，同时可以将节省的资金转移给使用远程平台寻求治疗的消费者。2. 3D Systems SLA技术，每天32万个隐形治疗器具SLA工业打印机的优点在于生产效率高、表面精度高、成本低，是目前隐形牙套生产厂商使用最多的3D打印工艺。作为隐形矫正鼻祖的隐适美，通过与3D Systems合作，每天可生产超过 320,000个隐形治疗器具。SLA生产的保持器（与矫治器不同）3D Systems与Align Technology合作开发了一套定制的解决方案，该方案使用3D Systems的ProX SLA 3D打印技术、材料和软件作为其隐形矫治器的工作流程，能够满足Align的长期业务战略和目标。3. 黑格DLP技术，“零租金”推进口腔医疗数字化升级DLP 技术的特点在于面曝光，以层为单位进行打印，相对SLA来说成型速度更快，但在打印面积上较为受限。黑格凭借自主研发的Ultracraft A2工业级DLP柜式3D打印机，填补了我国高精度DLP 3D打印技术的空白，同时将传统DLP技术的打印效率提高了约40%。黑格3D打印的牙模2018年，黑格科技与佛冠义齿合作，首推“零租金”3D打印设备租赁模式，助力佛冠义齿搭建以3D打印为生产方式的数字化口腔医疗产品生产中心，帮助口腔医疗行业实现技术结构转型和医疗服务升级，促进整个口腔医疗行业朝着更精准、更高效、更舒适的方向发展。4. 普利生LCD技术，实现最低价格制造LCD 3D打印工艺是一种基于面阵曝光的技术，相比SLA单点激光逐层打印而言，制造精度略逊一筹，但生产效率会高出10-20倍；就曝光技术来说，跟DLP非常类似，但其成型尺寸几乎没有任何限制。总之，该技术兼具高速、批量化和低成本，因此基于该技术的产品价格往往更加亲民。普利生LCD技术打印牙模隐适美在中国市场的最大挑战者，当属时代天使，该公司在国内占据了60%的隐形牙套市场。该公司采用的3D打印工艺就是是由国内普利生开发的 LCD 3D打印技术。2018年底，巴斯夫投资普利生，支持其加速产品开发及相关研发速度，扩大市场影响，促进其进入全球市场。END除了以上技术之外，Stratasys的Polyjet工艺也有用于制造牙模，但相对来说成本就会高一些。牙模市场在被树脂打印统治20多年之后，首次采用惠普的尼龙打印技术，传统的牙模制造格局可能会发生改变。此外，当前由于材料的原因，尚无法直接成功打印隐形牙套，这里需要特别提一下矫治器和固定器的区别，3D systems目前直接打印的是固定器，而非牙套。也许未来，牙模的3D打印会因为牙套的直接打印而被淘汰。欢迎转发延伸阅读：3D打印将彻底颠覆口腔正畸治疗方式3D打印在口腔种植领域的应用效果如何？3D打印数字化和美学追求引领中国口腔产业发展年盈利13亿美元的隐形牙套制造商隐适美的商业模式复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：真相：隐形牙套并非3D打印，但与之相关的代表性事例不胜繁多

本文所讲述的金属3D打印是指SLM。在该工艺背景下，最为常用的支撑设计软件也就是magics，它所提供的多种类型的支撑结构为该工艺的实际应用做出了重要贡献。实际上不同种类的支撑结构适合于不同的工艺类型，如块状支撑适合于SLM，线状支撑适合SLA等等。所以，对于具体工艺的研究人员，往往只关注了自己常用的几种类型，对其他关注甚少。本期，3D打印技术参考来介绍一种可能会被忽视、但又适用于SLM工艺的支撑类型—混合支撑结构。Magics混合支撑结构▌再理解支撑存在的意义金属支撑结构必须满足某些相互冲突的要求。一方面，它们需要抵消金属SLM工艺中产生的应力，将零件固定到位；另一方面，它们需要传导打印过程中产生的热量，防止粉末过度熔融造成表面质量不佳，减少单层热量聚集和热应力的产生；同时，它又可以承托零件、抵抗刮刀作用力。为了将零件固定到位并抵消应力，理想的情况是将体积庞大的实体支撑置于合适的位置。但在保证能够成功打印的情况下，就要考虑如何减少支撑数量、方便快捷的进行后处理。作为有30多年经验积累的materialise，在这方面给出了很多工艺实践，它为不同类型的零件添加合适的支撑提供了不同选择。但，这并不意味着以前的支撑结构已经发展到了尽善尽美的地步。▌灵活运用支撑并不容易，混合支撑效果如何？混合支撑结构由三个不同部分组成：上部为块支撑，中部为体积支撑，下部则为树支撑或锥支撑结构。当要求部件离打印平台有一定距离时，这种支撑尤其有用。据materialise介绍，这种支撑结构坚固且相当容易去除。支撑结构的顶部采用传统块结构，它提供的接触点确保了局部传热，避免形成浮渣影响表面质量；在远离零件的底部用容易生成的树或锥支撑，前者可减少粉末的使用，后者则可以提供更好的稳定性；中部板可保证从块支撑到树/锥体支撑结构之间的良好传热。同时，这种结构消耗的材料较少，也不会卡住未熔化的粉末。如果手动组合不同的支撑类型，会需要花费大量时间，不过magics支撑生成模块中其实早已集成了这种结构，只要选择它，便可以自动生成，因此可以节省大量时间。此外，混合支撑结构大大减少了扫描时间以及支撑结构的有效体积。▌用户反馈如何？笔者咨询了EOS、SLM Solutions以及国内一些金属打印的应用工程师，除SLM Solutions的应用技术经理告知笔者，这种支撑强度较弱，打印过程中部件应力会把支撑拉断之外，其他公司的技术人员也几乎未曾使用过此类支撑。另外，materialise工程师指出，此类支撑适合较高的零件，EOS工程师则建议用软刮刀，所以，有兴趣的读者不妨尝试一下。▌任何一种支撑都不是万能的相信大家还记得materialise另一款强大的支撑类型—e-stage支撑，该结构旨在简化金属打印工艺设计，自动化生成支撑，智能化判断需要添加支撑的位置，避免人为错误。它能够使数据准备时间减少90％，同时也给后处理带来了极大便利。e-stage支撑尤其重要的一点是，它能够手动设置需要增加或删除支撑点，这在智能化之外增加了一道经验保障。当materialise推出e-stage支撑之时，已经使用了许久传统支撑结构的工艺人员不由眼前一亮，它似乎是给SLM带来了新的希望。但根据笔者的理解和与materialise、EOS工艺工程师的探讨得出的结论，e-stage支撑依然有它的局限性，它对材料和结构仍然非常挑剔。其实，本文讲述的混合支撑也会存在这样的状况，任何一种支撑结构都不是万能的，工程师必须总结自己的经验。欢迎转发延伸阅读：Materialise e-stage有多逆天Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构光固化创新突破：一种无支撑多材料成型方法 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：金属3D打印的最佳实践（一）：Magics混合支撑结构

自3D打印技术于上世纪80年代末商业化后不久，3D打印就因为其可塑性强、材料损耗少等特性受到关注。然而，商业上却一直未能出现大体量的公司。近日，知名媒体36氪扫描并采访了国内一些3D打印企业及投资机构，希望探究这个行业当前的现状。本篇，我们来了解业外媒体如何看待3D打印。本文将会通过以下几个问题展开讨论:•3D打印的行业现状如何?•行业目前面临的挑战在哪里？•针对3D打印，投资界发生了什么？▌行业现状通过对行业数据的研究以及标杆企业的采访，我们发现当前3D打印行业呈现出以下特点：1. 商业模式集中于打印设备、材料加工与打印服务三个领域产业链的上游是设备的零部件与原材料供应商，由于其通用性，除供应3D打印企业外，上游企业同时也供应其他行业客户；中游的软件和扫描设备当前规模相对较小，软件主要以出售打印设备时的装机配备为主，而扫描设备在医疗成像等特定领域会有需求；下游主要是针对各行业应用的打印服务，而由于行业整体仍在初级阶段，3D打印电商、资源整合商、垂直媒体等周边衍生行业的企业数量仍然较少。在产业链上下游中，绝大多数3D打印企业都分布于打印设备制造、材料加工与打印服务这三类业务。2. 年均增速21%，金属3D打印增速高于产业平均，中国增速高于全球3D打印的市场规模究竟有多大？基于Wohlers Reports 2019的报告，2018年全球3D打印总产值约97.95亿美元，按平均21%的复合年均增长率计算，将于2025年将超过300亿美元全球产值。全球3D打印逐年市值（来源：Wohlers Reports 2019）而在中国，3D打印产业近40%的年化增长率，远高于全球增速。在具体应用分类层面，金属3D打印更是以80%的年均增长领先产业平均水平。3. 五大行业占据80%的市场需求全球各行业对3D打印总市值的贡献率（来源：Wohlers Reports 2019）在所有行业应用领域中，工业制造、航空航天、汽车、消费品、医疗五大分支分别占据了20%，18%，20%，14%，11%的需求，共占3D打印全球总需求的近82%4. 头部企业高度集中，尾部企业高度分化3D打印的全球竞争格局呈现出高度集中的特点，即头部的前9家公司占据了市场上一半以上的出货量。同时，数百家年销售额小于千万的小型公司分布于30名以外，且所在领域与商业模式差异巨大。5. 行业间壁垒较大，大型企业趋向于全产业链覆盖此外，通过分析各代表性企业的业务特点，我们可以看到由于材料及所涉技术的差异化，医疗3D打印、汽车3D打印、桌面级3D打印等不同应用间的行业壁垒较高，除Stratasys等少数龙头企业以外，大多专精于某个领域；而先临三维等发展快速的企业，也在不断往产业链上下游延伸。▌挑战与潜在价值虽然趋势总体向好，但如果分析几家头部企业的财报，我们会发现当前行业内大部分公司，都面临亏损的困境，这其中最大的根源是成本。3D打印的成本主要有以下几项：研发成本、设备折旧、人工成本、材料成本。其中研发成本与设备折旧均是固定投入，在销量未增长起来之前会在总成本中占有较大比重；而人工成本与材料成本虽是与产量直接关联的可变成本，但由于打印技术与材料技术当前仍处于发展阶段，单位耗时较高导致需要人工长期蹲守，而材料的加工成本也有待进一步降低。因此，我们认为影响当前3D打印企业成本问题的根源，还是在于产量与打印效率。尽管如此，3D打印仍然展现出了它的价值所在：第一个是技术创新，由于增材制造的特点，利用3D打印可以解决许多传统打印无法解决的技术难题。这也是3D打印在军工、航空航天等看重性能多于成本的领域率先得到产业应用的原因。第二个是敏捷生产，由于无需模具即可直接投产，3D打印在试制件、定制化产品、小批量产品中具有生产周期短的优点，从而进一步通过缩短总生产工时达到降低总成本的效果。也正是因为以上价值及潜力，虽然3D打印迄今为止还未成为热门投资领域，却仍然引起了部分资本的关注。▌投融资统计根据前瞻产业研究院统计，在政策的推动下，2017年中国3D打印行业投融资24次，为近5年来最多；2018年，融资热度稍显冷却，融资事件为13次，较上年减少较多。据Wohlers Reports 2019介绍，全球投融资次数为107件，总价值13亿美元。而从融资轮次来看，我国3D打印融资主要集中在天使轮和泛A轮（包括Pre-A、A轮、A+轮）的项目早期阶段。据统计，2017年和2018年天使轮和泛A轮融资事件占比均超过了70%。从已披露的融资数额来看，近半数的融资金额都在千万元级人民币，2017年，除去IPO融资，单笔投资额度最高的是鑫精合1.5亿元人民币，2018年唯一上亿元的国内融资事件则来自于黑格科技，该公司获得了由IDG领投的3.25亿元人民币的A轮投资。再从融资企业的业务方向来看，在中国3D打印行业融资案例中，主营业务为3D打印设备的企业占比最高，2017年为21笔占比64%左右，2018年17笔占比57%左右；其次是3D打印打印相关技术及服务，2017年和2018年占比均为1/3左右；再次则为3D打印材料及相关软件。而从技术类别和应用方向来看，金属3D打印、光固化3D打印、熔融挤出3D打印是资本看好的3个技术方案，而在应用领域则是医疗领域最受青睐。在刚刚过去的2019年上半年，3D打印行业即发生了多笔融资。融资领域多集中于3D打印硬件设备，轮次多集中在Pre-A轮与A轮。此外，铂力特于6月26日成功过会，成为中国第1家科创板上市的3D打印企业。欢迎转发延伸阅读：2018年国内3D打印行业融资现状，资本市场仍处于初级阶段深度：增长再次加速？公司开启3D打印战略的路径与建议在线3D打印：一场无声的革命3D打印技术的应用对企业创新独占的挑战与对策 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：业外视角：成本高企之下，3D打印静待行业规模化曙光

在正文开始前，我们先来了解液体火箭的工作情况：液体火箭推进剂燃料通过喷注器进入燃烧室，雾化、混合、燃烧，产生高温高压燃气，将化学能转化为热能，再转化动能，产生推力。燃烧室喉部燃烧温度高达3500℃，内壁温度超过 1000℃，任何金属材料在此温度下都已接近熔化，而且材料还要经受腐蚀性高压高速燃气的侵蚀。为了有效的将热量导出，正常发挥效能，推力室的结构设计和材料选择就非常重要。本期我们介绍的重点就是火箭推力室的结构特点、传统加工手段和材料选择以及3D打印为其带来的机遇和挑战。推力室再生冷却原理我国液氢液氧火箭发动机推力室采用再生冷却式结构，结构由内、外两层壁构成冷却夹套，约有360个冷却槽。发动机工作时，内衬一侧为高温燃气，另一侧为装载液氢液氧的冷却管道，通过液氢液氧降低火箭发动机燃烧室内壁温度保持在熔点以下，以保证材料能正常服役。推进剂组元流经冷却套冷却壁面，自身受热升温后流出冷却套，再经喷注器进入燃烧室，使通过内壁传出的热量又回到燃烧室得以“再生”，故称再生冷却。再生冷却推力室结构再生冷却推力室内流体流动方向推力室再生冷却结构设计与传统加工工艺推力室再生冷却结构形式多样，随着发动机技术及制造工艺的不断发展，推力室从最早的双层夹壁结构发展到变直径、变厚度的管束式结构以及波纹板钎焊夹壁结构，然后采用锆铜合金铣槽内壁、电铸或钎焊成形的外壁结构，使得推力室推力逐渐增大。欧洲阿丽亚娜 5 型运载火箭和主引擎 Vulcian 的再生冷却推力室推力室制造工艺经历了由钎焊发展到内壁沟槽结构的数控铣切、外壁电铸镍以及管束式液压填充冲压成形和高温真空钎焊等制造技术，使推力室内壁的冷却效果逐步提高。在工艺选择上，欧洲火神系列低温发动机的推力室采用在铜内衬上铣削冷却通道，然后用电铸工艺覆盖通道，而俄罗斯是用钎焊工艺密封通道。美国和日本除采用整体结构之外还采用管状结构，如冷却结构是由液压形成和捆扎管组成，电铸或钎焊技术覆盖冷却通道用做承受载荷的附加装置，这点与俄罗斯和德国相同。3D打印为推力室再生冷却结构制造带来的机遇与挑战如上文所述，传统的推力室再生冷却结构制造工艺看起来很细致，同时又很复杂。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。推力室复杂流道结构2015年，NASA通过3D打印制造了第一台全尺寸的火箭发动机；2017年，私人空间探索公司Aerojet RocketDyne发布SLM制造的RL-10火箭推力室；2018年，航天初创公司Launcher成功发射EOS 为其打印的火箭发动机；2019年2月，欧洲航天局ESA完成了全尺寸3D打印火箭引擎的第一次试运行。Aerojet Rocketdyne开发的RL10c-1发动机内衬为铜合金采用3D打印制造带有复杂冷却流道的推力室，同时满足了对复杂设计、低成本和快速交付的要求，这一点上我们不必说太多，这正是这项技术的优势所在，然而这并不意味着没有挑战。推力室内衬和外壳材料分别为铜合金和镍基合金。铜合金具有良好的导热性、抗蠕变（变形）性和耐高温强度，同时兼具经济性，因此受到航空航天工业的青睐。作为一直采用传统加工手段处理的材料，铜合金被改造成粉末之后就显现出它的加工难度—材料表面极好的自然光泽对激光产生的反射使其难以用作激光成型。3D打印的推力室双层夹壁结构此外，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，它会造成热传递增加并降低冷却介质的流动效率。目前针对上面提到的两个问题正在得到解决。实际上从2014年人们第一次开始进行铜合金的激光成型以来，针对该材料的设备改造和工艺开发逐渐趋向成熟，上文中提到的几家航天机构所打印的发动机推力室，也几乎都是采用了铜合金。针对SLM工艺的表面质量问题，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。传统铜合金的3D打印用粉改造，及多金属复合结构一体打印1. 传统铜合金的3D打印用粉改造用来打印推力室的铜合金材料均是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，此前它一直被用于粉末冶金。NASA采用该粉末打印的燃烧室进行了一系列热火测试，实验证明它可以产生高达2000磅的推力。NASA 3D打印的发动机推力室热火实验今年早些时候，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。推力室内衬铜合金导热率比较下图显示了三种主要合金的低周疲劳（LCF）寿命，它是发动机燃烧室内衬材料失效的主要模式。与GRCop-84相比，GRCop42的寿命有些降低，但基本上与NARloy-Z相一致。这些测试结果意味着GRCop-42可能会成为一种制造发动机内衬的新材料。燃烧室用低周疲劳性能比较2. 多金属复合结构一体打印SLM制造并不是推力室3D打印的唯一工艺，推力室除了铜合金材料的内衬，我们还应注意到镍基合金的外壁。采用SLM制造的内衬结构可能还需要通过喷涂、熔覆等类似工艺实现镍基合金的复合，但基于激光堆焊的增减材一体制造工艺则同时解决了3D打印的表面质量问题及材料的复合问题。增减材一体实现5月份，卫星发射公司Virgin Orbit采用GRCop-84铜合金为NASA打印了发动机燃烧室。Virgin Orbit工程师采用DMG MORI增减材一体式设备完成的燃烧室制造，该推力室的几何形状与传统设计相同，但工程师能够使用不同材料更快地构建腔室。该工艺为推力室的制造节省了数月时间，热火试验证明基于该工艺制造的复合材料部件与传统制造的性能相一致。DMG增减材一体设备制造的火箭发动机部件热火实验证明它能够产生高达2000磅的推力增减材一体制造，同时也解决了SLM制造过程中表面质量不佳的问题。END采用多种优化的材料和增材制造技术相结合生产火箭推力室，体现了3D打印的巨大生产优势。它将推力室的制造时间由数月缩短到了几周甚至几天，而且对于制造满布冷却流道的结构更具优势，成本也具备经济性。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。欢迎转发延伸阅读：采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量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打印铣床—混合制造的特点与优势3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战